三轴磁传感器性能标定方法研究*

吴志东 周穗华 张晓兵

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

1 引言

在利用三轴磁传感器进行测量之前要对传感器的性能进行标定,包括传感器的灵敏度、分辨率等指标。利用NI公司的16位A/D、DA卡、格拉斯磁环和高精度磁环驱动电路构建了传感器性能标定系统。一方面根据当地地磁场的垂直分量为35uT,测定传感器的灵敏度为3.52V/Gass,另外使用DA卡和磁环,在利用高通滤波、功率谱分析和带同滤波的数据处理方法的基础上得出了传感器的最小分辨率位6nT。实验系统的框图如图1所示,系统的测试结果可以用于对传感器精度要求不高的场合。

图1 标定系统框图

2 三轴磁传感器和格拉斯磁环

三轴磁传感器原理如图2所示,接口如图2(a)所示,三轴磁方向示意图如图2(b)所示。传感器接口主要有电源接口、X轴、Y轴、Z轴磁场电压输出口、SET/RESET接口及电源控制接口。X轴、Y轴、Z轴是传感器的电压值电压输出接口;SET/RESET脚控制传感器的输出信号类型,用于消除因温漂和其他干扰造成对传感器输出的影响;SHUD脚控制传感器的电源的关断,来控制传感器功耗;传感器的供电电压范围是4.5～7.5V。

图2 传感器的接口示意图

为了在低功耗情况下使用三轴磁传感器进行高精度测量,要充分利用SET/RESET功能。图3(a)给出了SET/RESET的时序图,根据图中所示的时序每次SET/RESET后读取传感器输出的信号Vset和Vrst,分别对应的磁场值为Bs和Br,公式(1)给出了磁场的对应关系,Bos是外部磁场值,B0是零点磁场,采集卡采集传感器信号输出的时序如图3(b)所示以说明采集时传感器的工作时序[1]。

D/A卡输出信号通过驱动器驱动格拉斯磁环,可以磁环中间的形成直径80cm,长度1m的柱形均匀磁场区域。依据磁环电流转换为磁场值的计算公式1mA=1mO,1mO=100nT和D/A卡输出信号的强度可以计算出均匀区域感应的磁场强度值[2]。

图3 传感器工作时序图

3 高精度磁环驱动器设计

驱动电路使用两只仪表放大器和两支电阻构造了一个线性度在0.01%的压控恒流源电路,电路结构如图4所示,AD620小功率、低漂移仪表放大器提供电路控制和误差校正,晶体管Q1和Q2构成推挽电路作为功率输出[3]。

图4 磁环驱动器电路

4 三轴磁传感器的灵敏度标定

传感器的灵敏度是单位磁场信号输入的情况下传感器的输出。在假定传感器为线性且三轴灵敏度一致性较好的前提下,进行传感器的灵敏度标定。在没有标准参考源的情况下依据当地磁场的垂直分量为35uT,使用16位A/D采集卡进行信号采集,采用图3所示的方法对三轴磁传感器进行控制采集,将传感器水平放置不断的对传感器重置和复位得到一系列相应的信号值,图5是A/D采集卡采集传感器y轴输出的电压值得到的波形。依据式(1)和1.2计算相应的磁场值。图中的上半波是SET后传感器输出的电压值Vset,下半波是RESET后传感器输出的电压值Vrst,对传感器输出的电压Vset和Vrst求取均值得到和。则传感器的灵敏度1E-6),f是传感器的灵敏度。由Matlab计算得出传感器的灵敏度是3.52V/Gass。

图5 传感器输出信号波形

5 三轴传感器的最小分辨率标定

传感器的最小分辨率就是传感器能够分辨出的最小磁场信号强度。系统连接框图如图1所示,计算机控制D/A卡输出恒定频率和峰值的信号,信号通过驱动器驱动格拉斯磁环,使用A/D采集卡采集三轴磁传感器输出的三分量数据,同时采集卡同步采集磁环两端的电压信号。

图6 信号处理流程图

实验的方法是在磁环两端加入的没有直流分量且频带固定的交流信号,通过改变输入信号的幅度来确定磁场传感器的最小分辨率。采集得到的信号通过信号处理的方法得到传感器的最小分辨率,处理的流程如图6所示。由于磁环两端加入了固定频率的交流信号,可以提取传感器获取对应频率信号的信息与磁环产生磁场值对比来确定传感器的最小分辨率。

整个控制流程闭环控制,不断加大输入信号的幅值来确定传感器的最小分辨率。首先通过一维曲线拟合方法来去除信号的直流分量,matlab中的polyfit和polyval函数可以实现该功能,使用matlab的fdatool工具箱实现高通滤波器和带通滤波器设计,高通滤波器作用是将低频噪声消除便于进一步分析[4～5]。在去除直流成分和高通滤波后对信号进行功率谱分析观察传感器是否获取对应频带的信号,如果没有对应频率信号则增加输入信号的幅度继续分析,如果有进行带通滤波获取对应频率信息,并依据前面计算得到灵敏度将信号换算为磁场值即为传感器的最小分辨率,同时与磁环产生的对应频带的磁场值对比进一步校正传感器的灵敏度。

图7给出了实验测试得到的波形,在输入的信号频率是0.1Hz情况下不同幅值测得的传感器和磁环输出信号,由于格拉斯磁环产生轴向上的磁场,传感器的Y轴与磁环的轴向一致,因此这里只依据传感器的Y轴感应的磁场大小来分析计算传感器的最小分辨率。图7(a)、7(b)和7(c)、7(d)分别给出了传感器的Y轴和磁环磁场信号在时域和频域上的波形,从频谱分析可以知道两者能量最高的频点出现在0.1Hz且磁场强度一致。当继续减小输入信号幅值,频谱分析得到传感器输出信号的频谱如图7(e)所示,与图7(f)磁环的磁场输出信号频谱对比传感器无法识别出该强度的磁场信号,因此计算得到传感器的灵敏度6nT。

图7实验结果

6 结语

利用高精度A/D、D/A卡和磁环驱动器构建完整的三轴磁传感器灵敏度和分辨率标定实验系统,得到了传感器3.52V/Gass的灵敏度和6nT的磁场分辨率。利用滤波、功率谱分析的方法实现了对信号的去噪处理并取得较好效果。该系统有很强的扩展性还可利用光棒作为参考进行更高精度的灵敏度标定,利用格拉斯磁环对传感器的三轴灵敏度的一致性进行标定等。测试系统得到的结果可以用于对磁场测量精度要求不高的场合。

[1]1-and 2-Axis Magnetic Sensor hmc1001-2_1021-2[R].Honeywell

[2]电子设计技术[J].EDN,2009

[3]叶平贤,龚沈光.舰船物理场[M].北京:兵器工业出版社,1992

[4]刘波,文忠.MATLAB信号处理[M].北京:电子工业出版社,2006

[5]飞思科技产品研发中心.MA TLAB7基础与提高[M].北京:电子工业出版社,2007