磁阻传感器关于弱磁信号采集系统设计方法
点击数：7685 次 录入时间：03-04 11:57:07 整理：http://www.55dianzi.com 电工基础
磁阻传感器是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)的敏感元件。这些磁性物体除永磁体外，还包括顺磁材料，也可感知通电线圈或导线周围的磁场。本文选用霍尼韦尔磁阻传感器HMC1002，它是二维磁阻微电路，是小型集成电路封装(SOIC)的双磁场传感器。2只传感器的敏感方向互相垂直。传感器A感应与外封装长边方向平行的磁场，传感器B感应与外封装长边方向垂直且与表面平行的磁场。HMCl002对于±2 Gs(1Gs=10-4T)范围内的磁场很敏感，具有灵敏度为3.2 mV／V／Gs的线性输出，分辨力为27μGs。 阻效应原理和传感器工作原理 a.磁阻效应原理 物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应有普通与各向异性磁电阻效应之分。各向异性磁电阻效应指：当外加磁场偏离强磁性金属(铁、钻、镍及其合金)内部的磁化方向时，金属的电阻减小，而平行时基木上没有变化，玻莫合金薄膜的电阻率ρ依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角，即 玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁场下电阻变化量比较大，因此，适合于弱磁场条件下使用。 b.传感器工作原理 整个传感器最关键的部分是其中的惠斯通电桥。当外加磁场后，电桥的电阻变化，如图1所示，引起传感器输出电压Uout变化Uout=(△R／R)Ub，式中 Ub为传感器工作电压。 置位和复位电流带用来修正传感器灵敏度。在外场超过10×10-4T的磁场会打乱传感器内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，降低灵敏度。利用置位和复位电流带上施加脉冲，使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度。 采集系统设计 整个数据采集系统包括三大部分：置位／复位部分、信号调理部分和采集部分，前端调理电路主要功能是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤波、差分输出，经屏蔽线传输至数据采集部分，数据采集部分完成数据采集并存储，置位／复位部分避免了磁阻传感器受到环境中强大磁场的干扰而导致的输出衰变，保证了数据输出的正确和稳定。 a.置位／复位电路 当磁阻传感器暴露于干扰磁场中时，传感器元件会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。环境中的强磁场(大于5 ×10-4T时)会导致磁传感器输出信号变异，为了消除这种影响并使输出信号达到最佳，就需要应用磁开关技术(SR+／SR-)来抵消剩余磁场，而HMC1002是借助一个偏置磁场以补偿干扰磁场，即通过集成在芯片内部的置位／复位合金带对薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脉冲电流就可以重新将磁区域对准，统一到一个方向上，这样，可确保高灵敏度和可重复的读数。 本系统采用的置位／复位电路，其产生的强电流脉冲为11.2A(>4A)满足了系统的要求，从而可实现低噪声和高灵敏度的磁场测量。 b.信号处理电路 前端信号处理电路由仪表放大器、四阶巴特沃思低通滤波器等部分构成，其基本框图如图2所示。 数据采集系统中，若待测信号为微小信号时，使后续得到的电压信号也很小，幅值不定，为了使信号的幅值适中，需将信号放大。通用运算放大器不能直接放大微弱信号，必须用仪表放大器，仪表放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。 本系统采用美国ADI公司的集成仪表放大器AD623，AD623具有优良的CMRR(它随增益增加而增加)，使误差最小，电源线噪声及其谐波都受到抑制，高精度直交流性能和通过一只外接电阻使增益方便地在1～1000范围内变化等优点，在检测微弱信号的系统中广泛作为前置放大器。本系统采用两级放大，第一级放大10倍，第二级放大100多倍，共放大1000多倍。[1] [2] 下一页
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