CN104614689A - 一种基于巨磁阻抗效应的磁场梯度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器，包括稳压模块、升压模块、置位/复位脉冲产生模块、巨磁阻芯片模块、单片机处理模块；本发明新型磁传感器可对弱磁场梯度信息进行测量，梯度信息可用于目标识别和定位；本发明基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器使用技术成熟的集成芯片，测量结果通过单片机可以直接输出，成本低廉、稳定性好、响应迅速、结构简单；本发明针对磁传感器芯片的材料性能，利用电路产生脉冲电流，对巨磁阻芯片进行置位/复位操作，保证芯片工作在高灵敏度的状态下。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于巨磁阻抗效应的磁场梯度传感器，属于磁传感器技术领域。
背景技术
磁传感器在航空航天领域有着及其广泛的应用，如近地空间磁场测量，行星磁场观测，磁性目标定位以及航天器运行的磁导航等。目前能应用到实际中的传感器包括超导量子干涉(SQUID)传感器、霍尔传感器、巨磁阻(giant magneto-resistance，简称GMR)传感器等。SQUID传感器的灵敏度最高，但是成本较高，且需要在低温环境下使用，这些限制条件使其难以在航空方面大规模使用。霍尔传感器的制备工艺较为成熟，但是温度特性较差。基于巨磁阻效应的磁传感器具有精度高、成本低、工艺简单等技术优势，有着广泛的应用前景。
用传感器测量磁场时，地磁噪声或其他环境磁场噪声常常会给测量造成误差。常用消除噪声的方法是给传感器加偏置磁场，抵消干扰，但这种方法对环境要求较高，无法在环境复杂变化的情况下使用。而测量磁场梯度信号可以有效的消除干扰磁场。梯度指场沿某方向的变化率，反映了磁场变化的情况及方向。磁场梯度信息在实际工程中有广泛的应用，如在军用方面，可以实现水下目标探测，飞行器定位、导航等领域应用；在民用方面，配合高精度传感器可以实现医学上的常规体检，病源部位确定，病理分析检验。在地质方面可实现地下矿产的检测与定位，地下电缆及工程的无损检测等。由三轴磁场梯度计所测量的磁场梯度张量信息，可以更好的描述磁场源，在医学磁测量诊断、磁法地质勘探、无损检测以及目标定位等领域有着更加广泛的应用前景。
现有梯度计多为标量梯度计，只能测量某一点的磁场值，无法测量磁场的方向；部分矢量梯度计虽然能够测量磁场某点的方向和大小，但是无法测量出磁场的变化，即梯度值。
发明内容
本发明的目的是为了解决精确测量磁场梯度信息的问题，提出一种基于GMR效应的磁梯度传感器电路，该检测电路结构简单、成本低廉、稳定性好、响应迅速特点，能够实现磁场梯度的快速测量，为磁性目标的探测、定位及识别提供技术基础。本发明单轴的磁场梯度计，能够测量磁场沿着某个方向的变化。并采用巨磁阻芯片，大大提高了测量精度，可以灵敏的获得磁场的变化信息。
一种基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器，包括稳压模块、升压模块、置位/复位脉冲产生模块、巨磁阻芯片模块、单片机处理模块；
所述的稳压模块采用LM294芯片，1号引脚为电源输入，通过电容C8和电容C9连接到电源端VS，电容C8的大小为100uF，正极接电源端VS，负极接地GND，电容C9为0.1uF，和C8并联，一端接电源VS，一端接地GND，3号输出引脚通过电容C10和C11将5V电压VC输出，C10大小为10uF，正极接3号输出，负极接地；C11为0.1uF，与C10并联，一端接3号输出引脚，一端接地GND，2号引脚TAB空置，4号引脚接地；
所述的升压模块采用MAX662芯片，1号和2号引脚分别接入电容C7的正负端，C7为0.22uF，3号引脚和4号引脚分别接入电容C2，C2为0.22uF，7号引脚和8号引脚接地；5号引脚通过2uF的保护电容C6连接5V电压输入，C6的负极接入地端，6号引脚输出20V电压，电阻R1和电阻R2，R1和R2为二极管，型号为1N5819，两者串联，正极与6号输出引脚相连，负极输出20V电压，电容C4和电容C5大小都为1uF，一端接入6号输出引脚，一端接地；
所述的置位/复位脉冲产生模块3采用BTS7970芯片，单片机处理模块产生脉冲信号，脉冲信号通过2.2K的电阻R5接入BTS7970的2号引脚，1号引脚接地，20V电压直接接入7号引脚，5号引脚为转换速率设定，通过电阻R7设定转化速率，电阻R7为2.2K，一端与5号引脚相连，一端接地；6号引脚通过电阻R8和电容C12对电流进行诊断，R8为1K，电容C12为0.01uF，两者并联接入6号引脚，负极都接入地GND；4号和8号引脚输出电流，通过0.47uF的电容C13进行积分，转化成脉冲电流，为芯片提供电流，稳压芯片LM2940的5V输出通过2.2K的电阻R6接入3号引脚，R6的一端接5V的Vcc，另一端接3号引脚；4号引脚空置；
所述的巨磁阻芯片模块为两个，两个巨磁阻芯片模块均采用HMC1001芯片，分别设为1号HMC1001芯片和2号HMC1001芯片，稳压模块1中LM2940稳压芯片所产生的5V电压为两个HMC1001芯片的电桥提供参考电压，分别施加到两个HMC1001芯片的7引脚，两个HMC1001芯片的4号引脚均接地；脉冲信号通过电容C13积分的置位/复位脉冲电流先流入1号HMC1001芯片的1号引脚，为信号的正极，3号引脚是负极，将置位/复位脉冲电流输出后，接入2号HMC1001芯片的1号引脚，而2号HMC1001芯片的负极3号引脚接地；1号HMC1001芯片和2号HMC1001芯片的5号和8号引脚都是信号输出端，5号为输出信号正极，8号为负极；1号HMC1001芯片的信号输出5、8引脚单片机的A4、A5端口，2号芯片的信号输出5、8引脚单片机的A6、A7端口，2号引脚和6号引脚空置；把置位/复位信号输入至将1号HMC1001芯片的S/R+端，即1号引脚，并将其3号引脚的S/R-端与2号HMC1001芯片的1号引脚S/R+端相连接，最后将2号HMC1001芯片的3号引脚S/R-端与地线相连；两个HMC1001芯片的OUT+和OUT-连接至单片机的ad转换端口，完成数据的读取；
所述的单片机处理模块负责提供置位/复位脉冲产生模块所需的PWM波形及置位/复位脉冲产生模块输出信号的采集。
本发明的优点在于：
(1)本发明新型磁传感器可对弱磁场梯度信息进行测量，梯度信息可用于目标识别和定位；
(2)本发明基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器使用技术成熟的集成芯片，测量结果通过单片机可以直接输出，成本低廉、稳定性好、响应迅速、结构简单；
(3)本发明针对磁传感器芯片的材料性能，利用电路产生脉冲电流，对巨磁阻芯片进行置位/复位操作，保证芯片工作在高灵敏度的状态下。
附图说明
图1是基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器的电路图；
图2是基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器的电路原理框图；
图3是稳压模块电路原理图；
图4是升压模块电路原理图；
图5是脉冲产生电路原理图；
图6是基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器的实物样机图；
图7是用实物样机测量磁场梯度的输出波形图。
图中：
1-稳压模块 2-升压模块 3-置位/复位脉冲产生模块
4-巨磁阻芯片模块 5-单片机处理模块
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器，如图1、图2所示，包括稳压模块1、升压模块2、置位/复位脉冲产生模块3、巨磁阻芯片模块4、单片机处理模块5。
稳压模块1如图3所示，稳压模块1用于将电源进行稳压，能够保障单片机处理模块5持续不间断地采集磁场信息，保障巨磁阻芯片模块4的稳定和高精度，消除电源噪声对测量造成的干扰，采用串联型线性稳压电源LM2940作为稳压模块1的芯片，将电源稳压至5V。LM2940的1号引脚为电源输入，通过电容C8和电容C9连接到电源端VS，其中，电容C8的大小为100uF，正极接电源端VS，负极接地GND；电容C9为0.1uF，和C8并联，一端接电源VS，一端接地GND，3号输出引脚通过电容C10和C11将5V电压VC输出，其中C10大小为10uF，正极接3号输出，负极接地；C11为0.1uF，与C10并联，一端接3号输出引脚，一端接地GND。2号引脚TAB空置，4号引脚接地。
升压模块2如图4所示，升压模块2采用MAX662芯片，稳压模块1输出的5V电压Vcc经过MAX662芯片升压至18V-20V。MAX662芯片的1号和2号引脚分别接入电容C7的正负端，C7大小为0.22uF，3号引脚和4号引脚分别接入电容C2，大小也是0.22uF。7号引脚和8号引脚接地。5号引脚通过2uF的保护电容C6连接5V电压输入，C6的负极接入地端，6号引脚输出20V电压，电阻R1和电阻R2，R1和R2为二极管，型号为1N5819，起到保护的作用，两者串联，正极与6号输出引脚相连，负极输出20V电压。电容C4和电容C5起到分压保护及滤波的作用，电容C4和电容C5大小都为1uF，一端接入6号输出引脚，一端接地。
置位/复位脉冲产生模块3如图5所示，置位/复位脉冲产生模块3采用BTS7970芯片，巨磁阻芯片模块4的HMC1001芯片工作时需要脉冲激励，因此采用BTS7970电机驱动芯片将20V电压进行转化。脉冲信号的频率由单片机处理模块5产生，通过2.2K的电阻R5接入BTS7970的2号引脚，R5一端接信号，一端接入BTS7970的2号引脚。1号引脚接地，20V电压直接接入7号引脚，5号引脚为转换速率设定，通过电阻R7设定转化速率，电阻R7大小2.2K，一端与5号引脚相连，一端接地。6号引脚通过电阻R8和电容C12对电流进行诊断，R8大小1K，电容C12大小0.01uF。两者并联接入6号引脚，负极都接入地GND。4号和8号引脚输出电流，通过0.47uF的电容C13进行积分，转化成脉冲电流，为芯片提供电流。该芯片的供电电压为5V，可以用上述稳压芯片LM2940的5V输出通过2.2K的电阻R6接入3号引脚，R6的一端接5V的Vcc，另一端接3号引脚。4号引脚空置，什么都不接。
为了测量梯度，需要设置两个巨磁阻芯片模块4，两个巨磁阻芯片模块4均采用HMC1001，分别设为1号和2号芯片，1号和2号两个HMC1001芯片的设置大体相同。稳压模块1中LM2940稳压芯片所产生的5V电压为两个HMC1001芯片的电桥提供参考电压，分别施加到两个HMC1001芯片的7引脚，两个HMC1001芯片的4号引脚均接地。脉冲信号通过电容C13积分的置位/复位脉冲电流先流入1号芯片的1号引脚，这是信号的正极，3号引脚是负极，将置位/复位脉冲电流输出后，接入2号芯片的1号引脚，而2号芯片的负极3号引脚接地即可。这样，置位/复位脉冲电流就会先流入1号芯片，在流经2号芯片。1号芯片和2号芯片的5号和8号引脚都是信号输出端，5号为输出信号正极，8号为负极。为了采集数据，1号芯片的信号输出5,8引脚单片机的A4，A5端口，2号芯片的信号输出5,8引脚单片机的A6，A7端口，2号引脚和6号引脚空置。为了保证两个传感器的精度保持一致，需要对两个传感器施加同一个置位/复位脉冲电流，故在搭建实物样机时，将两个传感器的置位/复位端串联起来，使信号一致。即把置位/复位信号输入至将第一个HMC1001芯片的S/R+端，即1号引脚，并将其3号引脚的S/R-端与第二个HMC1001芯片的1号引脚S/R+端相连接，最后将第二个HMC1001芯片的3号引脚S/R-端与地线相连。对于总体而言，相当于将两个芯片串联起来，合成阻值最大为3.6Ω的等效电阻，来作为微分电路的一部分应用到电路中。将两个HMC1001芯片的OUT+和OUT-连接至单片机的ad转换端口，完成数据的读取。
单片机处理模块5负责提供置位/复位脉冲产生模块3所需的PWM波形及置位/复位脉冲产生模块3输出信号的采集。采用Arduino nano开发板。它是基于ATmega328的单片机最小系统。外部5V电压通过30号引脚对Arduino nano开发板供电。两个巨磁阻芯片的正负输出分别接回单片机的A4、A5、A6、A7端口。
实物图如图6所示，左侧为1号和2号的HMC1001芯片部分，右侧是其他部分，本发明的核心芯片基于巨磁阻效应的霍尔芯片HMC1001，采用两个HMC1001芯片，令芯片对磁场的敏感轴处在一条直线上，测量磁场梯度，通过稳压和升压部分将电源从5V提高到20V，并转化成脉冲信号为传感器提供激励。输出信号用单片机处理，采用本发明传感器测量得出磁场梯度的B-V曲线，磁传感器灵敏度为12.64mv/Gs。
在使用时，只需要将1号芯片和2号芯片并列摆放，提供电源，用上位机采集单片机的输出数据，即A4,A5,A6,A7四个数据。其中，A4和A5是1号芯片的输出电压，A6和A7是2号芯片的输出电压，将两个电压相减做差，就是电压梯度，通过查询HMC1001芯片手册，就能获得电压梯度对应的磁场梯度值。
Claims (1)
1.一种基于巨磁阻效应的磁场梯度传感器，包括稳压模块、升压模块、置位/复位脉冲产生模块、巨磁阻芯片模块、单片机处理模块；
所述的稳压模块采用LM294芯片，1号引脚为电源输入，通过电容C8和电容C9连接到电源端VS，电容C8的大小为100uF，正极接电源端VS，负极接地GND，电容C9为0.1uF，和C8并联，一端接电源VS，一端接地GND，3号输出引脚通过电容C10和C11将5V电压VC输出，C10大小为10uF，正极接3号输出，负极接地；C11为0.1uF，与C10并联，一端接3号输出引脚，一端接地GND，2号引脚TAB空置，4号引脚接地；
所述的升压模块采用MAX662芯片，1号和2号引脚分别接入电容C7的正负端，C7为0.22uF，3号引脚和4号引脚分别接入电容C2，C2为0.22uF，7号引脚和8号引脚接地；5号引脚通过2uF的保护电容C6连接5V电压输入，C6的负极接入地端，6号引脚输出20V电压，电阻R1和电阻R2，R1和R2为二极管，型号为1N5819，两者串联，正极与6号输出引脚相连，负极输出20V电压，电容C4和电容C5大小都为1uF，一端接入6号输出引脚，一端接地；
所述的置位/复位脉冲产生模块3采用BTS7970芯片，单片机处理模块产生脉冲信号，脉冲信号通过2.2K的电阻R5接入BTS7970的2号引脚，1号引脚接地，20V电压直接接入7号引脚，5号引脚为转换速率设定，通过电阻R7设定转化速率，电阻R7为2.2K，一端与5号引脚相连，一端接地；6号引脚通过电阻R8和电容C12对电流进行诊断，R8为1K，电容C12为0.01uF，两者并联接入6号引脚，负极都接入地GND；4号和8号引脚输出电流，通过0.47uF的电容C13进行积分，转化成脉冲电流，为芯片提供电流，稳压芯片LM2940的5V输出通过2.2K的电阻R6接入3号引脚，R6的一端接5V的Vcc，另一端接3号引脚；4号引脚空置；
所述的巨磁阻芯片模块为两个，两个巨磁阻芯片模块均采用HMC1001芯片，分别设为1号HMC1001芯片和2号HMC1001芯片，稳压模块1中LM2940稳压芯片所产生的5V电压为两个HMC1001芯片的电桥提供参考电压，分别施加到两个HMC1001芯片的7引脚，两个HMC1001芯片的4号引脚均接地；脉冲信号通过电容C13积分的置位/复位脉冲电流先流入1号HMC1001芯片的1号引脚，为信号的正极，3号引脚是负极，将置位/复位脉冲电流输出后，接入2号HMC1001芯片的1号引脚，而2号HMC1001芯片的负极3号引脚接地；1号HMC1001芯片和2号HMC1001芯片的5号和8号引脚都是信号输出端，5号为输出信号正极，8号为负极；1号HMC1001芯片的信号输出5、8引脚单片机的A4、A5端口，2号芯片的信号输出5、8引脚单片机的A6、A7端口，2号引脚和6号引脚空置；把置位/复位信号输入至将1号HMC1001芯片的S/R+端，即1号引脚，并将其3号引脚的S/R-端与2号HMC1001芯片的1号引脚S/R+端相连接，最后将2号HMC1001芯片的3号引脚S/R-端与地线相连；两个HMC1001芯片的OUT+和OUT-连接至单片机的ad转换端口，完成数据的读取；
所述的单片机处理模块负责提供置位/复位脉冲产生模块所需的PWM波形及置位/复位脉冲产生模块输出信号的采集。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150513 |