CN109932669B - 一种数字补偿式amr磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

一种数字补偿式AMR磁场测量装置，包括磁场传感器，所述磁场传感器连接ADC芯片，所述ADC芯片用于对磁场传感器输出的电压信号进行模数转换；所述ADC芯片连接微处理模块，ADC芯片模数转换后所得的数字信号由微处理模块进行解调并进行积分处理；所述微处理模块的串口引脚与RS‑232串口模块相连。所述微处理模块与磁场传感器相连，微处理模块产生的PWM波对磁场传感器进行置位/复位；所述微处理模块与PWM/I转换电路相连，所述PWM/I转换电路与全桥驱动模块相连，所述全桥驱动模块经隔直电容隔直后与反馈线圈相连。本发明一种数字补偿式AMR磁场测量装置，该磁场测量装置具备稳定性好、生产成本低、量程大、噪声性能好、功耗低的优点。

Description

一种数字补偿式AMR磁场测量装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种数字补偿式AMR磁场测量装置。

背景技术

地磁场是一种存在于地球表面的微弱的矢量场，它在空间、海洋、地质勘探领以及生物医学研究领域有着广泛应用。对于磁场测量而言，高性能的磁场测量装置是进行磁场测量的主要工具，它由磁场传感器为敏感元件并结合相应的信号调理电路制成。因此选择合适的磁场传感器，并利用信号调理电路对其进行优化，是实现高精度磁场测量的重要保障。

目前，常用的微弱磁场传感器有各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器、隧道磁电阻(TMR)传感器、巨磁阻(GMI)抗传感器和磁通门传感器等。它们按结构可以分为开环和闭环两种，开环的磁场传感器结构简单，工作时传感器中的磁芯工作在磁滞回线上，然而磁滞回线的特性决定了开环的磁场传感器灵敏度、线性度不高；且存在磁滞现象，而且由于磁芯自身温度系数较大，所以传感器还存在较大温度漂移。相比较而言，闭环结构的磁场传感器更具优势，它们采用了闭环电流反馈结构，通过在反馈线圈上施加一个电流，可在线圈中产生与待测磁场方向相反的磁场以抵消待测外磁场，从而使传感器中的磁芯工作在零场，传感器的灵敏度和线性度达到最优。在众多微弱磁场传感器中，AMR传感器是比较常用一种，它有着体积小、功耗低、价格便宜、可靠性高等优点，并且根据不同的测量需求，它可以在开环和闭环两种用法间自由选择。

基于AMR传感器的磁场测量装置有很多，它们的主要结构是比例积分式的，而其中较多的是模拟积分式的，如中国专利号为CN：107544039A和CN：102621505A的现有专利，都采用了模拟积分电路，然而在实际使用过程中，采用模拟积分结构的AMR磁场测量装置存在以下问题：

一是存在时漂，由于置位/复位电路中往往存在置位/复位脉冲过冲的现象，而在置位/复位脉冲对AMR传感器进行置位/复位时，该过冲会被引入到AMR传感器的输出信号中，因此会导致传感器输出信号中存在尖波脉冲干扰，并且该尖波脉冲的峰值会随着电路参数的变化随机波动，所以使用模拟积分电路对传感器输出信号进行积分后所得的电压信号会存在明显的漂移，且随着时间的变化，该漂移量会逐渐变大。

二是噪声，在工程运用中，置位/复位脉冲过冲是不可避免的，因此当该过冲被引入传感器输出信号中后，输出信号中会存在很大的脉冲噪声干扰，该脉冲噪声会与电压信号一起被积分，对传感器本身的输出信号造成影响。

三是制造成本，由于模拟积分电路采用了大量集成电路，因此与数字积分相比，其生产成本也更高，不利于大批量生产。除此以外，现有的闭环式AMR磁场测量装置大多以传感器内部的偏置电流带为反馈元件，虽然在使用时更加简便，但是在多轴型的磁场测量装置中，磁场测量装置的三个敏感轴间存在着交叉轴影响，导致磁场测量精度有所降低，而使用偏置电流带只能起到补偿外部待测磁场的效果而无法对交叉轴影响进行抑制，并且由于AMR传感器自带的偏置电流带线圈常数较小，因此整个磁场测量装置的功耗也会很大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种数字补偿式AMR磁场测量装置，该磁场测量装置具备稳定性好、生产成本低、量程大、噪声性能好、功耗低的优点。

本发明采取的技术方案为：

一种数字补偿式AMR磁场测量装置，包括磁场传感器、ADC芯片、微处理模块、RS-232串口模块、低通滤波器、PWM/I转换电路、反馈线圈、全桥驱动芯片、隔直电容。

所述磁场传感器连接ADC芯片，所述ADC芯片用于对磁场传感器输出的电压信号进行模数转换；

所述ADC芯片连接微处理模块，ADC芯片模数转换后所得的数字信号由微处理模块进行解调并进行积分处理；

所述微处理模块的串口引脚与RS-232串口模块相连，数字信号经过滤波后由RS-232串口模块实现数字输出；

所述微处理模块与磁场传感器相连；

所述微处理模块与PWM/I转换电路相连，所述PWM/I转换电路与反馈线圈相连。

所述磁场传感器采用HMC1001磁场传感器，微处理模块的一个PWM引脚与全桥驱动模块的输入端相连，所述全桥驱动模块经隔直电容后与HMC1001磁场传感器自带的R/S电流带相连,构成置位/复位电路，所述R/S电流带为HMC1001磁场传感器芯片内部集成的电流带。置位/复位脉冲由微处理模块所产生的PWM波进行控制，当R/S线圈受到电流脉冲时,R/S线圈中会产生一个强磁场。

所述ADC芯片自带可编程增益放大器，磁场传感器输出的电压信号经可编程增益放大器放大后由ADC芯片进行模数转换。

所述PWM/I转换电路由全桥芯片、电阻R1、电阻R2和电容C_P组成；所述全桥芯片与微处理模块相连，所述全桥芯片的两端桥臂分别与电阻R1的一个引脚、电阻R2的一个引脚相连，所述阻R1的另一个引脚、电阻R2的另一个引脚分别与电容C_p的两端相连，所述电容C_p的两端与反馈线圈相连。

所述反馈线圈为三维亥姆霍兹线圈结构，该结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈分别与三个磁场传感器相对应。

一种数字补偿式AMR磁场测量装置，

微处理模块对经过AD转换后输入的数字信号进行处理时，包括以下步骤：

首先由于磁场传感器输出存在零点漂移，其输出信号并不关于零点对称，因此先通过计算对信号进行校准，计算过程如下：

其中，u为A/D转换芯片中输入的电压信号；u₁和u₂分别为电压u的正负电压值；U为经过处理后的电压信号值。

经过计算后的电压信号正负半波关于零点对称。

然后对该信号进行翻转，使其由交流信号转变为直流信号，最后对翻转后的信号进行积分。

但是磁场传感器输出信号中存在着尖波脉冲干扰，在一个时钟周期T内，上下尖波脉冲等效面积分别为U₁Δt₁和U₂Δt₂，并且该尖波脉冲的峰值会随着电路参数的变化随机波动，所以U₁Δt₁和U₂Δt₂不可能完全相等，所以无法通过计算把它完全消除。

因此，在进行数字积分处理时，先避开信号中的尖波脉冲部分，只对平滑的信号进行积分，公式如下：

其中，U为信号出电压值，t_i+1-t_i表示某一段平滑信号波形所经历的时间间隔，i表示变量，n-1表示变量i的上限。

由此可见数字积分能够避开信号中的偏移量和尖波脉冲的影响，从而有效避免模拟积分中存在的时漂和噪声问题。

本发明提出的一种数字补偿式AMR磁场测量装置，其技术效果如下：

1、稳定性好：本发明使用数字积分不仅有效避免了模拟积分中存在的时漂和噪声问题，并且通过高度集成的微控制器对信号进行调理能有效抵抗材料本身干扰和环境干扰，在一定程度上提高了数字信号处理环节的准确性。

2、生产成本低：目前大多数磁强计在设计闭环结构时均采用模拟反馈的方法，该方法主要运用各种集成电路对信号进行调理，然而模拟器件生产成本很大，不适合大批量使用。而本发明提出的一种数字补偿式AMR磁场测量装置采用STM32微控制器取代集成电路，与集成电路相比，通过软件对信号处理能大大降低成本。

3、量程大：在常用的V/I转换电路中，电压转换为电流是根据欧姆定律完成的，该电路使用一个稳定的串联电阻作为反馈电阻，其阻值比反馈线圈的内阻大得多，因此在选取反馈电阻时，其阻值必须远大于反馈线圈的内阻，但是，当微控制器输出的数字积分电压转换为模拟电压时需采用DAC芯片进行转换，所以反馈电路中最大反馈电流为DAC中输出电压除以反馈电阻阻值，可见DAC的最大满量程输出限制了反馈电路中反馈电流的大小，这就限制了磁场测量装置的满量程输出范围。而本发明使用PWM/I转换电路来代替常用的V/I转换电路，通过双极性PWM完成DA转换，与使用DAC芯片来完成DA转换相比，它具有更好的线性度和更简单的结构，且不再受DAC输出范围的影响，补偿磁场范围得到提升。

4、噪声性能好：本发明在AD转换后采用软件完成AMR传感器输出信号的解调，能够有效改善传感器输出信号的偏移稳定性并且降低了前置放大和ADC引入的噪声。

5、功耗低：与AMR传感器自身的偏置电流带不同，本发明所采用的三维亥姆霍兹线圈的线圈常数很大，且可以根据自身需求进行调节，因此在实际使用过程中，要想获得相同大小的补偿磁场，线圈常数越大，所需的反馈电流就越小，磁场测量装置的功耗也就越低。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构图(以其中一个通道为例)。

图2为本发明装置的PWM/I转换模块电路图。

图3为本发明装置的反馈线圈结构示意图。

具体实施方式

一种数字补偿式AMR磁场测量装置，包括磁场传感器1、ADC芯片2、微处理模块3、RS-232串口模块4、低通滤波器5、PWM/I转换电路6、反馈线圈7、全桥驱动芯片9、隔直电容10。

所述磁场传感器1的信号输出端连接ADC芯片2的信号输入端，所述ADC芯片2用于对磁场传感器1输出的电压信号进行模数转换。

所述ADC芯片2的信号输出端连接微处理模块3，ADC芯片2模数转换后所得的数字信号由微处理模块3进行解调，并进行翻转和积分处理。

所述微处理模块3的串口引脚与RS-232串口模块4相连，数字信号经过滤波后由RS-232串口模块4实现数字输出；

所述微处理模块3与磁场传感器1相连；

所述微处理模块3与PWM/I转换电路6相连，所述PWM/I转换电路6与反馈线圈7相连。

所述磁场传感器1采用HMC1001磁场传感器，微处理模块3的一个PWM引脚与全桥驱动模块9的输入端相连，所述全桥驱动模块9经隔直电容10后与HMC1001磁场传感器自带的R/S电流带相连,构成置位/复位电路，置位/复位脉冲由微处理模块3所产生的PWM波进行控制，当R/S线圈受到电流脉冲时,R/S线圈中会产生一个强磁场，该磁场可以重新将传感器元件产生的若干方向随机的磁区域对准统一到一个方向上，这样就能保持传感器的高灵敏度。

所述全桥驱动模块9由型号为A3940的全桥驱动芯片构成。

所述ADC芯片2自带可编程增益放大器，磁场传感器1输出的电压信号经可编程增益放大器放大后由ADC芯片2进行模数转换。

所述PWM/I转换电路6由全桥芯片8、电阻R1、电阻R2和电容C_P组成；所述全桥芯片8与微处理模块3相连，所述全桥芯片8的两端桥臂分别与电阻R1的一个引脚、电阻R2的一个引脚相连，所述阻R1的另一个引脚、电阻R2的另一个引脚分别与电容C_p的两端相连，所述电容C_p的两端与反馈线圈7相连。

所述反馈线圈7为三维亥姆霍兹线圈结构，该结构由三对两两正交的亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈分别与三个磁场传感器1相对应，能在最大程度上抑制磁场测量装置所存在的交叉轴影响。

所述微处理模块3采用STM32微控制器。

所述低通滤波器5主要由精密运算放大器OP27GS并结合电容及电阻组成。

所述全桥芯片8为型号为UBA2032T的全桥芯片。

本发明一种数字补偿式AMR磁场测量装置，微处理模块3对经过AD转换后输入的数字信号进行处理时，包括以下步骤：

首先由于磁场传感器1输出存在零点漂移，其输出信号并不关于零点对称，因此先通过计算对信号进行校准，计算过程如下：

其中，u为A/D转换芯片中输入的电压信号；u₁和u₂分别为电压u的正负电压值；U为经过处理后的电压信号值。

经过计算后的电压信号正负半波关于零点对称。

然后对该信号进行翻转，使其由交流信号转变为直流信号，最后对翻转后的信号进行积分。

但是磁场传感器1输出信号中存在着尖波脉冲干扰，在一个时钟周期T内，上下尖波脉冲等效面积分别为U₁Δt₁和U₂Δt₂，，并且该尖波脉冲的峰值会随着电路参数的变化随机波动，所以U₁Δt₁和U₂Δt₂不可能完全相等，所以无法通过计算把它完全消除。

因此，在进行数字积分处理时，先避开信号中的尖波脉冲部分，只对平滑的信号进行积分，公式如下：

其中，U为信号出电压值，t为时间。

由此可见数字积分能够避开信号中的偏移量和尖波脉冲的影响，从而有效避免模拟积分中存在的时漂和噪声问题。

假设所使用的亥姆霍兹线圈磁常数为K[T/A]，线圈内阻为R_G，则可得其最大补偿磁场为：

其中R_S＝R₁/2＝R₂/2，U_ref为电路输入的最大补偿电压。

所述PWM/I转换电路6中，PWM波由STM32为控制器中的32位高分辨率定时器控制，并且反馈线圈7的线圈常数为K＝34μT/mA。

在本发明中所采用的电路输入电压为3.3V，因此可得电压分辨率为：

△U＝3.3V/2³²＝7.68×10^-10V

又因为本发明中补偿电阻R₁＝R₂＝1000Ω,因此可得电流分辨率为：

△I＝△U/R₁＝7.68×10^-13A

进一步可得其磁场分辨率为：

△B＝K·I＝2.61×10^-8μT

由此可见采用PWM/I转换后，该磁场测量装置中补偿磁场的分辨率变得很高。

实施步骤：

(1)：如图1所示，把磁场传感器1的信号输出端与ADC芯片2的输入端相连，通过该芯片中的可编程增益放大器，实现传感器输出信号的放大，然后通过AD转换功能把传感器输出的模拟信号转换为数字信号。

(2)：把ADC芯片2的输出端与STM32微控制器相连，使经过AD转换后的数字信号后输入STM32微控制器。

(3)：如图2所示，把STM32微控制器的一个PWM引脚与PWM/I转换电路6相连，使经过STM32微控制器解调与积分后输出的积分电压，利用STM32微控制器中的脉冲宽度调制技术来控制模拟信号的输出。

(4)：反馈线圈7绕制，如图3所示，所述反馈线圈3为三对两两垂直的亥姆霍兹线圈。

(5)：排布时，三个HMC1001磁场传感器围绕三个传感器磁芯的中心点排列，反馈线圈结构的三对线圈a、b、c分别与三个HMC1001磁场传感器相对应。

(6)：把PWM/I转换电路6的输出端与全桥驱动模块9的输入端相连，把全桥驱动模块9与隔直电容10的一个引脚相连，然后把隔直电容10的另一个引脚与反馈线圈7相连，使用反馈线圈7产生补偿磁场，对磁场传感器1所受的外部磁场进行补偿。反馈电流流入反馈导线后，导线周围会产生一个补偿磁场，该磁场与磁场传感器1所受的外部磁场大小相等、方向相反，因此该补偿磁场会与外部磁场相抵消，使传感器工作于一个稳定的磁场环境中，从而大幅减小传感器在外磁场环境变化下所产生的磁滞。

(7)：把STM32微控制器的另一个PWM引脚与HMC1001传感器内部集成的R/S电流带相连。通过脉冲宽度调制产生持续的电流脉冲，当R/S线圈受到电流脉冲时,线圈中会产生一个强磁场，该磁场可以重新将磁区域对准统一到一个方向上，这样就能保持传感器的高灵敏度。

本发明提供一种数字补偿式AMR磁场测量装置，该装置以三维亥姆霍兹线圈为反馈元件，从最大程度上消除了磁场测量装置三个敏感轴之间的交叉轴影响；同时通过单量程、双极性的脉冲宽度调制(PWM)实现DA转换，并采用由PWM驱动的H桥作为补偿源，从最大程度上降低了设计成本。

除此以外，所采用的三维亥姆霍兹线圈的线圈常数很大，因此获得相同大小的补偿磁场所需的反馈电流更小，所以该磁场测量装置的功耗也更低，并且本发明通过软件完成AMR信号的解调与积分，改善了装置的偏移稳定性并抑制了信号的漂移，降低了前置放大器与ADC带来的噪声。

Claims (2)

1.一种数字补偿式AMR磁场测量装置，包括磁场传感器(1)、ADC芯片(2)、微处理模块(3)、低通滤波器(5)、PWM/I转换电路(6)、反馈线圈(7)；其特征在于：

所述磁场传感器(1)连接ADC芯片(2)，所述ADC芯片(2)用于对磁场传感器(1)输出的电压信号进行模数转换；

所述ADC芯片(2)连接微处理模块(3)，ADC芯片(2)模数转换后所得的数字信号由微处理模块(3)进行解调并进行积分处理；

所述微处理模块(3)与全桥驱动模块(9)相连，全桥驱动模块(9)经隔直电容(10)后与磁场传感器(1)连接；

所述微处理模块(3)与磁场传感器(1)相连；

所述微处理模块(3)与PWM/I转换电路(6)相连，所述PWM/I转换电路(6)与反馈线圈(7)相连；

所述磁场传感器(1)采用HMC1001磁场传感器，微处理模块(3)的一个PWM引脚与全桥驱动模块(9)的输入端相连，所述全桥驱动模块(9)经隔直电容(10)后与HMC1001磁场传感器自带的R/S电流带相连,构成置位/复位电路，置位/复位脉冲由微处理模块(3)所产生的PWM波进行控制，当R/S线圈受到电流脉冲时,R/S线圈中会产生一个强磁场；

所述PWM/I转换电路(6)由全桥芯片(8)、电阻R1、电阻R2和电容C_P组成；所述全桥芯片(8)与微处理模块(3)相连，所述全桥芯片(8)的两端桥臂分别与电阻R1的一个引脚、电阻R2的一个引脚相连，所述阻R1的另一个引脚、电阻R2的另一个引脚分别与电容C_p的两端相连，所述电容C_p的两端与反馈线圈(7)相连。

2.根据权利要求1所述一种数字补偿式AMR磁场测量装置，其特征在于：微处理模块(3)对经过AD转换后输入的数字信号进行处理时，包括以下步骤：

首先由于磁场传感器(1)输出存在零点漂移，其输出信号并不关于零点对称，因此先通过计算对信号进行校准，计算过程如下：

其中，u为A/D转换芯片中输入的电压信号；u₁和u₂分别为电压u的正负电压值；U为经过处理后的电压信号值；

经过计算后的电压信号正负半波关于零点对称；

然后对该信号进行翻转，使其由交流信号转变为直流信号，最后对翻转后的信号进行积分；

但是磁场传感器(1)输出信号中存在着尖波脉冲干扰，在进行数字积分处理时，先避开信号中的尖波脉冲部分，只对平滑的信号进行积分，公式如下：

其中，U为信号出电压值，t_i+1-t_i表示某一段平滑信号波形所经历的时间间隔，i表示变量，n-1表示变量i的上限。

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