基于磁阻傳感器的弱磁信號采集系統(tǒng)的設計詳解

引 言

通常所用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采樣對象都為大信號，即有用信號幅值大于噪聲信號，但在一些特殊場合采集的信號很微弱，并淹沒在大量的隨機噪聲中。此種情況下，一般的采集系統(tǒng)和測量方法無法檢測該信號，本采集系統(tǒng)硬件電路針對微弱小信號，優(yōu)化設計前端調理電路，利用儀表放大器有效抑制共模信號，保證采集數(shù)據(jù)的精度要求。

磁阻傳感器是感知磁性物體的存在或者磁性強度（在有效范圍內）的敏感元件。這些磁性物體除永磁體外，還包括順磁材料，也可感知通電線圈或導線周圍的磁場。本文選用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1002，它是二維磁阻微電路，是小型集成電路封裝（SOIC）的雙磁場傳感器。2只傳感器的敏感方向互相垂直。傳感器A感應與外封裝長邊方向平行的磁場，傳感器B感應與外封裝長邊方向垂直且與表面平行的磁場。HMCl002對于±2 Gs（1Gs=10-4T）范圍內的磁場很敏感，具有靈敏度為3.2 mV／V／Gs的線性輸出，分辨力為27μGs。

1 阻效應原理和傳感器工作原理

1.1磁阻效應原理

物質在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應。磁電阻效應有普通與各向異性磁電阻效應之分。各向異性磁電阻效應指：當外加磁場偏離強磁性金屬（鐵、鉆、鎳及其合金）內部的磁化方向時，金屬的電阻減小，而平行時基木上沒有變化，玻莫合金薄膜的電阻率ρ依賴于磁化強度M和電流I方向的夾角，即

玻莫合金（Fe20Ni80）在弱磁場下電阻變化量比較大，因此，適合于弱磁場條件下使用。

1.2傳感器工作原理

1）整個傳感器最關鍵的部分是其中的惠斯通電橋。當外加磁場后，電橋的電阻變化，如圖1所示，引起傳感器輸出電壓Uout變化

Uout=（△R／R）Ub，

式中 Ub為傳感器工作電壓。

2）置位和復位電流帶用來修正傳感器靈敏度。在外場超過10×10-4T的磁場會打亂傳感器內部磁疇的極化方向，改變傳感器的輸出特性，降低靈敏度。利用置位和復位電流帶上施加脈沖，使內部磁疇的極化方向統(tǒng)一，提高靈敏度。

2采集系統(tǒng)設計

整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括三大部分：置位／復位部分、信號調理部分和采集部分，前端調理電路主要功能是消除共模干擾，對微弱小信號進行放大、濾波、差分輸出，經(jīng)屏蔽線傳輸至數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集部分完成數(shù)據(jù)采集并存儲，置位／復位部分避免了磁阻傳感器受到環(huán)境中強大磁場的干擾而導致的輸出衰變，保證了數(shù)據(jù)輸出的正確和穩(wěn)定。

2.1置位／復位電路

當磁阻傳感器暴露于干擾磁場中時，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區(qū)域，從而導致靈敏度衰減。環(huán)境中的強磁場（大于5 ×10-4T時）會導致磁傳感器輸出信號變異，為了消除這種影響并使輸出信號達到最佳，就需要應用磁開關技術（SR+／SR-）來抵消剩余磁場，而HMC1002是借助一個偏置磁場以補償干擾磁場，即通過集成在芯片內部的置位／復位合金帶對薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脈沖電流就可以重新將磁區(qū)域對準，統(tǒng)一到一個方向上，這樣，可確保高靈敏度和可重復的讀數(shù)。

本系統(tǒng)采用的置位／復位電路，其產(chǎn)生的強電流脈沖為11.2A（》4A）滿足了系統(tǒng)的要求，從而可實現(xiàn)低噪聲和高靈敏度的磁場測量。

2.2信號處理電路

前端信號處理電路由儀表放大器、四階巴特沃思低通濾波器等部分構成，其基本框圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若待測信號為微小信號時，使后續(xù)得到的電壓信號也很小，幅值不定，為了使信號的幅值適中，需將信號放大。通用運算放大器不能直接放大微弱信號，必須用儀表放大器，儀表放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩(wěn)定增益等特點。

本系統(tǒng)采用美國ADI公司的集成儀表放大器AD623，AD623具有優(yōu)良的CMRR（它隨增益增加而增加），使誤差最小，電源線噪聲及其諧波都受到抑制，高精度直交流性能和通過一只外接電阻使增益方便地在1～1000范圍內變化等優(yōu)點，在檢測微弱信號的系統(tǒng)中廣泛作為前置放大器。本系統(tǒng)采用兩級放大，第一級放大10倍，第二級放大100多倍，共放大1000多倍。

在采樣前必須對信號進行抗混疊濾波處理，同時，濾除高頻噪聲。本系統(tǒng)主要針對磁信號，其頻率在1 kHz以內，所以，濾波器的截止頻率不超過1 kHz。該濾波器幅頻特性平坦，并有良好的衰減特性，因而，在許多濾波電路設計中得到應用，經(jīng)測試取得了良好的濾波效果。

2.3采集部分

本系統(tǒng)采集部分采用UA306型A／D采集器，該采集器分辨力為16位，16或32通道，實時采樣率達250 k，另外，它還有測量精度高、速度快、無需要外接電源、編程方便、通過USB接口與計算機相連接等許多優(yōu)點。需要數(shù)據(jù)時，直接從PC中將數(shù)據(jù)導入分析軟件中即可，使用起來很方便。

3實驗結果與分析

通過室內／室外實驗分別對系統(tǒng)電路進行了實驗測試。

3.1 室內實驗

磁傳感器水平放置時，鑷子沿著磁傳感器A軸方向正上方平行運動，且距離傳感器的高度為20 cm，在保持相同的條件下（運動速度除外），通過比較測試結果很容易得出磁性物體運動速度對磁傳感器輸出信號的影響：運動速度影響磁信號的寬度，當速度較大時，其圖形的寬度較窄；反之，圖形的寬度較大。多次比較輸出信號幅值，速度變化時，幅值變化不大，磁信號的輸出幅值僅取決于所測磁介質的不同。 3.2室外實驗

通過直線法和圓周法對不同目標（三菱汽車和中巴客車）進行了信號采集，采樣率為3 k。在直線法采集中，目標與傳感器的距離為4m，且三菱車的行駛速度為20km／h，中巴為14 km，／h。圖3、圖5是對三菱車信號采集的結果，圖4是對中巴客車信號采集的結果。

1）圖3、圖4比較可以看出：橫軸顯示圖3有效信號的跨度比圖4的小，圖3中輸出磁信號的幅值大于0.4V，而圖4中小于0.3 V，即圖3中的輸出信號幅值比圖4中的大。這是因為圖3中的目標移動速度較大，另外，由于2個目標不同，即對傳感器周圍的磁場影響程度不一樣，故測得的輸出信號幅值也不同。

2）直線法和圓周法比較可以看出：圖5、圖3、圖4中的曲線變化規(guī)律明顯不同，曲線形狀變化較大是因為目標運動方式不同，即影響磁場的方式不同，從而測得曲線有差別，圖5曲線中有個較大的峰值，是因為車在圓周行駛時，在采集信號期間車有一次通過傳感器敏感軸的正方向。另外，由于采集時間有限，所以，曲線沒有反映信號周期性變化，若采集時間達到2個周期，則會出現(xiàn)2個主峰。

另外，通過比較三菱車不同方向行駛時的曲線可以看出：圖中曲線主峰偏向相反，是因為目標移動方向相反，這是由磁阻傳感器的特性決定的。

4結束語

本文利用有效的模擬信號調理方法，設計了一種基于磁阻傳感器的弱磁信號采集系統(tǒng)，為保證采集信號的正確性，此系統(tǒng)配有置位／復位電路，另外，該系統(tǒng)還具有能夠檢測微小信號和獲取數(shù)據(jù)簡單等特點。
編輯：lyn