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(cè)井是將磁法勘探和測(cè)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(chǎng)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(chǎng)三分量測(cè)量，能夠較好對(duì)磁性巖、礦體周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度異常進(jìn)行空間觀(guān)測(cè)。通過(guò)對(duì)測(cè)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(yàn)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(diǎn)，有著十分重要的應(yīng)用價(jià)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(pán)、交通車(chē)輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測(cè)量等。

磁三分量測(cè)井儀采用三個(gè)正交安裝的磁阻傳感器，測(cè)得與各傳感器方向相一致的地磁場(chǎng)強(qiáng)度， 與定向傳感器配合測(cè)量得到北向(Y)—東向(X)—垂直(Z)正交坐標(biāo)系下的三個(gè)磁場(chǎng)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(chǎng)的變化而改變的效應(yīng)。在鐵磁性材料中會(huì)發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象（AMR），當(dāng)沿著一條長(zhǎng)而且薄的鐵磁合金帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流，在垂直于電流的方向施加一個(gè)磁場(chǎng)，合金帶自身的阻值會(huì)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(diǎn)。HMC1022和HMC1021是由長(zhǎng)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(gè)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(chǎng)轉(zhuǎn)換成差動(dòng)輸出的電壓。在外磁場(chǎng)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(chǎng)的強(qiáng)度。

同時(shí)在硅平面上集成了具有專(zhuān)利的2個(gè)電流帶，一個(gè)置位／復(fù)位帶，用來(lái)置位或復(fù)位輸出的極性可降低溫度漂移效應(yīng)非線(xiàn)性誤差和由于高磁場(chǎng)的存在導(dǎo)致的輸出信號(hào)的丟失；一個(gè)偏置帶用來(lái)產(chǎn)生偏執(zhí)磁場(chǎng)以補(bǔ)償環(huán)境磁場(chǎng)，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(chǎng)。HMC1022是兩維磁阻傳感器，內(nèi)部集成了2個(gè)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(zhǎng)邊方向平行的磁場(chǎng)，電橋B感應(yīng)與外封裝長(zhǎng)邊方向垂直且與表面平行的磁場(chǎng),可測(cè)量相互垂直的兩個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)。

井中三分量磁場(chǎng)測(cè)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(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)相互垂直方向磁場(chǎng)分量測(cè)量。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井中磁三分量測(cè)量系統(tǒng)由磁阻傳感器、信號(hào)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(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分電壓信號(hào)，信號(hào)采集電路對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行處理和采集，微處理器對(duì)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?？驁D如下所示：

圖1 磁三分量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)放大電路

在外磁場(chǎng)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(chǎng)的強(qiáng)度。HMC1021/1022磁場(chǎng)測(cè)量范圍在-6高斯直6高斯。當(dāng)橋電壓為5V時(shí)，輸出電壓約為-50mV-50mV。由于磁阻傳感器輸出信號(hào)為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，因此對(duì)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(hào)進(jìn)行放大處理。HMC1021和HMC1022輸出信號(hào)以差分電壓方式輸出，放大器選擇儀表放大器AMP04對(duì)磁阻傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大。

AMP04是為單電源儀表放大器，通過(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)置增益，增益范圍為1至1000，增益帶寬超過(guò)700 kHz，增益非線(xiàn)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(cè)井環(huán)境中穩(wěn)定工作。AMP04對(duì)輸入信號(hào)增益通過(guò)外部電阻（Rgain）進(jìn)行設(shè)置，增益值為：

由于磁場(chǎng)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(lái)兼容輸入信號(hào)的極性，AMP04的參考電壓管腳用來(lái)設(shè)置偏執(zhí)電壓。AMP04對(duì)輸入信號(hào)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(shí)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(chǎng)全量程測(cè)量范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)輸出電壓信號(hào)范圍為0.1V-4.9V。

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

其中CEXT為外置的電容，在該測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置CEXT為0.15nF，實(shí)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(hào)放大電路，雙軸傳感器HMC1022信號(hào)放大電路與HMC1021相同，信號(hào)通道增加為2通道。

圖2 磁阻傳感器信號(hào)放大電路

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)測(cè)量精度、放大信號(hào)輸出范圍和模擬信號(hào)輸入道數(shù)，對(duì)放大電路輸出模擬信號(hào)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(gè)模擬輸入通道，每一路轉(zhuǎn)換時(shí)間為10us。磁三分量測(cè)量使用其中3個(gè)模擬輸入通道，剩余通道可供定向、溫度等信號(hào)采集使用，從而精簡(jiǎn)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(hào)電壓范圍相兼容。

TLC2543具有3個(gè)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(xiàn)（DATA INPUT），并具有與大多數(shù)信號(hào)處理器和微控制器的串行接口兼容高速SPI接口，通過(guò)CS、I/O CLK、DATA INPUT和DATA OUTPUT四個(gè)端口實(shí)現(xiàn)與控制器的SPI串口通信，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(guò)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(guò)兩個(gè)不同的周期連續(xù)來(lái)實(shí)現(xiàn)（I/O周期和轉(zhuǎn)換周期），I/O周期中實(shí)現(xiàn)對(duì)TLC2543控制字節(jié)的寫(xiě)入，并讀取上次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換周期實(shí)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(guò)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(xiàn)相連，EOC作為查詢(xún)端口與單片機(jī)上一PB2端口相接，便可以實(shí)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(guò)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(guò)SPI口向TLC2543發(fā)送的控制字，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(duì)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(shí)器來(lái)控制置位/復(fù)位電路對(duì)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(hào)由ATmega16通用端口PB0和PB1給出。

3.4 置位/復(fù)位電路設(shè)計(jì)

磁阻傳感器由于溫度漂移效應(yīng)輸出信號(hào)存在非線(xiàn)性誤差，同時(shí)由于高磁場(chǎng)的存在導(dǎo)致磁阻傳感器的輸出信號(hào)的衰變。HMC1022/1021中集成具有專(zhuān)利的置位/復(fù)位電流帶（S/R），將大電流脈動(dòng)通過(guò)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(chǎng)測(cè)量狀態(tài)，同時(shí)減少溫度漂移、非線(xiàn)性誤差等因素導(dǎo)致信號(hào)測(cè)量誤差。

磁阻傳感器輸出對(duì)S/R脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)。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(xiàn)，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(xiàn)，在垂直軸向上存在電橋偏置。因此通過(guò)控制器輸出的置位信號(hào)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(hào)Vset；控制器輸出的復(fù)位信號(hào)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(hào)Vrst。置位/復(fù)位時(shí)序如圖10。則由于溫度漂移等因素導(dǎo)致的磁阻輸出信號(hào)偏置(OS)按下列公式計(jì)算:

磁阻輸出電壓信號(hào)偏置改正通過(guò)Vout=Vset-OS或Vout=Vrst-OS來(lái)實(shí)現(xiàn)。

置位/復(fù)位脈沖電路如圖11，置位和復(fù)位信號(hào)通過(guò)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(jì)過(guò)程中置于靠近磁阻傳感器處。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

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