磁阻傳感器在磁三分量測井儀中的應用

禹智慧

（河北工業(yè)職業(yè)技術學院宣鋼分院，宣化,075100）

0 引言

磁三分量測井是將磁法勘探和測井勘探相結合的一種有效的勘探方法，根據(jù)不同磁性地質(zhì)體在地磁場中產(chǎn)生不同磁異常為理論基礎，在鉆孔中沿鉆孔方向進行磁場三分量測量，能夠較好對磁性巖、礦體周圍所產(chǎn)生的磁場強度異常進行空間觀測。通過對測量結果分析，推斷解釋地質(zhì)體的位置和空間規(guī)模，從而驗證地面弱磁異常、發(fā)現(xiàn)并確定深部礦體產(chǎn)狀和規(guī)模。

磁阻傳感器由于靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，有著十分重要的應用價值。

在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領域得到廣泛應用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。

磁三分量測井儀采用三個正交安裝的磁阻傳感器，測得與各傳感器方向相一致的地磁場強度， 與定向傳感器配合測量得到北向(Y)—東向(X)—垂直(Z)正交坐標系下的三個磁場分量值。

1 磁阻傳感器

磁阻效應(Magnetoresistance Effect)是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應。在鐵磁性材料中會發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象（AMR），當沿著一條長而且薄的鐵磁合金帶的長度方向施加一個電流，在垂直于電流的方向施加一個磁場，合金帶自身的阻值會發(fā)生變化，這就是磁阻現(xiàn)象。

HMC1022和HMC1021是Honeywell公司基于磁阻現(xiàn)象生產(chǎn)的的固態(tài)芯片，具有高可靠性、高靈敏度，高分辨率、抗干擾能力強的特點。HMC1022和HMC1021是由長而薄的鍍膜合金薄膜制成磁阻敏感元件，采用標準的半導體工藝，將薄膜附著在硅片上，4個磁阻組成惠斯通電橋。傳感器的機構為四臂的惠斯通電橋，將磁場轉(zhuǎn)換成差動輸出的電壓。在外磁場的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓（OUT＋和 OUT-）的變化，并直接表示磁場的強度。

同時在硅平面上集成了具有專利的2個電流帶，一個置位／復位帶，用來置位或復位輸出的極性可降低溫度漂移效應非線性誤差和由于高磁場的存在導致的輸出信號的丟失；一個偏置帶用來產(chǎn)生偏執(zhí)磁場以補償環(huán)境磁場，可消除硬鐵干擾的影響。

HMC1021是一維磁阻傳感器，為單邊封裝（SIP），感應與管腳方向平行的磁場。HMC1022是兩維磁阻傳感器，內(nèi)部集成了2個敏感方向相互垂直惠斯通電橋(電橋A和電橋B),電橋A感應與外封裝長邊方向平行的磁場，電橋B感應與外封裝長邊方向垂直且與表面平行的磁場,可測量相互垂直的兩個方向的磁感應強度信號。

井中三分量磁場測量采用單軸磁阻傳感器HMC1021和雙軸磁阻傳感器HMC1022組合進行測量，從而實現(xiàn)三個相互垂直方向磁場分量測量。

2 系統(tǒng)結構

井中磁三分量測量系統(tǒng)由磁阻傳感器、信號采集電路、傳感器復位置位電路、電源模塊和微控制器組成。磁阻傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號，信號采集電路對傳感器輸出信號進行處理和采集，微處理器對采集系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)的處理；復位電路用于恢復磁阻傳感器在強磁干擾后的靈敏度?？驁D如下所示：

圖1 磁三分量測量系統(tǒng)結構圖

3 硬件電路設計

3.1 信號放大電路

在外磁場的作用下，磁阻的變化引起傳感器輸出差分電壓（OUT＋和OUT-）的變化，并直接表示磁場的強度。HMC1021/1022磁場測量范圍在-6高斯直6高斯。當橋電壓為5V時，輸出電壓約為-50mV-50mV。由于磁阻傳感器輸出信號為毫伏級電壓信號，因此對磁阻傳感器輸出的差分電壓進行數(shù)字化前需進行電壓信號進行放大處理。HMC1021和HMC1022輸出信號以差分電壓方式輸出，放大器選擇儀表放大器AMP04對磁阻傳感器輸出信號進行放大。

AMP04是為單電源儀表放大器，通過一個外部電阻設置增益，增益范圍為1至1000，增益帶寬超過700 kHz，增益非線性達到0.005%，增益溫度系數(shù)為30 ppm/℃，且具有較高共模抑制比和工作溫度范圍（40℃-85℃）。因此該器件能夠直接連接高阻抗傳感器，并適合在測井環(huán)境中穩(wěn)定工作。AMP04對輸入信號增益通過外部電阻（Rgain）進行設置，增益值為：

由于磁場具有方向性，磁阻傳感器輸出電壓具有極性，而AMP04工作在單電源條件下，差分輸入電壓不允許為負值，因此設置偏執(zhí)電壓來兼容輸入信號的極性，AMP04的參考電壓管腳用來設置偏執(zhí)電壓。AMP04對輸入信號增益調(diào)整后輸出電壓為：

在放大電路中增益調(diào)節(jié)電阻Rgain設置為1.25K，實現(xiàn)80倍增益放大。采用由REF192基準電壓源提供2.5V參考電壓。則在HMC1021和HMC1022磁場全量程測量范圍內(nèi)對應輸出電壓信號范圍為0.1V-4.9V。

為減少測量系統(tǒng)中的高頻干擾，提高測量精度，對AMP04輸出的放大信號進行低通濾波，低通濾波的截止頻率通過公式計算為：

其中CEXT為外置的電容，在該測量系統(tǒng)中設置CEXT為0.15nF，實現(xiàn)低通濾波的截止頻率設置為10Hz。

下圖給出單軸磁阻傳感器HMC1021輸出信號放大電路，雙軸傳感器HMC1022信號放大電路與HMC1021相同，信號通道增加為2通道。

圖2 磁阻傳感器信號放大電路

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)測量精度、放大信號輸出范圍和模擬信號輸入道數(shù)，對放大電路輸出模擬信號數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇TLC2543。

TLC2543是采用CMOS技12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有11個模擬輸入通道，每一路轉(zhuǎn)換時間為10us。磁三分量測量使用其中3個模擬輸入通道，剩余通道可供定向、溫度等信號采集使用，從而精簡電路的結構。TLC2543在+5V工作電壓條件下，模擬通道輸入電壓范圍為-0.3V-5.3V，與放大電路輸出信號電壓范圍相兼容。

TLC2543具有3個控制輸入：片選（CS）、A/D轉(zhuǎn)換結束標志（EOC）、數(shù)據(jù)輸入線（DATA INPUT），并具有與大多數(shù)信號處理器和微控制器的串行接口兼容高速SPI接口，通過CS、I/O CLK、DATA INPUT和DATA OUTPUT四個端口實現(xiàn)與控制器的SPI串口通信，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DATA OUTPUT輸出到微控制器。

DATA INPUT端口與8位串行輸入的地址控制寄存器相連，通過該寄存器定義AD轉(zhuǎn)換輸入通道、輸出位數(shù)、輸出數(shù)據(jù)格式。

模數(shù)轉(zhuǎn)化通過兩個不同的周期連續(xù)來實現(xiàn)（I/O周期和轉(zhuǎn)換周期），I/O周期中實現(xiàn)對TLC2543控制字節(jié)的寫入，并讀取上次A/D轉(zhuǎn)換結果。轉(zhuǎn)換周期實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

3.3 微控制電路

控制器采用AVR單片機ATmega16，ATmega16通過SPI串行接口與TLC2543進行串行通訊，TLC2543串行接口（CS、I/OCLOCK、DATA INPUT、DATAOUTPUT）與ATmega16的SPI口的控制線相連，EOC作為查詢端口與單片機上一PB2端口相接，便可以實現(xiàn)單片機與A/D轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)通訊。通信過程中AT90S8535占據(jù)著主設備的地位，TLC2543屬于從設備。

ATmega16初始化設置后，通過SPI口向TLC2543發(fā)送的控制字，實現(xiàn)對TLC2543控制寄存器編程設置，并將A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)給AVR單片機。由于TLC2543為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），為便于SPI接口數(shù)據(jù)傳輸兼容并不失AD轉(zhuǎn)化的精度，ATmega16對TLC2543進行編程設置其輸出ADC位數(shù)為16位，數(shù)據(jù)傳輸格式為從高位到低位，單極性設置。ATmega16控制器采用內(nèi)部定時器來控制置位/復位電路對磁阻傳感器的輸出電壓偏置進行更新。置位/復位電路控制信號由ATmega16通用端口PB0和PB1給出。

3.4 置位/復位電路設計

磁阻傳感器由于溫度漂移效應輸出信號存在非線性誤差，同時由于高磁場的存在導致磁阻傳感器的輸出信號的衰變。HMC1022/1021中集成具有專利的置位/復位電流帶（S/R），將大電流脈動通過置位/復位電流帶就可把磁阻傳感器恢復到低噪音高靈敏度的磁場測量狀態(tài)，同時減少溫度漂移、非線性誤差等因素導致信號測量誤差。

磁阻傳感器輸出對S/R脈沖響應曲線。當置位電流脈沖Iset加到S/R電流帶上輸出正斜率響應曲線，當復位電流脈沖Irst被加到S/R電流帶上輸出負斜率響應曲線，在垂直軸向上存在電橋偏置。因此通過控制器輸出的置位信號使置位/復位脈沖電路產(chǎn)生置位電流脈沖Iset施加到S/R電流帶上，從而使HMC1022/1021處于置位狀態(tài)，讀取該狀態(tài)下磁阻輸出信號Vset；控制器輸出的復位信號產(chǎn)生復位電流脈沖Irst施加到S/R電流帶上，使HMC1022/1021處于復位狀態(tài)，讀取該狀態(tài)下磁阻輸出信號Vrst。置位/復位時序如圖10。則由于溫度漂移等因素導致的磁阻輸出信號偏置(OS)按下列公式計算:

磁阻輸出電壓信號偏置改正通過Vout=Vset-OS或Vout=Vrst-OS來實現(xiàn)。

置位/復位脈沖電路如圖11，置位和復位信號通過控制器AVR單片機通用端口給出。S/R脈沖的電路在PCB設計過程中置于靠近磁阻傳感器處。

4 結束語

將HMC1021/1022磁阻傳感器應用到磁三分量測井儀中，針對磁阻傳感器的特征設計專用數(shù)據(jù)采集電路和控制電路，并結合HMC1021/1022具有專利的置位/復位帶設計置位/復位電路，從而實現(xiàn)較高的測量靈敏度和穩(wěn)定性，可應用到井中磁三分量測量中，具有廣泛應用前景。

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