基于磁阻傳感器的位置測量系統研究與實現

引言：傳統的位置測量多采用接觸式，由于大多是機械式移動的部件，常常會發生磨損，這樣會在已磨損的位置出現局部信號的丟失。另外，還對沖擊和振動等較敏感。如果采用非接觸測量，可以大大改善這個問題。本文將介紹一種基于磁阻傳感器的非接觸測量方案。當角度或線性運動物體配有傳感器或固定磁鐵，再附裝上傳感元件，就可以定量確定合成磁場的相關方向，進而通過數據采集電路實現角度或線形位移測量。

1、ARM傳感器原理

磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應用。但是作為現代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉換為電信號輸出。磁傳感器主要是利用一些物質的磁電效應、磁阻效應、磁光效應、熱敏效應等原理制造而成，其分類主要有霍爾器件、半導體磁敏電阻、磁敏二極管、磁通門等很多種類，可以應用于線性位移測量、角位移測量、剎車防抱死系統、馬達測量等方面。本文磁位置傳感器選用Honeywell公司的ARM傳感器。ARM傳感器通常采用坡莫合金的含鐵材料，圖1為外加磁場和電流情況的坡莫合金元件，θ為磁矩矢量M和電流I的夾角。在鐵磁性材料中，當沿著一條長而薄的鐵磁合金帶的長度方向施加一個電流，在垂直電流的方向施加一個磁場，合金帶自身的阻值發生變化。將其制成四個電阻元件構成的慧斯頓電橋傳感器，即ARM橋，如圖2所示。每個帶狀磁阻都具有以COS2θ關系改變電阻的能力。

圖1 ARM元件 圖2 ARM電橋

2、方案設計

2.1電路設計方案

利用多個Honeywell公司的ARM傳感器進行對磁場位置的測量，將磁場信息轉換為電壓信號，經過信號處理對信號放大、選擇，進行數模轉換成數字信號，利用單片機進行數據采集及相應控制，輸出轉換后的數據信息。為了便于顯示，輸出采用數碼管顯示。該方案的電路設計主要有以下內容。

2.2磁測量電路的設計

對磁場的感應采用磁組傳感器HMC1512，含有兩個ARM電橋。具有尺寸小、低功耗、表面貼裝、非接觸、超低偏差、高靈敏度、大動態反應等特點。

HMC1512角度范圍為±90°，分辨率<0.07度，兩個電橋A、B差分輸出電壓分別為：

（1）

（2）

其中，VS為供電電壓；S為材料常數；θ為磁場參考角度。

由于正弦（傳感器電橋A）和余弦（傳感器電橋B），減去偏置誤差后成比例，所以電橋A與電橋B的比將產生一個tgθ函數，并消去了幅值。因此，角度θ可以這樣計算：

（3）

根據角度范圍對三角函數進行修訂，完成±180°或0°～360°角度解算。利用多個傳感器排列成線性或圓狀，確定出傳感器與傳感器的距離，調整好磁鐵與傳感器的距離，將磁場轉換為電壓信號方便進行信號處理。

2.3放大電路的設計

磁阻傳感器HMC1512額定峰峰值范圍在120mV以內，因此需要設計信號放大電路，電路圖如圖3所示列舉傳感器A的放大電路。增益設計為25。為了抵消電橋上的零點偏置電壓，設置電位器進行微調。

圖3 信號放大電路

2.4通道選擇電路的設計

由于單個傳感器與磁鐵測試的距離較小，線性距離通常為8mm。因此需要研究如何利用多個傳感器排列，解決轉換距離短的問題，擴大位置范圍。本方案以選用8個ARM傳感器為例，利用通道選擇電路設計，確定各通道選擇的邊界條件。根據實際通道，電路采用模擬開關實現。選取原則是要滿足電路的通道數量、供電以及具有低導通電阻，如采用ADG526（8/16通道模擬開關）實現。

2.5模數轉換電路的設計

該電路設計主要采用專用A/D轉換芯片。綜合考慮精度和通道數量，選用16位串行接口的AD7705。

2.6通訊RS232接口硬件設計

RS232是目前最常用的一種串行通訊接口。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。電路設計如

圖4。

圖4 RS232硬件設計

2.7 數碼顯示電路設計

為了直觀顯示輸出值，采用5個數碼管顯示。圖5為一個數碼顯示電路。

圖5 數碼顯示電路

2.8數據處理及控制的軟件設計

采用單片機進行數據采集及電路控制，其流程圖如圖4所示。

否

是

每個通道邊界確定條件為：

通道1：0≤通道采集值<0.5

通道2：0.5≤通道采集值<1.0

通道3：1.0≤通道采集值<1.5

通道4：1.5≤通道采集值<2.0

通道5：2.0≤通道采集值<2.5

通道6：2.5≤通道采集值<3.0

通道7：3.0≤通道采集值<3.5

通道8：3.5≤通道采集值

串口數據發送采用中斷發送，主循環判斷發送結束標志是否為1，如果為1，發送結束，清標志。

3、總結

常用的單個傳感器和磁鐵之間的線性距離較小，如果多個傳感器排列起來使用，線形距離可能會增加。通過多個傳感器排列并進行數據處理，理論上可以進行長距離測試。

該方案采用高分辨率、低功耗的磁阻傳感器完成對磁信號到電信號轉換，在外磁場的作用下磁阻的變化引起輸出電壓的變化并直接表示磁場的強度，可以測量從以磁鐵發出的磁場方向角。具有以下優勢：

a.可以承受傳感器和磁鐵之間間隙較大變化；

b.與增量式的“編碼器”類的傳感器不同，不需要分度來提供相應位置的輸出；

c.沒有可移動的部件，不會發生磨損；不會像傳統的接觸式的旋轉變壓那樣，在已磨損的位置出現信號的丟失。

另外，為了獲得最佳性能，在傳感器位置上要求滿足一定的磁場強度。同時，還需進行不同磁場環境的研究。一個簡單的偶極磁鐵通常在接近其極點初具有最強的磁場強度，且磁場強度隨著距離的加大而逐漸減小。不同磁鐵材料或不同的距離均對轉換有影響。典型線性位移測量的分辨率為2密爾，精度為0.1%，但這在很大程度上取決于輔助接口電子設備。因此后續還需對磁鐵的材料（鋁鎳鈷磁鐵或陶瓷燒結磁鐵）及裝配方式、磁場方向角等進行技術研究，確定最佳裝配位置。

參考文獻

[1] 磁位置傳感器的應用. Honeywell.

[2] HMC1501/1502.PDF.

[3]張海峰，劉曉為，王喜蓮，等.電磁阻效應及其應用[J].哈爾濱工業大學學報，2008.

[4]張培仁；孫力.基于C語言C8051F系列微控制器原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]計算機控制技術與系統 /林敏，薛紅主編.-北京：中國輕工業出版社，1999.6（2001.6重印）.

作者簡介

周晶（1981-）女，陜西人，工程師，現主要從事混合集成電路研究工作。