基于AMR的環境磁場測量儀設計與應用

林 淮, 王曉娜, 王彥霞, 宋世德

(1. 大連理工大學 物理學院, 遼寧 大連 116024;2. 大連理工大學 土木工程學院, 遼寧 大連 116024)

目前磁場測量的方式眾多,磁場測量的范圍也已達到10-15～103T[1]。在此范圍內的磁場測量傳感器可分為低強度、中強度以及高強度磁場傳感器[2]。低強度磁場傳感器通常檢測 1 μG 以下的磁場,中強度磁場傳感器通常檢測 1 μG～10 G 磁場,高強度磁場傳感器檢測范圍通常在 10 Gs 以上[3]。日常生活中的環境磁場,主要源于地磁場及建筑鋼構,一般在中強磁場強度的范圍內。在主要利用的原理包括:霍爾效應、磁通門、AMR等。AMR因其響應時間短、測量精度高等優勢,成為中強磁場測量儀器中的常用傳感器。

傳統的磁場測量儀器結構復雜,產生的磁場對測量結果產生較大影響,儀器的使用地點也受到限制；霍爾式的磁場測量儀器則要求手持操作,不易實現快速且精確的測量,并且傳感器探頭較為脆弱,不利于室外測量與長期使用。

針對傳統磁場測量儀器的缺陷,本文基于AMR傳感器設計環境磁場測量儀,通過電路系統進行信號調理,抑制交變磁場信號及噪聲的干擾,使用單片機進行信號的計算,以及環境中穩恒磁場磁感應強度大小的顯示。儀器通過電路簡化操作的同時,也與外部機械構造一同確保測量的精度與穩定性。

1 磁場信號采集原理

1.1 各向異性磁阻傳感器(AMR)原理

HMC1021z磁阻傳感器中的硅片上鍍有坡莫合金,構成惠斯通電橋。當環境磁場的磁感應強度在±6×10-4T之內、工作電壓Ub=5V時,磁阻傳感器輸出電壓Uout與敏感軸方向磁感應強度B變化呈線性關系,即[4]:

Uout=U0+kB

(1)

式中U0表示磁阻傳感器電橋存在的偏置電壓。

傳感器的S/R端可以對磁疇進行復位,保持傳感器的靈敏度與高精度。

1.2 環境磁場探測原理

該磁場測量儀器測量環境中穩恒磁場的磁感應強度大小及磁傾角大小,從而描述特定的磁場。環境中穩恒磁場的磁感應強度B可分解為水平分量B1以及豎直分量B2,見圖1。

(2)

(3)

公式中θ代表磁場磁傾角大小。由于儀器使用單軸各向異性磁阻傳感器進行測量,因此,測量過程中需要分別測量磁場水平分量(水平方向磁感應強度最大值)、豎直分量的磁感應強度大小。

圖1 磁場示意圖

2 系統設計部分

2.1 全局設計

測量系統的主要模塊見圖2。為了實現儀器的便攜性,并且減小電源產生的磁場對測量的干擾,電源部分采用2節電池連接,提供正負±9 V的雙電源為儀器供電。對于傳感器及單片機所需的5 V電壓,使用7805穩壓芯片將9 V降為5 V。

圖2 系統模塊框圖

2.2 信號調理部分

在5 V直流供電的條件時,傳感器敏感軸方向感應到1×10-4T磁感應強度，輸出5 mV電壓,而一般環境磁場強度約為0.5×10-4T,其分量對應的輸出電壓更加微小。由于傳感器輸出的是相當小的電壓信號,需要將傳感器輸出信號進行調理后送入單片機模塊處理[5]。為了數據處理以及抑制零點漂移,在傳感器的輸出端使用AD620對電壓信號進行500倍的差分放大,AD620具有高精度、低功耗、低失調漂移等特性,常用于微小信號的一級放大。

為了抑制傳感器的噪聲及特殊環境可能存在的交變磁場,儀器的二級電路采用二階有源低通濾波電路對信號進行處理。Sallen-key結構是電路設計中最常用的有源低通濾波器電路結構[6],其電路結構見圖3。

圖3 Sallen-key結構的有源低通濾波器

在保證響應時間及濾波效果的前提下,根據截止頻率為1 Hz的指標選擇濾波器類型,再通過設計表中的元器件參數值即可完成濾波器的設計[7]。

圖3中的運算放大器選擇常用的高精度運放OP07,它擁有高開環增益、低失調偏移電壓、低噪聲的特性,適用于傳感器的信號處理[8]。

考慮到AD7705模數轉換器輸入電壓在0～5 V之間,而磁場方向與傳感器敏感軸方向夾角大于90°時電壓信號有可能出現負值。5 V供電時,-1×10-4T磁場輸出-2.5 V(信號放大500倍),因此電路中使用OP07運算放大器搭建加法運算電路。TL431為信號提供2.5 V的偏置,在±1×10-4T(一般環境強度約0.5×10-4T)的磁場范圍內,保證儀器的正常使用。

放大、濾波后的電壓信號使用AD7705模數轉化芯片,將電壓信號數字化,由單片機進行采樣與計算,最終在LCD1602顯示屏上進行顯示。

2.3 軟件仿真

為了檢驗電路設計部分的性能,可使用Multisim對信號調理部分進行仿真, 完成電路的瞬態分析和穩態分析[9]。其中函數發生器模擬傳感器輸出,使信號依次經過放大、濾波、加法電路,并使用波特圖儀對信號進行分析。仿真電路見圖4。波特圖儀模擬結果見圖5。

圖4 仿真電路

圖5 波特圖儀模擬結果

從圖5中可以看出,對于接近穩恒的信號,電路能產生53.892 dB的增益,而對于約50 Hz的干擾信號則產生5.87 dB的衰減,能夠很好地減少噪聲及其余交變干擾,對環境穩恒磁場進行測量。

2.4 整體構造

整體上看儀器分為兩大部分,電池位于單片機下方,傳感器所在部分搭配木材與亞克力等材料制作的水平、豎直調節裝置,在減小干擾并且易于操作的同時,保證測量時裝置的精確度及穩定性。搭建完成的實物圖見圖6。

3 單片機編程

儀器綜合了單片機控制的低成本優勢和軟硬件的通用性,使用簡便、操作直觀[10]。儀器中的單片機對電壓信號進行采集,對未標定的儀器,LCD1602顯示屏上將顯示實時電壓值；而將標定后的B-U曲線加入程序中進行編程,顯示屏上即可實時顯示采集到的磁感應強度大小,并同時輸出測量過程中磁感應強度的最大值。程序流程圖見圖7。

圖6 測量系統實物圖

圖7 程序流程圖

4 實驗結果與分析

4.1 儀器標定

裝配完成的儀器還需要在其量程范圍內,確定輸出的電壓U,與傳感器易磁化方向接收到的磁感應強度B之間的關系,因此需要對制作完成的儀器進行標定。

首先借助亥姆霍茲線圈對儀器的B-U直線斜率進行標定。亥姆霍茲線圈能在其公共軸線中點附近產生較廣的均勻磁場區,故常用于較弱磁場的計量標準[11]。亥姆霍茲線圈公共軸線中心點位置的磁感應強度可表示為[12]

(4)

其中N為線圈匝數;I為流經線圈的電流強度;r為亥姆霍茲線圈的半徑;μ0為真空磁導率。

標定過程中,將儀器的傳感器模塊放置在亥姆霍茲線圈軸線的中點處,并且使測量方向和公共軸線垂直。改變I的大小，得到確定的磁感應強度值。由于儀器標定時會受到恒定環境磁場的干擾,因此首先需要通過亥姆霍茲線圈磁感應強度的改變量ΔB,以及未標定的儀器顯示的電壓改變量ΔU確定U-B直線的斜率k，即

(5)

標定結果見圖8,使用最小二乘法得到斜率k=3.667×10-4,截距b=-0.119 7，相關系數R=0.999 9。

除了亥姆霍茲線圈產生的磁場外,B-U擬合直線的截距受到環境磁場以及儀器內部失調電壓的影響,產生恒定的偏置,故有

B=kU+b

(6)

此時需要對內部失調電壓進行補償,使得測得的磁感應強度與實際環境磁感應強度相同。

圖8 標定數據圖

撤去亥姆霍茲線圈,水平放置傳感器部分,此時測得的磁感應強度可表示為

B1=Be+C

(7)

式中B1表示儀器顯示的磁感應強度,Be表示環境磁感應強度,C表示儀器失調電壓產生的偏置,可看作一個常數。

此時利用底座上的轉盤將儀器水平旋轉180°,測得磁感應強度B2為

B2=-Be+C

(8)

由式(6)、(7)可得失調電壓準確值為

(9)

因此,修正后的U-B曲線可表示為

B=kU+b-C

(10)

將標定的數據代入式(10)可得最終B-U關系

B=0.0003667U-0.04603

(11)

4.2 測量結果對比

標定完成的儀器可以分別測量水平與豎直方向上的磁感應強度分量及合成環境中的總磁感應強度。在5個不同地點,使用儀器與高精度的Lakeshore 425高斯計對比測量,結果見表1。

表1 測量結果對比

5 結語

本文在分析環境磁場測量儀器的技術關鍵及技術難點的基礎上,設計并制作出基于各項異性磁阻傳感器的磁場測量儀。該儀器能夠有效地測量環境磁感應強度的大小及磁傾角的大小。1×10-4T的量程及較高的精度,能夠滿足室內外環境磁場測量的要求,在實驗教學及磁場監測等方面具有實際意義。

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