一種新型三維磁場(chǎng)傳感器及其性能研究

楊波 張宏杰 趙春陽 李昊天

摘 要：文章特別針對(duì)以測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度為背景，首先介紹了TLV493D-A1B6新型三維磁場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)及其工作原理；然后通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和設(shè)計(jì)新型磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試電路，具體分析了該新型磁場(chǎng)傳感器的穩(wěn)定和靈敏等性能；最后闡述了該新型磁場(chǎng)傳感器與單維磁場(chǎng)傳感器相比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：磁鋼；三維磁場(chǎng)傳感器；磁場(chǎng)信號(hào)采集電路；穩(wěn)定性能；靈敏性能

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0048-03

Abstract： Based on the measurement of magnetic field intensity， the structure and working principle of a new 3D magnetic field sensor based on TLV493D-A1B6 are introduced in this paper. Then， the stability and sensitivity of the new magnetic field sensor are analyzed by setting up the experimental platform and designing the new magnetic field intensity testing circuit. Finally， the technical advantages of the new magnetic field sensor compared with the single dimensional magnetic field sensor are described.

Keywords： magnetic steel； 3D magnetic field sensor； magnetic field signal acquisition circuit； stability； sensitivity

引言

在科學(xué)研究、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等領(lǐng)域，磁場(chǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，常常起著決定性作用。李潤(rùn)生等[1]將磁加熱應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上的冶金；白城均等[2]研究了磁力軸承在電機(jī)上的應(yīng)用；金紹林等[3]通過磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)研究了磁場(chǎng)在現(xiàn)代骨科領(lǐng)域的應(yīng)用；馬放等[4]利用磁的吸附能力研究了磁場(chǎng)在污水處理中的應(yīng)用。

在以上磁場(chǎng)應(yīng)用的場(chǎng)合中，不僅在方向而且在大小上對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度都有很高的要求。譚穗妍等[5]用相互垂直的3對(duì)兩兩配對(duì)的集成線性霍爾傳感器搭建成簡(jiǎn)式三維弱磁場(chǎng)測(cè)量探頭來檢測(cè)空間磁場(chǎng)。磁場(chǎng)測(cè)量除了以上的霍爾效應(yīng)法以外還有其他不同的測(cè)量方法。張衛(wèi)東等[6]設(shè)計(jì)研究了光纖瞬態(tài)磁場(chǎng)傳感器，用來檢測(cè)瞬態(tài)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。解偉男等[7]分析研究了基于鈷基非晶材料顯著的巨磁阻抗效應(yīng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種帶有閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)測(cè)量傳感器。

本文采用的磁場(chǎng)測(cè)量方法使用的是由德國(guó)infineon公司推出的3D Magnetic Sensor TLV493D-A1B6。通過自行設(shè)計(jì)針對(duì)該芯片功能的數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)，對(duì)該芯片進(jìn)行了研究。

1 TLV493D-A1B6芯片介紹

該三維傳感器芯片是6引腳芯片，分別是：數(shù)據(jù)信號(hào)線接口（SDA）、時(shí)鐘信號(hào)線接口（SCL）、電源電壓接口（VDD）、3個(gè)接地口（GND）。

（1）SDA和SCL是I2C總線的信號(hào)線；SDA是雙向數(shù)據(jù)線，可以作為輸入口也可以作為輸出口；SCL單向時(shí)鐘線，只能作為輸入口。

（2）/INT口是完成測(cè)量周期信號(hào)的中斷引腳。

（3）電源電壓接口（VDD）的輸入電壓范圍在2.5V～3.5V，為常規(guī)輸入電壓。

（4）ADDR是啟動(dòng)配置傳感器ID引腳。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)源的選擇

選擇環(huán)形磁鋼作為該實(shí)驗(yàn)磁場(chǎng)源，能獲得穩(wěn)定均勻的磁場(chǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由AVR單片機(jī)、DS1302時(shí)鐘電路以及LCD12864顯示屏等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2.1 AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)

AVR單片機(jī)采用Flash ROM程序存儲(chǔ)器，擦寫的次數(shù)大于1萬次，指令長(zhǎng)度單元為16位，具有1KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，512KB的片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；采用CMOS技術(shù)，內(nèi)部分別集成Flash、EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲(chǔ)器，可以使用并行方式進(jìn)行編程，能夠?qū)崿F(xiàn)在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成一條或多條指令，使指令的平均執(zhí)行時(shí)間減少，從而提高CPU的性能和速度。

2.2.2 上位機(jī)USB接口電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)USB接口電路，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)間的直接數(shù)據(jù)通訊，以便于計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)大小等進(jìn)行分析處理。PL2303器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART，只需外接電容就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.2.3 數(shù)據(jù)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)的檢測(cè)電路中采用的是高精度TLV463D-A1B6磁場(chǎng)傳感器，它通過水平霍爾探頭和垂直方向霍爾探頭檢測(cè)出空間磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息通過3D SDA引腳和3D SCL引腳傳遞給單片機(jī)芯片ATMEG16進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份電路為TF卡存儲(chǔ)電路，其中TF卡可根據(jù)測(cè)量需求選擇不同存儲(chǔ)容量（4-32G），負(fù)責(zé)以SPI總線方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)磁場(chǎng)傳感信息的文本文件存儲(chǔ)，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)備份和檢測(cè)后數(shù)據(jù)的讀取。

3 該新型三維磁場(chǎng)傳感器性能研究

本次實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)水平臺(tái)上進(jìn)行，首先測(cè)試該傳感器在室溫下的穩(wěn)定性能，然后測(cè)試其靈敏度。整個(gè)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

3.1 穩(wěn)定性能研究

在室溫的條件下，調(diào)節(jié)好探頭電路板水平，此時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路板上顯示屏的X軸值接近于0。

將該三維磁場(chǎng)傳感器放置在磁鋼的磁場(chǎng)范圍內(nèi)。位置放置準(zhǔn)確后將其固定。在室溫的條件下，每天在相同時(shí)間段連續(xù)記錄顯示屏上的X、Y、Z三軸的數(shù)值，每組數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔隨機(jī)，連續(xù)記錄5天。

分析該三維磁場(chǎng)傳感器在磁鋼強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度下連續(xù)工作的穩(wěn)定性。隨機(jī)抽出一天的數(shù)據(jù)，使用MATLAB軟件對(duì)其數(shù)據(jù)擬合，可得到三軸數(shù)據(jù)擬合曲線，如圖4所示。對(duì)于X軸，max值與min值的差值≤0.4mT，而且數(shù)值的分布大部分穩(wěn)定在0和0.1mT上。Y軸數(shù)據(jù)，max值與min值相差≤0.5mT，而且數(shù)值的分布集中在3.2mT、3.3mT、3.4mT上。Z軸數(shù)據(jù)，max值與min值相差≤0.5mT，而且數(shù)值集中分布在34.7mT、34.8mT和34.9mT上。

以上實(shí)驗(yàn)說明，該三維磁場(chǎng)傳感器在磁鋼的強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作。

3.2 靈敏性能研究

靈敏性能研究，主要是對(duì)該三維磁場(chǎng)傳感器在磁鋼的磁場(chǎng)環(huán)境中，當(dāng)探頭芯片發(fā)生很小的位置變化時(shí)，能否檢測(cè)出位置的微小變化。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6，實(shí)驗(yàn)裝置的組成部件：二維直線導(dǎo)軌（驅(qū)動(dòng)器、24V電源、雙軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、兩相步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器）、磁鋼、磁鋼載體架、三維磁場(chǎng)傳感器及其數(shù)據(jù)采集電路（含顯示屏）。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

在一個(gè)水平平臺(tái)上，三維磁場(chǎng)傳感器放置于與磁鋼軸線垂直的中間位置，與軸線距離合適，然后垂直向上每移動(dòng)2mm的距離，每次移動(dòng)后記錄三維磁場(chǎng)傳感器X、Y、Z方向的值，每次記錄10組數(shù)據(jù)，在這個(gè)方向上共移動(dòng)5次，共移動(dòng)了10mm。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

通過對(duì)縱向位置和橫向位置的改變共得到30組X、Y、Z的三軸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)分析軟件將各組X、Y、Z軸的值分別求平均值，求完平均值后對(duì)X、Y、Z軸分別進(jìn)行合成，這樣就得到了30個(gè)X、Y、Z三軸的合成值，如表1、2所示。

由表1可知，在越接近磁鋼時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，而且在垂直軸線方向上移動(dòng)2mm時(shí)，數(shù)據(jù)變化更加明顯，但是相對(duì)于表1的數(shù)值分別在垂直磁鋼軸線方向上求其變化率，如表2所示，可以看到變化率相差不大，所以該三維磁場(chǎng)傳感器靈敏度高，而且穩(wěn)定性能好。

4 結(jié)束語

通過以上實(shí)驗(yàn)得出：

（1）在室溫條件下，該新型三維磁場(chǎng)傳感器放于磁鋼的磁場(chǎng)強(qiáng)度環(huán)境中，連續(xù)工作時(shí)在X、Y、Z三軸都能保持很好的穩(wěn)定性。

（2）在磁鋼磁場(chǎng)中的合適范圍內(nèi)，縱向移動(dòng)2mm的位置，該三維磁場(chǎng)傳感器都能靈敏檢測(cè)出移動(dòng)后不同位置X、Y、Z三軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

（3）通過對(duì)TLV493D-A1B6三維磁場(chǎng)傳感器的性能研究，該傳感器能夠廣泛應(yīng)用于對(duì)各種磁場(chǎng)源的空間磁場(chǎng)測(cè)量，也可以用來設(shè)計(jì)開發(fā)高性能磁場(chǎng)檢測(cè)儀，有著廣泛的應(yīng)用背景。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘啟軍，馬偉明，趙治華，等.磁場(chǎng)測(cè)量方法的發(fā)展及應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（3）：7-13.

[2]姜智鵬，趙偉，屈凱峰.磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2008，45（4）：1-5.

[3]姚遠(yuǎn).弱磁場(chǎng)的檢測(cè)與應(yīng)用技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)，2002.

[4]柴秀麗，張延宇.巨磁阻抗磁傳感器研究進(jìn)展[Z].

[5]張衛(wèi)東，崔翔.光纖瞬態(tài)磁場(chǎng)傳感器的研究及其應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（1）：88-92.

[6]陸申龍，焦麗鳳.用集成霍爾傳感器研究霍爾效應(yīng)及測(cè)量螺線管磁場(chǎng)分布[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2000，17（2）：27-30.

[7]徐躍.高靈敏度的CMOS霍爾磁場(chǎng)傳感器芯片設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（12）：14-16.