一種小型弱磁矢量檢測系統(tǒng)*

鄭 勝，徐校明，羅志會，潘禮慶，劉 亞

(三峽大學(xué) 磁電子與納磁探測研究所，湖北 宜昌443002)

0 引 言

弱磁矢量檢測在磁學(xué)測量、汽車導(dǎo)航、無損檢測等方面獲得廣泛應(yīng)用。隨著檢測儀器儀表日趨小型化，對弱磁矢量檢測系統(tǒng)的體積、功耗、靈敏度等綜合性能提出更高的要求。傳統(tǒng)的弱磁矢量探測儀表多采用霍爾元件、磁通門、各向異性磁阻、巨磁阻等作為前端傳感器元件［1～3］，將磁場變化轉(zhuǎn)換為微弱模擬電信號(一般小于3 mV)的變化，然后對電信號進(jìn)行放大和調(diào)理后，提取有效信號，再通過A/D 轉(zhuǎn)換后由處理器完成信號處理與顯示［4，5］。采用霍爾元件作為傳感器的檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但分辨率在0.1 μT 左右，多用于要求不高場合的磁場檢測［6，7］;而基于磁通門、各向異性磁阻、巨磁阻的傳感系統(tǒng)雖然具有較高的精度，但量程小，且通常需要附加復(fù)雜的放大電路(一般要放大數(shù)百至上千倍)和濾波反饋電路，甚至置位/復(fù)位電路來改善系統(tǒng)的測量精度，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、功耗高、價格昂貴，其應(yīng)用場合受到限制［8～10］。

本文選用PNI 公司最新推出的精密電感器SEN—R65作為磁傳感器，匹配專用驅(qū)動IC 芯片，通過STC 單片機對傳感電路進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)采集，開發(fā)小型弱磁矢量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈沖周期直接數(shù)字檢測的方法獲取磁場的特征信號，省去了信號調(diào)理和傳感器與處理器之間的A/D轉(zhuǎn)換，具有體積小、功耗低、分辨率高、線性度好等特點。

1 磁場探測的基本原理

磁場探測的工作電路如圖1 所示，包括正向和反向測量的LR 振蕩電路，該電路由偏置電阻器、施密特觸發(fā)器、電感傳感器組成。電路上電后，施密特觸發(fā)器輸出高電平，經(jīng)電感傳感器和電阻器接地，啟動正向測量。電阻器上的分壓逐漸升高，當(dāng)A 點的電壓高于斯密特觸發(fā)器的閾值電壓時，觸發(fā)器反轉(zhuǎn)。電感傳感器的儲能開始釋放，A 點漸變?yōu)榈碗娖剑绱朔磸?fù)形成一個基于LR 的振蕩電路，振蕩的周期直接取決于電感和電阻的大小。反向測量與正向測量的過程類似，但電流流經(jīng)傳感器的方向相反。

圖1 LR 振蕩電路Fig 1 LR oscillation circuit

圖2 顯示振蕩電路中B 點和A 點的電壓變化過程，B點輸出信號的周期將被專用IC 以數(shù)字化方式進(jìn)行檢測。當(dāng)電感式傳感器的感量受外界磁場影響發(fā)生變化時，輸出點振蕩信號的周期將發(fā)生變化。對于具體的傳感器，感量的大小直接由總磁場強度決定?？偞艌龅拇笮?/p>

式中 HE為外界磁場，電流I 產(chǎn)生的磁場為k0I，其中，k0為一個由傳感器材料決定的常數(shù)。

圖2 振蕩電路波形圖Fig 2 Oscillation circuit waveform figure

當(dāng)外界磁場為零時，電感式傳感器的感量取決于流過電流的大小，正、反向測量時A 點的振蕩周期相同，如圖3(a)所示。當(dāng)傳感器受外界磁場影響時，正向總磁場強度增大，正向測量時，A 點振蕩周期τP增加;反向測量時，振蕩周期τN減小，如圖3(b)所示。通過對正、反向振蕩周期的差分處理，可以消除傳感器自身磁場的影響，獲得與外界磁場HE呈比例的數(shù)字信號。

圖3 A 點振蕩周期變化曲線Fig 3 Oscillating period variation curve of point A

2 軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

弱磁矢量檢測系統(tǒng)如圖4。選擇PNI 公司設(shè)計的專用芯片3D MagIC 外接三只SEN—R65 電感傳感器，3D MagIC直接數(shù)字測量正、反向振蕩信號的周期，差分后獲得外界磁場對應(yīng)的數(shù)字量，通過SPI 總線接口傳送給單片機STC12LE2052AD。與此同時，單片機也可以對3D MagIC 進(jìn)行初始化和參數(shù)配置。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure of system hardware

測量結(jié)果經(jīng)單片機讀出并打包處理后，通過RS—232 接口上傳給計算機。硬件設(shè)計時，為減少磁場梯度的影響，三只傳感器的位置盡可能的接近。三只磁軸要形成一個標(biāo)準(zhǔn)正交基，避免降低系統(tǒng)的測量精度。

2.2 程序設(shè)計

檢測系統(tǒng)的程序設(shè)計包括底層單片機程序設(shè)計和上位機界面程序設(shè)計。

底層單片機程序采用C 語言編寫，中斷方式分別驅(qū)動X，Y，Z 傳感器進(jìn)行測量。以X 單軸傳感器的測量為例，其工作過程如下:單片機置位片選SSN 引腳信號為低電平，選中對應(yīng)的3D MagIC;然后向3D MagIC 發(fā)送命令字0x01，3D MagIC 檢測到0x01 信號后，啟動X 軸測量;測量結(jié)束后3D MagIC 自動將DRDY 引腳設(shè)為高;當(dāng)單片機檢測到DRDY 的高電平時，響應(yīng)中斷，先將SSN 引腳設(shè)為低，再從MISO 引腳讀取已經(jīng)準(zhǔn)備好的24 位補碼形式的數(shù)據(jù)，并予以保存。Y，Z 軸傳感器工作過程與X 軸傳感器類似。單片機將9 個字節(jié)數(shù)據(jù)，加上0x33 起始字節(jié)，構(gòu)成一個10 個字節(jié)數(shù)據(jù)包，通過串口發(fā)送給上位機。

上位機界面是用Microsoft 基本類庫(MFC)［11］實現(xiàn)的，MSComm 控件讀取了下位機傳上來的數(shù)據(jù)。在使用MSComm 控件開發(fā)通信程序時，采用了事件驅(qū)動法，以便MSComm 控件在接收到數(shù)據(jù)事件發(fā)生時能及時響應(yīng)并獲取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。微機接收到從單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳遞的10 個字節(jié)數(shù)據(jù)，剔除0x33 的起始字節(jié)，依次取出X，Y，Z傳感器對應(yīng)的24 位二進(jìn)制補碼數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，由三個不同的數(shù)組保存，同時使用Mschart［12］控件在界面窗口中實時顯示出來。

3 系統(tǒng)性能測試與分析

系統(tǒng)的實驗分析和標(biāo)定［13～16］在屏蔽筒中完成。為了保證測量的準(zhǔn)確性，先采用16 A 的大電流對磁屏蔽筒進(jìn)行消磁，使剩磁小于2 nT。屏蔽桶內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)磁場由恒流源控制亥姆赫茲線圈產(chǎn)生，誤差小于2 nT。

3.1 分辨率分析

如上述分析可知，3D MagIC 對振蕩周期進(jìn)行數(shù)字化測量，測量的周期數(shù)越多，平均誤差越小，理論上的分辨率越高。實際測量過程中，隨著測量周期數(shù)的增加，電感傳感器的功耗增加，噪聲增大，線性度劣化。為了獲得最佳分辨率，需要對測量周期數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置。

實驗中，將測量周期數(shù)從160 到220 分別設(shè)置，增量為10，測得不同設(shè)置值時的分辨率，采用Origin 對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得X，Y，Z 軸傳感器的周期數(shù)與分辨率的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 三軸分辨率實驗Fig 5 Three axis distinguishability experiment

從圖5 可以看出:隨周期數(shù)增加，分辨率變高。但當(dāng)振蕩周期數(shù)小于150 或者大于220 時，弱磁探測系統(tǒng)線性度急劇劣化，甚至出現(xiàn)隨機跳變現(xiàn)象。上述情況下線性度劣化的原因在于:當(dāng)周期數(shù)過低時采樣頻率低，測量噪聲大;而周期數(shù)過高時，傳感器上功耗越大，器件的非線性誤差增加，故周期數(shù)一般不能小于150 或者大于220。實驗測得:當(dāng)X，Y 軸磁傳感器振蕩周期數(shù)配置為215 時，對應(yīng)的分辨率達(dá)到15.57 nT，接近PNI 磁傳感器的理論精度15 nT。Z 軸磁傳感器振蕩周期數(shù)配置為215 時，對應(yīng)的分辨率達(dá)到15.38 nT。因此，將系統(tǒng)的測量周期數(shù)配置在215 時，可以獲得最佳的測量精度。

3.2 磁傳感器標(biāo)定實驗

為了進(jìn)一步分析傳感器的工作特性，將各軸傳感器的測量周期數(shù)配置為215，采用LabVIEW 來控制Keithley 2 612B數(shù)值源表，使驅(qū)動亥姆赫茲線圈產(chǎn)生均勻變化的磁場，激勵參數(shù)為2.6 nT/μA，對檢測系統(tǒng)的分辨率和線性度進(jìn)行標(biāo)定。

將X，Y，Z 軸加載電流與實測的相對磁場強度值用Origin軟件進(jìn)行直線擬合，如圖6 ～圖8，其中，(a)圖分別表示探測系統(tǒng)X，Y，Z 軸相對磁場大小與驅(qū)動電流之間的關(guān)系，斜率分別為154，146.92，157.30，線性相關(guān)系數(shù)分別為－0.999 7，0.999 6，－0.999 8，說明X，Y，Z 軸相對磁場大小與驅(qū)動電流之間完全線性相關(guān)，是函數(shù)關(guān)系;(b)圖分別表示探測系統(tǒng)X，Y，Z 軸磁場偏差與驅(qū)動電流之間的關(guān)系，最大的磁場偏差分別為1.75，1.8，1.5，換算為磁場大小為32.27，33.19，27.66 nT。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于PNI 磁傳感器的小型弱磁矢量檢測系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的檢測原理。利用標(biāo)準(zhǔn)磁場產(chǎn)生裝置，在屏蔽筒中對檢測系統(tǒng)的線性度和分辨率進(jìn)行了標(biāo)定，通過優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)配置，獲得15.38 nT 的高分辨率。整個系統(tǒng)具有體積小、功耗低、分辨率高、線性度好的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于磁場測量、電子羅盤制作、生物監(jiān)測、磁定位等方面。

圖6 X 軸線性分析Fig 6 Linear analysis of X axis

圖7 Y 軸線性分析Fig 7 Linear analysis of Y axis

圖8 Z 軸線性分析Fig 8 Linear analysis of Z axis

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