基于HMC1022的磁場檢測裝置設(shè)計與研究

馮春鵬， 袁俊杰， 趙　飛

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院， 北京　100144)

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基于HMC1022的磁場檢測裝置設(shè)計與研究

馮春鵬， 袁俊杰， 趙飛

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院， 北京100144)

摘要：根據(jù)近幾年來針對電磁測試空間性發(fā)展的研究，提出一種基于磁阻傳感器探頭測量動態(tài)磁場強度的方法，設(shè)計采用單片機的智能化控制磁場測量裝置.該裝置采用磁阻傳感器探頭測試二維平面內(nèi)任何方向的磁場強度，通過單片機控制數(shù)據(jù)的采集與處理并由LED實時顯示磁場的測量值.上位機采用LabVIEW開發(fā)軟件作為平臺，進一步處理和顯示數(shù)據(jù).對測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，初步表明該測磁裝置的設(shè)計是實際可行的，為后期的磁場測量研究打下基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：磁阻傳感器；測試裝置；單片機控制；智能化

0引言

磁場測量技術(shù)是研究磁場的重要手段之一，在地球物理學、空間科學、生物醫(yī)學、軍事技術(shù)及工業(yè)探傷等領(lǐng)域被廣泛應用.近幾年以來，高速發(fā)展的科學技術(shù)以及半導體工藝的飛速進步，極大地促使電磁測量的研究轉(zhuǎn)向于動態(tài)靈活的磁場測量[1].普通的測量儀如特斯拉計、高斯計等已經(jīng)難以滿足工業(yè)生產(chǎn)中對于動態(tài)磁場的自動檢測和控制的使用要求.為此，本研究設(shè)計了一種基于磁阻傳感器的數(shù)字化智能動態(tài)磁場測量裝置，其不僅能夠?qū)Υ艌鰪姸冗M行實時檢測，而且通過單片機將數(shù)據(jù)存儲處理傳送給上位機進行進一步處理與顯示.

1測量裝置原理及設(shè)計

1.1磁阻傳感器

測試裝置選用高精度的磁阻傳感器作為測試探頭.磁阻傳感器根據(jù)磁性材料的磁阻效應采用微加工工藝制作而成，其內(nèi)部電阻大小與通入電流的大小、磁場強度的強弱、電流方向以及磁化方向的夾角有關(guān).根據(jù)電場和磁場的耦合原理，當在磁阻傳感器中鐵磁合金薄帶的長度方向施加一個電流時，如果在垂直于電流的方向再施加磁場,鐵磁性材料中就有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)，從而引起合金帶自身的阻值變化，即為磁阻傳感器測量機理[2-3].其工作原理圖如圖1所示.

圖1磁阻傳感器的工作原理

本研究設(shè)計的磁場檢測裝置選用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC系列中的雙軸磁阻傳感器HMC1022，該芯片能夠同時檢測出2個方向上的磁場強度.其核心是內(nèi)置的2個由4個1 kΩ的電阻臂組成的惠斯通電橋，只需將供電電壓(0～10 V)接到橋路總線上.芯片具有2個敏感軸(X軸和Y軸)，傳感器將磁場轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出2個測量軸的信號電壓值.HMC1022芯片能夠感知磁場強度超過30 μ高斯的磁場，具有靈敏度高、響應時間短、芯片體積小、抗電磁干擾性好、功耗低和易于安裝等優(yōu)點，有較寬的線性范圍，在弱磁場測量方面更具有優(yōu)勢[4].

1.2測試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試裝置主體由2個部分組成：磁場檢測探頭和可移動小車.由磁阻效應原理制作的磁場探頭芯片HMC1022設(shè)計在“L”型印刷電路板的頂端，用于檢測位于同一平面上的磁場強度的大小.“L”型電路板另一端是后級處理電路，用于放置信號采集與放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等. 可移動小車由輪轂和2片亞克力玻璃板加工制作而成，將車輪輪軸通過聯(lián)軸器與數(shù)字編碼器連接.數(shù)字編碼器能夠隨著小車的移動輸出磁場探頭的位置信息，磁阻傳感器輸出磁場強度的大小，通過單片機處理然后在LED屏幕上顯示出對應位移的電壓和磁感應強度.

2硬件設(shè)計

2.1信號放大電路的設(shè)計

HMC1022磁阻傳感器信號為差動輸出，為提高共模抑制比，采用高精度放大芯片對傳感器輸出的信號進行放大.放大電路設(shè)計中選用APM04芯片，AMP04是一款單電源儀表放大器，工作電源電壓范圍為±5～±15 V.該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低功耗、寬輸入電壓范圍和出色增益性能等的完美組合.采用與其它模塊相等+5 V電壓，整體測量系統(tǒng)采用單電源供電[4-5].本裝置采用MAX662A電壓轉(zhuǎn)換電路，將5 V的電壓變換為12 V，為IRF7105的工作提供電源.MAX662A是電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器，只需4.5～5.5 V的輸入電壓就可得到12 V的輸出電壓，而且無需感應器就可以保證輸出端有30 mA的電流傳送.

2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

為了保證測量裝置在強干擾環(huán)境下的實時性和信號的同步性以及高精度測量，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的TLC2543芯片.TLC2543芯片是12位串行高精度A/D轉(zhuǎn)換器，包括11個模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測方式，內(nèi)置轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)輸出，可編程的MSB或LSB前導，具有單、雙極性輸出.芯片采用串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機I/O資源，而且價格適中、分辨率較高，可以滿足實驗測量要求.

2.3單片機外圍電路設(shè)計

磁場測試裝置的外圍電路主要包括復位按鈕、LCD顯示屏和時鐘芯片等.傳感器在弱磁場環(huán)境測量時容易受到干擾，復位按鈕是在磁阻電橋上應用磁開關(guān)切換技術(shù)，將傳感器恢復到高靈敏度狀態(tài).HMC1022芯片內(nèi)部實現(xiàn)復位功能的部件實際上是一組鐵磁性電阻，傳感器的磁疇全部沿著敏感方向有序排布，使得它回復到一個最初始的狀態(tài)，在這個狀態(tài)下感知磁場可以獲得靈敏度最高和最準確的輸出信號,復位由單片機的I/O引腳進行控制.

顯示屏采用ACM12864JHZ圖形點陣式液晶顯示器，將顯示器驅(qū)動器直接連在系統(tǒng)總線上，由單片機控制對顯示屏進行讀寫等一系列操作，顯示屏主要顯示二維矢量值的正負峰值[6].當單片機每次處理完數(shù)據(jù)之后，將從時鐘芯片中讀取保存在存儲卡中的數(shù)據(jù)，以便于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到上位機中進一步作分析處理.

2.4通信接口設(shè)計

選擇傳統(tǒng)的USB轉(zhuǎn)串口通信作為單片機與上位機連接接口.綜合考慮其開發(fā)周期長短、難易程度以及成本高低的問題，本測試裝置采用CH375芯片作為通信處理的接口芯片[7]，具有價格便宜、可靠性高、接口方便等優(yōu)點，大大減少了開發(fā)周期，并降低了難易程度.

3軟件設(shè)計

3.1下位機軟件設(shè)計

測試裝置下位機由單片機控制，主要負責對信號的采集與放大、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理顯示以及傳輸通信等.考慮到測試內(nèi)容流程以及時序性等因素，軟件設(shè)計中采用傳統(tǒng)中斷方式，對于時間比較敏感的程序放在中斷子程序中進行處理，由優(yōu)先級判斷子程序的執(zhí)行.其中，AD轉(zhuǎn)換部分采用DMA方式工作，用數(shù)據(jù)總線將轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)直接連接到存儲器上，單片機負責傳輸數(shù)據(jù)到存儲器中，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)乃俣?信號采集流程圖如圖2所示.

圖2信號采集流程示意圖

3.2上位機軟件設(shè)計

上位機顯示界面設(shè)計采用的是美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的LabVIEW軟件.該軟件使用圖形化編程語言G編寫程序，其與C語言完美的融合功能使編程大大簡化，在計算機顯示屏上就可以輕松顯示不同儀器儀表功能[8].軟件實現(xiàn)的功能是對單片機采集與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理和分析，將檢測到的磁場裝置的強弱分布點顯示在界面上.上位機功能實現(xiàn)如圖3所示.

4測磁裝置實驗過程及結(jié)果

4.1測試過程

對實驗裝置進行初步的實驗測定，選取普通被

圖3上位機實現(xiàn)功能示意圖

磁化的長方體碳素鋼作為磁場測試環(huán)境.被選用的碳素鋼長度為200mm.該磁場環(huán)境較穩(wěn)定，適合初步設(shè)計的磁場測量裝置，而且磁化程度較弱的磁場也不會對電源本身或者測試裝置周圍的設(shè)備造成干擾，方便測量.

將磁場測量裝置探頭與小車車身調(diào)整位置，使探頭距離長條形磁化碳素鋼上方20 mm處，放置好測量裝置小車，按下單片機上的復位按鈕此時測量進入初始化狀態(tài).實驗人員移動小車，使其相對碳素鋼的橫向位移改變，數(shù)字編碼器開始計數(shù)并記錄小車位置信息，磁阻傳感器探頭檢測到所處位置的磁場信號，并傳輸給單片機進行處理.顯示屏上測試點及上位機波形圖的顯示，可以得到被磁化碳素鋼的周圍磁場強度的大致分布.測試裝置實物圖如圖4所示.

圖4　測試裝置實物示意圖

4.2測試結(jié)果

利用實驗室設(shè)計的磁場測量裝置測量被磁化碳素鋼周圍的磁場強度的大小.表1所示為實驗中測試裝置磁阻傳感器上X軸和Y軸輸出的電壓值的數(shù)據(jù)，與磁場強度值之間的轉(zhuǎn)換.

圖5為X軸和Y軸上在不同位置磁場強度值的折線圖.

從圖5中可以初步得出，由于X軸長度方向上磁場強度的疊加效應，使得X軸方向上磁場強度明顯大于Y軸上的磁場強度.2個方向的磁場強度數(shù)值有一定的波動，在被測量的永磁體的兩極位置上磁感應強度值變化較大.由圖數(shù)據(jù)可以得出該實驗裝置實驗誤差穩(wěn)定在50mG左右，性能基本穩(wěn)定，可靠度較高.

表1　磁阻傳感器X軸和Y軸輸出電壓值及對應磁場大小

圖5X軸和Y軸上不同位置磁場強度值的折線圖

5結(jié)論

本研究所設(shè)計的數(shù)字式磁場測量裝置中，隨著數(shù)字編碼器顯示的位移變化，磁阻傳感器探頭實時測量X軸和Y軸2個方向上的磁場強度，利用單片機控制電壓信號的輸入輸出，由LED顯示屏直接顯示出測量值及磁場強度的變化情況，并通過上位機軟件設(shè)計處理數(shù)據(jù)，更清晰顯示出所測量磁場強度隨著編碼器所測量位移的變化量.實驗初步表明，本研究制作的數(shù)字式磁場測量裝置是基本可用的，為以后磁場測量的研究提供了參考基礎(chǔ).進一步的研究可以增加傳感器探頭數(shù)量，組成三維動態(tài)磁場強度測量系統(tǒng)，在磁場測量中將會有更好的發(fā)展前景.

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Design and Research on Magnetic Field Testing Device Based on HMC1022

FENGChunpeng，YUANJunjie，ZHAOFei

(College of Electromechanical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Abstract:According to the space development of electromagnetic test in recent years,the paper puts forward a method which can measure the dynamic magnetic field intensity based on magnetic resistance sensor.The design adopts the intelligentialized magnetic field control measuring device of SCM.The device utilizes the magnetic resistance sensor probe to measure the magnetic field intensity in any direction on two dimensional surfaces.The processing and collection of data is controlled by SCM and the measured value of the magnetic field is displayed by LED.Upper computer uses LabVIEW software to further process and display the data.The data analysis of the measuring results shows that the design of magnetic measuring device is practical and lays a solid foundation for the further research on magnetic measurement.

Key words:magnetic resistance sensor;testing device;SCM control;intelligentialize

文章編號：1004-5422(2016)02-0161-04

收稿日期：2016-03-22.

作者簡介：馮春鵬(1992 — )， 男， 碩士研究生， 從事電磁場測控技術(shù)研究.

中圖分類號：TM937.1；O441.5

文獻標志碼：A