關(guān)于隧道磁阻傳感器在自動直讀式流量計中的應(yīng)用分析和研究

磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。

在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)，例如采用霍爾（ Hall）元件，各向異性磁電阻（AMR）元件或巨磁電阻（GMR）元件為敏感元件的磁傳感器。TMR （ Tunnel MagnetoResistance）元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)用的AMR 元件和 GMR 元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)來代指 TMR 元件， TMR元件相對于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；相對于 AMR 元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更寬的線性范圍，不需要額外的 set/reset 線圈結(jié)構(gòu)；相對于 GMR 元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更寬的線性范圍.

綜上所述TMR作為最新一代磁傳感器技術(shù)，尤其在功耗和靈敏度上，優(yōu)勢非常明顯，參數(shù)對比如下圖所示。多維科技正是TMR技術(shù)在磁傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的開創(chuàng)者和引領(lǐng)者。

自動讀表的需求簡介

自動讀表技術(shù)，是一種將水表、能量表（氣表和電表） 等流量計中數(shù)據(jù)自動地傳輸?shù)娇刂?a target="_blank">中心的技術(shù)， 其中數(shù)據(jù)包括用戶的流量（水、氣、電）使用量數(shù)據(jù)、 系統(tǒng)運行健康情況數(shù)據(jù)，以及流量計的狀態(tài)數(shù)據(jù)。 利用這些數(shù)據(jù)，供應(yīng)商可以進行用戶費用的計算， 系統(tǒng)的排查檢修，流量使用情況的分析。 自動讀表技術(shù)的主要貢獻在于：避免流量供應(yīng)商到每個用戶所在地去記錄流量計中的用戶消費數(shù)據(jù)。另外，采用自動讀表技術(shù)后，供應(yīng)商可以根據(jù)用戶的實時使用情況，實時地計算出用戶的費用，而用傳統(tǒng)的方法，供應(yīng)商只能獲取用戶在過去的一段時間內(nèi)的使用量。通過分析這種“實時”的信息，供應(yīng)商可以根據(jù)用戶需求量控制水、電、氣的生產(chǎn)量和存儲量。同時， 用戶可以分析并控制自己的使用量。

目前使用的大多數(shù)流量計是多年前安裝在用戶端的， 當(dāng)時還未出現(xiàn)自動讀表技術(shù)。在將自動讀表技術(shù)應(yīng)用到實際中時， 需要解決一個問題：需要將流量計中的計數(shù)單元進行修改，甚至完全被替換。 本方案提出了一種不用改變原有的計數(shù)單元的自動讀表流量計，在不改變原有的流量計機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加若干元件即可。本方案提出的自動讀表流量計，保留了肉眼觀察字輪上數(shù)字的功能，增加了智能化自動讀表的功能。江蘇多維科技采用 TMR 技術(shù)生產(chǎn)的傳感器體積小，精度高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，可以勝任該方案中的傳感元件。

TMR傳感器在自動直讀式流量計中的應(yīng)用演示板說明
1.演示板特點
? 兩顆 Z 軸傳感器測量每一個字輪的磁場；
? 不改變水表的傳動結(jié)構(gòu)；
? 傳感器只須微安級電流就能正常工作，功耗低；
? 當(dāng)磁攻擊時，發(fā)出報警信號。

圖 1 是 TMR 傳感器在燃氣表中的應(yīng)用，燃氣表有 8 個字輪，每個字輪上有 0~9，均勻分布的九個數(shù)字，圖中為方便，只畫出了三個字輪。 每個字輪中鑲嵌有徑向磁化的永磁鐵，其中位置“ 0”對應(yīng)一個磁極，該磁極產(chǎn)生的磁場垂直于字輪表面，并且方向向外。每個字輪需要兩個 TMR 傳感器與之對應(yīng)，兩個傳感器呈 90°安裝。例如，對于第一個字輪，有傳感器 X1 和 Y1 與之對應(yīng)。在該結(jié)構(gòu)中，不需要改變流量計本身的機械結(jié)構(gòu)，特別是傳動結(jié)構(gòu)，只需要在字輪中鑲嵌永磁鐵，并另外安裝兩塊 PCB。

2.演示板使用說明
圖 2 是演示板的實物圖和原理框圖，供電電壓為 5V。傳感器的模擬輸出電壓通過選通器，輸入到 MCU 中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)計算， MCU 再將計算后的數(shù)字信號輸入到顯示器的芯片中，使得字輪上的數(shù)字實時顯示在顯示器上。程序通過燒寫接口寫入到 MCU 中。 演示板可以使用開源的 Arduino 進行編程。

通過長按“ SW mode”按鈕，可以改變顯示器的顯示模式，圖 3 詳細顯示了第一個字輪的詳細信息。圖中 Ang 為校正后的字輪的角度。在該模式下，長按“ SW wheel”可以切換不同的字輪，以查看不同字輪的詳細信息。

通過內(nèi)部算法，可以實現(xiàn)流量計的報警功能，即顯示“ Tamper detected”，如圖 4 所示。當(dāng)有一個磁鐵靠近字輪或者傳感器時，傳感器模擬輸出電壓會超出正常范圍。通過設(shè)定閾值，可以實現(xiàn)“正常運行”還是“收到攻擊”的判斷。當(dāng)外加磁場消失后，系統(tǒng)會自動恢復(fù)到正常運行的狀態(tài)，即顯示“ Status normal”。