磁阻傳感器在磁三分量測井儀中的應(yīng)用

禹智慧

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院宣鋼分院，宣化,075100）

0 引言

磁三分量測井是將磁法勘探和測井勘探相結(jié)合的一種有效的勘探方法，根據(jù)不同磁性地質(zhì)體在地磁場中產(chǎn)生不同磁異常為理論基礎(chǔ)，在鉆孔中沿鉆孔方向進(jìn)行磁場三分量測量，能夠較好對磁性巖、礦體周圍所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度異常進(jìn)行空間觀測。通過對測量結(jié)果分析，推斷解釋地質(zhì)體的位置和空間規(guī)模，從而驗證地面弱磁異常、發(fā)現(xiàn)并確定深部礦體產(chǎn)狀和規(guī)模。

磁阻傳感器由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，有著十分重要的應(yīng)用價值。

在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。

磁三分量測井儀采用三個正交安裝的磁阻傳感器，測得與各傳感器方向相一致的地磁場強(qiáng)度， 與定向傳感器配合測量得到北向(Y)—東向(X)—垂直(Z)正交坐標(biāo)系下的三個磁場分量值。

1 磁阻傳感器

磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance Effect)是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應(yīng)。在鐵磁性材料中會發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象（AMR），當(dāng)沿著一條長而且薄的鐵磁合金帶的長度方向施加一個電流，在垂直于電流的方向施加一個磁場，合金帶自身的阻值會發(fā)生變化，這就是磁阻現(xiàn)象。

HMC1022和HMC1021是Honeywell公司基于磁阻現(xiàn)象生產(chǎn)的的固態(tài)芯片，具有高可靠性、高靈敏度，高分辨率、抗干擾能力強(qiáng)的特點。HMC1022和HMC1021是由長而薄的鍍膜合金薄膜制成磁阻敏感元件，采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝，將薄膜附著在硅片上，4個磁阻組成惠斯通電橋。傳感器的機(jī)構(gòu)為四臂的惠斯通電橋，將磁場轉(zhuǎn)換成差動輸出的電壓。在外磁場的作用下，磁阻的變化引起輸出電壓（OUT＋和 OUT-）的變化，并直接表示磁場的強(qiáng)度。

同時在硅平面上集成了具有專利的2個電流帶，一個置位／復(fù)位帶，用來置位或復(fù)位輸出的極性可降低溫度漂移效應(yīng)非線性誤差和由于高磁場的存在導(dǎo)致的輸出信號的丟失；一個偏置帶用來產(chǎn)生偏執(zhí)磁場以補(bǔ)償環(huán)境磁場，可消除硬鐵干擾的影響。

HMC1021是一維磁阻傳感器，為單邊封裝（SIP），感應(yīng)與管腳方向平行的磁場。HMC1022是兩維磁阻傳感器，內(nèi)部集成了2個敏感方向相互垂直惠斯通電橋(電橋A和電橋B),電橋A感應(yīng)與外封裝長邊方向平行的磁場，電橋B感應(yīng)與外封裝長邊方向垂直且與表面平行的磁場,可測量相互垂直的兩個方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號。

井中三分量磁場測量采用單軸磁阻傳感器HMC1021和雙軸磁阻傳感器HMC1022組合進(jìn)行測量，從而實現(xiàn)三個相互垂直方向磁場分量測量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井中磁三分量測量系統(tǒng)由磁阻傳感器、信號采集電路、傳感器復(fù)位置位電路、電源模塊和微控制器組成。磁阻傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)化為差分電壓信號，信號采集電路對傳感器輸出信號進(jìn)行處理和采集，微處理器對采集系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的處理；復(fù)位電路用于恢復(fù)磁阻傳感器在強(qiáng)磁干擾后的靈敏度。框圖如下所示：

圖1 磁三分量測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 信號放大電路

在外磁場的作用下，磁阻的變化引起傳感器輸出差分電壓（OUT＋和OUT-）的變化，并直接表示磁場的強(qiáng)度。HMC1021/1022磁場測量范圍在-6高斯直6高斯。當(dāng)橋電壓為5V時，輸出電壓約為-50mV-50mV。由于磁阻傳感器輸出信號為毫伏級電壓信號，因此對磁阻傳感器輸出的差分電壓進(jìn)行數(shù)字化前需進(jìn)行電壓信號進(jìn)行放大處理。HMC1021和HMC1022輸出信號以差分電壓方式輸出，放大器選擇儀表放大器AMP04對磁阻傳感器輸出信號進(jìn)行放大。

AMP04是為單電源儀表放大器，通過一個外部電阻設(shè)置增益，增益范圍為1至1000，增益帶寬超過700 kHz，增益非線性達(dá)到0.005%，增益溫度系數(shù)為30 ppm/℃，且具有較高共模抑制比和工作溫度范圍（40℃-85℃）。因此該器件能夠直接連接高阻抗傳感器，并適合在測井環(huán)境中穩(wěn)定工作。AMP04對輸入信號增益通過外部電阻（Rgain）進(jìn)行設(shè)置，增益值為：

由于磁場具有方向性，磁阻傳感器輸出電壓具有極性，而AMP04工作在單電源條件下，差分輸入電壓不允許為負(fù)值，因此設(shè)置偏執(zhí)電壓來兼容輸入信號的極性，AMP04的參考電壓管腳用來設(shè)置偏執(zhí)電壓。AMP04對輸入信號增益調(diào)整后輸出電壓為：

在放大電路中增益調(diào)節(jié)電阻Rgain設(shè)置為1.25K，實現(xiàn)80倍增益放大。采用由REF192基準(zhǔn)電壓源提供2.5V參考電壓。則在HMC1021和HMC1022磁場全量程測量范圍內(nèi)對應(yīng)輸出電壓信號范圍為0.1V-4.9V。

為減少測量系統(tǒng)中的高頻干擾，提高測量精度，對AMP04輸出的放大信號進(jìn)行低通濾波，低通濾波的截止頻率通過公式計算為：

其中CEXT為外置的電容，在該測量系統(tǒng)中設(shè)置CEXT為0.15nF，實現(xiàn)低通濾波的截止頻率設(shè)置為10Hz。

下圖給出單軸磁阻傳感器HMC1021輸出信號放大電路，雙軸傳感器HMC1022信號放大電路與HMC1021相同，信號通道增加為2通道。

圖2 磁阻傳感器信號放大電路

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)測量精度、放大信號輸出范圍和模擬信號輸入道數(shù)，對放大電路輸出模擬信號數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇TLC2543。

TLC2543是采用CMOS技12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），具有11個模擬輸入通道，每一路轉(zhuǎn)換時間為10us。磁三分量測量使用其中3個模擬輸入通道，剩余通道可供定向、溫度等信號采集使用，從而精簡電路的結(jié)構(gòu)。TLC2543在+5V工作電壓條件下，模擬通道輸入電壓范圍為-0.3V-5.3V，與放大電路輸出信號電壓范圍相兼容。

TLC2543具有3個控制輸入：片選（CS）、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志（EOC）、數(shù)據(jù)輸入線（DATA INPUT），并具有與大多數(shù)信號處理器和微控制器的串行接口兼容高速SPI接口，通過CS、I/O CLK、DATA INPUT和DATA OUTPUT四個端口實現(xiàn)與控制器的SPI串口通信，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DATA OUTPUT輸出到微控制器。

DATA INPUT端口與8位串行輸入的地址控制寄存器相連，通過該寄存器定義AD轉(zhuǎn)換輸入通道、輸出位數(shù)、輸出數(shù)據(jù)格式。

模數(shù)轉(zhuǎn)化通過兩個不同的周期連續(xù)來實現(xiàn)（I/O周期和轉(zhuǎn)換周期），I/O周期中實現(xiàn)對TLC2543控制字節(jié)的寫入，并讀取上次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換周期實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

3.3 微控制電路

控制器采用AVR單片機(jī)ATmega16，ATmega16通過SPI串行接口與TLC2543進(jìn)行串行通訊，TLC2543串行接口（CS、I/OCLOCK、DATA INPUT、DATAOUTPUT）與ATmega16的SPI口的控制線相連，EOC作為查詢端口與單片機(jī)上一PB2端口相接，便可以實現(xiàn)單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)據(jù)通訊。通信過程中AT90S8535占據(jù)著主設(shè)備的地位，TLC2543屬于從設(shè)備。

ATmega16初始化設(shè)置后，通過SPI口向TLC2543發(fā)送的控制字，實現(xiàn)對TLC2543控制寄存器編程設(shè)置，并將A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)給AVR單片機(jī)。由于TLC2543為12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），為便于SPI接口數(shù)據(jù)傳輸兼容并不失AD轉(zhuǎn)化的精度，ATmega16對TLC2543進(jìn)行編程設(shè)置其輸出ADC位數(shù)為16位，數(shù)據(jù)傳輸格式為從高位到低位，單極性設(shè)置。ATmega16控制器采用內(nèi)部定時器來控制置位/復(fù)位電路對磁阻傳感器的輸出電壓偏置進(jìn)行更新。置位/復(fù)位電路控制信號由ATmega16通用端口PB0和PB1給出。

3.4 置位/復(fù)位電路設(shè)計

磁阻傳感器由于溫度漂移效應(yīng)輸出信號存在非線性誤差，同時由于高磁場的存在導(dǎo)致磁阻傳感器的輸出信號的衰變。HMC1022/1021中集成具有專利的置位/復(fù)位電流帶（S/R），將大電流脈動通過置位/復(fù)位電流帶就可把磁阻傳感器恢復(fù)到低噪音高靈敏度的磁場測量狀態(tài)，同時減少溫度漂移、非線性誤差等因素導(dǎo)致信號測量誤差。

磁阻傳感器輸出對S/R脈沖響應(yīng)曲線。當(dāng)置位電流脈沖Iset加到S/R電流帶上輸出正斜率響應(yīng)曲線，當(dāng)復(fù)位電流脈沖Irst被加到S/R電流帶上輸出負(fù)斜率響應(yīng)曲線，在垂直軸向上存在電橋偏置。因此通過控制器輸出的置位信號使置位/復(fù)位脈沖電路產(chǎn)生置位電流脈沖Iset施加到S/R電流帶上，從而使HMC1022/1021處于置位狀態(tài)，讀取該狀態(tài)下磁阻輸出信號Vset；控制器輸出的復(fù)位信號產(chǎn)生復(fù)位電流脈沖Irst施加到S/R電流帶上，使HMC1022/1021處于復(fù)位狀態(tài)，讀取該狀態(tài)下磁阻輸出信號Vrst。置位/復(fù)位時序如圖10。則由于溫度漂移等因素導(dǎo)致的磁阻輸出信號偏置(OS)按下列公式計算:

磁阻輸出電壓信號偏置改正通過Vout=Vset-OS或Vout=Vrst-OS來實現(xiàn)。

置位/復(fù)位脈沖電路如圖11，置位和復(fù)位信號通過控制器AVR單片機(jī)通用端口給出。S/R脈沖的電路在PCB設(shè)計過程中置于靠近磁阻傳感器處。

4 結(jié)束語

將HMC1021/1022磁阻傳感器應(yīng)用到磁三分量測井儀中，針對磁阻傳感器的特征設(shè)計專用數(shù)據(jù)采集電路和控制電路，并結(jié)合HMC1021/1022具有專利的置位/復(fù)位帶設(shè)計置位/復(fù)位電路，從而實現(xiàn)較高的測量靈敏度和穩(wěn)定性，可應(yīng)用到井中磁三分量測量中，具有廣泛應(yīng)用前景。

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