磁阻传感器hmc1021应用

20 磁阻传感器HMC1021应用 磁阻传感器 HMC1021应用 吴 刚 李一博 天津大学 摘 要 一维磁阻传感器HMC1021由于其高可靠性，高灵敏度，低成本，低功耗和小尺寸等特点成为小磁场测量的 理想选择器件。它具有独特的置／复位功能，能有效消除因温度漂移和电路参数漂移等共模信号造成的影响。 关键词 磁阻传感器 地面标记器 Magnetoresistive Sensor HMC1 02 1 and Its Application Wu Gang Li Yibo Abstract MR sensor of Honeywell becomes the ideal choice tO measure small magnetic field，owing tO its high reliability， high resolution，low cOSt，low power and small size．Moreover，the SET／RESET function of HMC1021 can eliminate efficient— ly offset and temperature effects introduced by the electronics as well as the bridge temperature drift， Keywords Ⅳ【agnetoresistive Sensor Above Ground Marker(AGM) 磁场测 量 可 以分 为 三个 范 围 。在 不 同 的 范 围 中，能在其环境中处于最佳工作状态的磁性传感器 的类型也不同。第一个磁场范围远大于地球磁场 (如永久磁 铁或大 电流 附近)，其 范围为 100奥斯 特 (Oe)或更高。第二个磁场范 围约等于地球磁场或 0．6Oe。第 三个磁场 范 围远 远小 于地 球磁 场 ，它们 在 1mOe或更低范 围 内。表 1给 出了用于不 同磁 场 范围的传感器的类型I1：。 表 1 用于不同磁场范围的传感器类型 线圈 g§ 《 露 g一 j 糍 j糍 赣瓣g囊 麓l辫 磁通r J 誊 誉 曩 。舞 搿y— ％ 。¨ 参 霍尔效应 黼 孵 《簟 §籀 磁阻 拦一 S0UID 魏 糍il掌 嫠貉 纛 。 L 1 Oe) 1 应用背景 ’ 漏 磁 通 法 (MFI ) 在 管 道 无 损 检 测 技 术 (NDT)当中是非常常用的一种方法，特别是对长 距离输油管线 的检测 ，应用最为广泛 。用漏磁通法 对管道进行腐蚀状况检测的检测器通常被称为 “管 道机器人 ”(PIG)，地面标 记器 是埋 在 管道上 方 对 PIG的行进过程进行精确时间标记的定位仪器。 对于长距离管道的漏磁通腐蚀检测，每间隔一 定距离 (1～ 2公 里 )在管 道 上方 安 装一 个 地 面标 记器是非 常必要的 。它 的主要任务 就是通过判别磁 信号的幅度和波形确定 PIG通过其正下方时的准 确时间。该时间值将会作为 PIG纪录结果 的定位 值 ，是对 PIG 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 数据进行分析从而实现管道腐 蚀精确定位的重要依据。 2 磁 阻传感器的原理与应用 磁 阻传感器 的特点 地面标 记器所要测量 的磁 场是 PIG在 管道 外 的 漏 磁 ，其磁 场 范 围在 地 球 磁 场范围内，线圈、磁通门、磁阻效应都比较适合的 这个范围的磁场测量。相比而言，磁阻传感器具有 以下 优势 ： 尺寸小 ；高灵敏度 ，使传感器可据被测铁磁物 体 一段较长 的距离 ；由于内阻抗小 ，使其 对 电磁噪 声和干扰不敏感 ；由于是 固态溶液，无转动部件， 使其具有高度可靠性 ；由于部件能方便的装入插板 产品中，而使实施成本降低 。根据地面标记器所要 测量 的磁场特点 ，选 用 可测 1维 磁 场强 度 的 Hon— eywell磁阻传感器 HMC1021，它的测量范围是± 6gauss(在 空 气 中 lgauss一 1Oe)，可 以 测 量 mgauss精度的磁场。既能满足高精度，高可靠性 的要求 ，又能降低仪器的成本、功耗和体积。 磁阻传感器 磁阻传感器的基础电气元件是惠 斯顿 电桥 ，图 1所示 为用四个玻莫 合金薄膜 电阻制 成 的带有 一个 供 电电压 Vb的惠斯顿 电桥 ，供 电电 压 致 使 电 流 通 过 电 阻 器 。 电 桥 的 四 个 电 阻 是 相 同 的， 当 施 加 外 磁 场 时，其 中 处 于 相 对 位 置 的 两 个 电 阻 器 产 生 增 量 △R，另 外 两 个 电 阻 器 产 生 减 少 量 △R。这 样 ， 电 桥 输 (4) 图1 磁阻传感器的惠斯顿电桥 维普资讯 http://www.cqvip.com 电子 测 量 技 术 ·2005年 第 三 期 21 出的表达式为 ： △=' 一 ．川卜卜一 。 P_一 (△R／R) 6。 磁阻传感器的置／复位功能D 当玻莫合金薄 膜受到外加磁场作用时，沿此方 向电阻有最大的变 化值。当受到强磁场干扰时 (大于 20高斯)薄膜磁 化极性会受到破坏，传感器特性也会改变。针对这 一 破坏性的磁场，需对敏感元件施加一个瞬态的强 恢复磁场来恢复或保持传感器特性 。这一操作是施 加一个置位或复位脉冲。桥输出信号的极性取决于 薄膜内部的磁化的方向，并对称于零磁场的输出。 在磁阻传感器芯片上放置电流带对薄膜进行再 充磁。这种充磁过程是纯电-y-式的 ，不需外接笨重 的线圈 。 在每次测量时，驱动置位 脉冲得到 电桥输 出 ， 再驱动复位脉 冲得到 ，计算两次读数相 减的结果 一 [ 一 c～ ]／2作为电桥的 输出。利用这种方法可消除因温度漂移和电路参数 漂移等共模信号造成的影响，从而得出一个与绝对 磁场成正 比例的输出。且因此可使用低成本的电-T-- 元件 ，并且不需要对传感器的平衡输出进行精调。 图 2是 置复位脉 冲的发 生电路 。 图2 置／复位脉冲发生电路 由单片机 发 出 100Hz的 时钟 ，经 电压 比较 器 9 31后 ，脉冲幅度变 为0—10V。IRF7105是集 成 — 个 N沟道和—个 P沟道 MOS管的集成芯片，通过 外接的两个电容和时钟脉冲的控制产生置／复位脉冲。 信号 处理 电路设计 地 面标记器 的中央控制处 理器 选用 C8051F系 列单 片机 ，它 具 有 与 8051兼 容的高速 CIP-51内核，与 MCS-51指令集完全兼 容，其内部集成 了高速 A／D转换器，是完全集成 的混合系统级芯片 (SoC)。对传感 器输出信号进 行放大 、滤波、采样电路的原理框图见图 3。 HMC1021 R 3 3V- Happ Vref v f — l置／复位脉冲发 f电路 (见图2) 』_L- 100Hz 图3 信号处理电路原理图 由于 单 片机 的 ADC 内部 参 考 电 压 为 2．4V， 因此 ，传感器放大电路的设计就必须满足输出电压 0—2．4V的要求 ；另外，传感器的输出信号为差动 信号，对噪声不敏感 ，所 以先对信 号进行差动放 大，参考电压为 1．2V。传感器输 出的差动信号变 化是 mV级的，这就需要放大器 的精度 高，输 入 输出偏移小 ，AD627是一个理想的选择。信号经 差动放大后 ，再进行低通滤波和二级放大，就可以 送入单片机进行采样处理了。 参 考 文 献 1 TAMARA BRATLAND，R0BERT BICKING，BHAR— AT B PANT．磁性传感器的选择和应用．仪器仪表与 传感器．2002．II 2 1一and 2-Axis Magnetic Sensors HMC1021／1022 (M)， Honeywell用户手册 (上接第 19页)效率随之降低，误码率也相应的升 高。为了保证通信的效果，必须提高发射功率以把 误码率限制在一定的范围之内。 4 调 制样式的选取方法 数字射频系统的设计中，如何选取基带信号的 数字调制样式是一个相 当关键的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。首先 ，我们 要考察传输信道的条件 ，以此来确定选取 的调制样 式是否能够满足误 比特率的要求。比如，256QAM 每个码元能够传送 8bit的信息量，和 QPSK相 比， 传送相同的信息量仅需要 占用 1／4的带宽。然而， 发射设备的结构也因此更为复杂，更容易受到噪声 以及临近信道的干扰而导致很高的误码率，需要很 大的 发 射 功 率 以保 证 一 定 的解 调 准 确 率 。所 以， 256QAM一般用于信道状态良好的视频信号传输中。 其次 ，要根据实际的需要决定我们 的侧重点 ， 首先满足系统 中最关键的性能指标，再综合考虑频 谱效率、功率效率和误码率这三方 面的因素。在 GSM 系统中，出于商业方面的考虑，需要重点考 虑功率效率 以减小手机的体积和功耗。GSM 中选 取 GMSK作为基带信号的调制样式 ，GMSK具有 幅度恒定、误码率性能良好等优点，具有很高的功 率效率。CDMA下行链路采用的 QPSK是一种折 衷的调制样式 ，它具有比较平均的频谱效率和功率 效率 。CDMA上行链路采用 的 ()QPSK是 QPSK 的一种变异方式 。OOPSK和 QPSK的频谱效率相 同，但 OOPSK有更好的功率效率。 参 考 文 献 1 Jhong Sam Lee，Leonard E．Miller．CDMA Systems En— gineering Handbook．1998 J．S Lee Associates，lnc 2 Agilent Digital Modulation in Communications Systems 2001 Agilent Technology 3 周浩敏．信号处理技术基础．北京航空航天大学出版社 维普资讯 http://www.cqvip.com