基于HMC1022的磁场检测装置设计与研究

冯春鹏， 袁俊杰， 赵　飞

(北方工业大学 机械与材料工程学院， 北京　100144)



基于HMC1022的磁场检测装置设计与研究

冯春鹏， 袁俊杰， 赵飞

(北方工业大学 机械与材料工程学院， 北京100144)

摘要：根据近几年来针对电磁测试空间性发展的研究，提出一种基于磁阻传感器探头测量动态磁场强度的方法，设计采用单片机的智能化控制磁场测量装置.该装置采用磁阻传感器探头测试二维平面内任何方向的磁场强度，通过单片机控制数据的采集与处理并由LED实时显示磁场的测量值.上位机采用LabVIEW开发软件作为平台，进一步处理和显示数据.对测试结果进行数据分析，初步表明该测磁装置的设计是实际可行的，为后期的磁场测量研究打下基础.

关键词：磁阻传感器；测试装置；单片机控制；智能化

0引言

磁场测量技术是研究磁场的重要手段之一，在地球物理学、空间科学、生物医学、军事技术及工业探伤等领域被广泛应用.近几年以来，高速发展的科学技术以及半导体工艺的飞速进步，极大地促使电磁测量的研究转向于动态灵活的磁场测量[1].普通的测量仪如特斯拉计、高斯计等已经难以满足工业生产中对于动态磁场的自动检测和控制的使用要求.为此，本研究设计了一种基于磁阻传感器的数字化智能动态磁场测量装置，其不仅能够对磁场强度进行实时检测，而且通过单片机将数据存储处理传送给上位机进行进一步处理与显示.

1测量装置原理及设计

1.1磁阻传感器

测试装置选用高精度的磁阻传感器作为测试探头.磁阻传感器根据磁性材料的磁阻效应采用微加工工艺制作而成，其内部电阻大小与通入电流的大小、磁场强度的强弱、电流方向以及磁化方向的夹角有关.根据电场和磁场的耦合原理，当在磁阻传感器中铁磁合金薄带的长度方向施加一个电流时，如果在垂直于电流的方向再施加磁场,铁磁性材料中就有磁阻的非均质现象出现，从而引起合金带自身的阻值变化，即为磁阻传感器测量机理[2-3].其工作原理图如图1所示.

图1磁阻传感器的工作原理

本研究设计的磁场检测装置选用霍尼韦尔公司生产的HMC系列中的双轴磁阻传感器HMC1022，该芯片能够同时检测出2个方向上的磁场强度.其核心是内置的2个由4个1 kΩ的电阻臂组成的惠斯通电桥，只需将供电电压(0～10 V)接到桥路总线上.芯片具有2个敏感轴(X轴和Y轴)，传感器将磁场转换成差分电压输出2个测量轴的信号电压值.HMC1022芯片能够感知磁场强度超过30 μ高斯的磁场，具有灵敏度高、响应时间短、芯片体积小、抗电磁干扰性好、功耗低和易于安装等优点，有较宽的线性范围，在弱磁场测量方面更具有优势[4].

1.2测试装置结构设计

测试装置主体由2个部分组成：磁场检测探头和可移动小车.由磁阻效应原理制作的磁场探头芯片HMC1022设计在“L”型印刷电路板的顶端，用于检测位于同一平面上的磁场强度的大小.“L”型电路板另一端是后级处理电路，用于放置信号采集与放大电路及模数转换芯片等. 可移动小车由轮毂和2片亚克力玻璃板加工制作而成，将车轮轮轴通过联轴器与数字编码器连接.数字编码器能够随着小车的移动输出磁场探头的位置信息，磁阻传感器输出磁场强度的大小，通过单片机处理然后在LED屏幕上显示出对应位移的电压和磁感应强度.

2硬件设计

2.1信号放大电路的设计

HMC1022磁阻传感器信号为差动输出，为提高共模抑制比，采用高精度放大芯片对传感器输出的信号进行放大.放大电路设计中选用APM04芯片，AMP04是一款单电源仪表放大器，工作电源电压范围为±5～±15 V.该芯片能够实现高精度、低功耗、宽输入电压范围和出色增益性能等的完美组合.采用与其它模块相等+5 V电压，整体测量系统采用单电源供电[4-5].本装置采用MAX662A电压转换电路，将5 V的电压变换为12 V，为IRF7105的工作提供电源.MAX662A是电荷泵电压反转器，只需4.5～5.5 V的输入电压就可得到12 V的输出电压，而且无需感应器就可以保证输出端有30 mA的电流传送.

2.2A/D转换电路

为了保证测量装置在强干扰环境下的实时性和信号的同步性以及高精度测量，A/D转换芯片采用TI公司生产的TLC2543芯片.TLC2543芯片是12位串行高精度A/D转换器，包括11个模拟输入通道，3路内置自测方式，内置转换结束(EOC)输出，可编程的MSB或LSB前导，具有单、双极性输出.芯片采用串行输入结构，能够节省单片机I/O资源，而且价格适中、分辨率较高，可以满足实验测量要求.

2.3单片机外围电路设计

磁场测试装置的外围电路主要包括复位按钮、LCD显示屏和时钟芯片等.传感器在弱磁场环境测量时容易受到干扰，复位按钮是在磁阻电桥上应用磁开关切换技术，将传感器恢复到高灵敏度状态.HMC1022芯片内部实现复位功能的部件实际上是一组铁磁性电阻，传感器的磁畴全部沿着敏感方向有序排布，使得它回复到一个最初始的状态，在这个状态下感知磁场可以获得灵敏度最高和最准确的输出信号,复位由单片机的I/O引脚进行控制.

显示屏采用ACM12864JHZ图形点阵式液晶显示器，将显示器驱动器直接连在系统总线上，由单片机控制对显示屏进行读写等一系列操作，显示屏主要显示二维矢量值的正负峰值[6].当单片机每次处理完数据之后，将从时钟芯片中读取保存在存储卡中的数据，以便于将数据转移到上位机中进一步作分析处理.

2.4通信接口设计

选择传统的USB转串口通信作为单片机与上位机连接接口.综合考虑其开发周期长短、难易程度以及成本高低的问题，本测试装置采用CH375芯片作为通信处理的接口芯片[7]，具有价格便宜、可靠性高、接口方便等优点，大大减少了开发周期，并降低了难易程度.

3软件设计

3.1下位机软件设计

测试装置下位机由单片机控制，主要负责对信号的采集与放大、AD转换、数据的处理显示以及传输通信等.考虑到测试内容流程以及时序性等因素，软件设计中采用传统中断方式，对于时间比较敏感的程序放在中断子程序中进行处理，由优先级判断子程序的执行.其中，AD转换部分采用DMA方式工作，用数据总线将转换之后的数据直接连接到存储器上，单片机负责传输数据到存储器中，提高系统数据处理与传输的速度.信号采集流程图如图2所示.

图2信号采集流程示意图

3.2上位机软件设计

上位机显示界面设计采用的是美国国家仪器(NI)公司研制开发的LabVIEW软件.该软件使用图形化编程语言G编写程序，其与C语言完美的融合功能使编程大大简化，在计算机显示屏上就可以轻松显示不同仪器仪表功能[8].软件实现的功能是对单片机采集与传输的数据进行处理和分析，将检测到的磁场装置的强弱分布点显示在界面上.上位机功能实现如图3所示.

4测磁装置实验过程及结果

4.1测试过程

对实验装置进行初步的实验测定，选取普通被

图3上位机实现功能示意图

磁化的长方体碳素钢作为磁场测试环境.被选用的碳素钢长度为200mm.该磁场环境较稳定，适合初步设计的磁场测量装置，而且磁化程度较弱的磁场也不会对电源本身或者测试装置周围的设备造成干扰，方便测量.

将磁场测量装置探头与小车车身调整位置，使探头距离长条形磁化碳素钢上方20 mm处，放置好测量装置小车，按下单片机上的复位按钮此时测量进入初始化状态.实验人员移动小车，使其相对碳素钢的横向位移改变，数字编码器开始计数并记录小车位置信息，磁阻传感器探头检测到所处位置的磁场信号，并传输给单片机进行处理.显示屏上测试点及上位机波形图的显示，可以得到被磁化碳素钢的周围磁场强度的大致分布.测试装置实物图如图4所示.

图4　测试装置实物示意图

4.2测试结果

利用实验室设计的磁场测量装置测量被磁化碳素钢周围的磁场强度的大小.表1所示为实验中测试装置磁阻传感器上X轴和Y轴输出的电压值的数据，与磁场强度值之间的转换.

图5为X轴和Y轴上在不同位置磁场强度值的折线图.

从图5中可以初步得出，由于X轴长度方向上磁场强度的叠加效应，使得X轴方向上磁场强度明显大于Y轴上的磁场强度.2个方向的磁场强度数值有一定的波动，在被测量的永磁体的两极位置上磁感应强度值变化较大.由图数据可以得出该实验装置实验误差稳定在50mG左右，性能基本稳定，可靠度较高.

表1　磁阻传感器X轴和Y轴输出电压值及对应磁场大小

图5X轴和Y轴上不同位置磁场强度值的折线图

5结论

本研究所设计的数字式磁场测量装置中，随着数字编码器显示的位移变化，磁阻传感器探头实时测量X轴和Y轴2个方向上的磁场强度，利用单片机控制电压信号的输入输出，由LED显示屏直接显示出测量值及磁场强度的变化情况，并通过上位机软件设计处理数据，更清晰显示出所测量磁场强度随着编码器所测量位移的变化量.实验初步表明，本研究制作的数字式磁场测量装置是基本可用的，为以后磁场测量的研究提供了参考基础.进一步的研究可以增加传感器探头数量，组成三维动态磁场强度测量系统，在磁场测量中将会有更好的发展前景.

参考文献：

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[3]郭舒生.霍尔传感器的研究及其电路设计[D].合肥:合肥工业大学，2006.

[4]王臣，杨文英，翟国富，等.小型永磁体空间三维磁场测量系统的研究[J].低压电器，2009，48(9)：28-31.

[5]陈棣湘，潘孟春.三维磁敏传感的设计与误差分析[J].传感器技术学报，2006,19(3)：662-664.

[6]王青狮，邱选兵.基于USB接口的磁场分布测量系统研究[J].中北大学学报，2007,28(2)：162-165.

[7]王丽颖，支炜，孙红霞，等．基于HMC1022磁阻传感器的数字电子罗盘的设计与实现[J]．电子测量技术，2009，33(1):108-111．

[8]Bartsch W,Rupp G,Schelter W.PhotolithographicstructuringofgiantmagnetoresistivveCo-Cumultilayers[J].Sens Actuat A Phys,1995，46(1-3)：302-306.

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

文章编号：1004-5422(2016)02-0161-04

收稿日期：2016-03-22.

作者简介：冯春鹏(1992 — )， 男， 硕士研究生， 从事电磁场测控技术研究.

中图分类号：TM937.1；O441.5

文献标志码：A