馮春鵬， 袁俊杰， 趙　飛

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院， 北京　100144)

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基于HMC1022的磁場(chǎng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與研究

馮春鵬， 袁俊杰， 趙飛

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院， 北京100144)

摘要：根據(jù)近幾年來針對(duì)電磁測(cè)試空間性發(fā)展的研究，提出一種基于磁阻傳感器探頭測(cè)量動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法，設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的智能化控制磁場(chǎng)測(cè)量裝置.該裝置采用磁阻傳感器探頭測(cè)試二維平面內(nèi)任何方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的采集與處理并由LED實(shí)時(shí)顯示磁場(chǎng)的測(cè)量值.上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)軟件作為平臺(tái)，進(jìn)一步處理和顯示數(shù)據(jù).對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，初步表明該測(cè)磁裝置的設(shè)計(jì)是實(shí)際可行的，為后期的磁場(chǎng)測(cè)量研究打下基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：磁阻傳感器；測(cè)試裝置；單片機(jī)控制；智能化

0引言

磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)是研究磁場(chǎng)的重要手段之一，在地球物理學(xué)、空間科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、軍事技術(shù)及工業(yè)探傷等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用.近幾年以來，高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)以及半導(dǎo)體工藝的飛速進(jìn)步，極大地促使電磁測(cè)量的研究轉(zhuǎn)向于動(dòng)態(tài)靈活的磁場(chǎng)測(cè)量[1].普通的測(cè)量?jī)x如特斯拉計(jì)、高斯計(jì)等已經(jīng)難以滿足工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的自動(dòng)檢測(cè)和控制的使用要求.為此，本研究設(shè)計(jì)了一種基于磁阻傳感器的數(shù)字化智能動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量裝置，其不僅能夠?qū)Υ艌?chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，而且通過單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理傳送給上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理與顯示.

1測(cè)量裝置原理及設(shè)計(jì)

1.1磁阻傳感器

測(cè)試裝置選用高精度的磁阻傳感器作為測(cè)試探頭.磁阻傳感器根據(jù)磁性材料的磁阻效應(yīng)采用微加工工藝制作而成，其內(nèi)部電阻大小與通入電流的大小、磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱、電流方向以及磁化方向的夾角有關(guān).根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合原理，當(dāng)在磁阻傳感器中鐵磁合金薄帶的長(zhǎng)度方向施加一個(gè)電流時(shí)，如果在垂直于電流的方向再施加磁場(chǎng),鐵磁性材料中就有磁阻的非均質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)，從而引起合金帶自身的阻值變化，即為磁阻傳感器測(cè)量機(jī)理[2-3].其工作原理圖如圖1所示.

圖1磁阻傳感器的工作原理

本研究設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)檢測(cè)裝置選用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC系列中的雙軸磁阻傳感器HMC1022，該芯片能夠同時(shí)檢測(cè)出2個(gè)方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度.其核心是內(nèi)置的2個(gè)由4個(gè)1 kΩ的電阻臂組成的惠斯通電橋，只需將供電電壓(0～10 V)接到橋路總線上.芯片具有2個(gè)敏感軸(X軸和Y軸)，傳感器將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成差分電壓輸出2個(gè)測(cè)量軸的信號(hào)電壓值.HMC1022芯片能夠感知磁場(chǎng)強(qiáng)度超過30 μ高斯的磁場(chǎng)，具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、芯片體積小、抗電磁干擾性好、功耗低和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，有較寬的線性范圍，在弱磁場(chǎng)測(cè)量方面更具有優(yōu)勢(shì)[4].

1.2測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置主體由2個(gè)部分組成：磁場(chǎng)檢測(cè)探頭和可移動(dòng)小車.由磁阻效應(yīng)原理制作的磁場(chǎng)探頭芯片HMC1022設(shè)計(jì)在“L”型印刷電路板的頂端，用于檢測(cè)位于同一平面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小.“L”型電路板另一端是后級(jí)處理電路，用于放置信號(hào)采集與放大電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片等. 可移動(dòng)小車由輪轂和2片亞克力玻璃板加工制作而成，將車輪輪軸通過聯(lián)軸器與數(shù)字編碼器連接.數(shù)字編碼器能夠隨著小車的移動(dòng)輸出磁場(chǎng)探頭的位置信息，磁阻傳感器輸出磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，通過單片機(jī)處理然后在LED屏幕上顯示出對(duì)應(yīng)位移的電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度.

2硬件設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

HMC1022磁阻傳感器信號(hào)為差動(dòng)輸出，為提高共模抑制比，采用高精度放大芯片對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大.放大電路設(shè)計(jì)中選用APM04芯片，AMP04是一款單電源儀表放大器，工作電源電壓范圍為±5～±15 V.該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低功耗、寬輸入電壓范圍和出色增益性能等的完美組合.采用與其它模塊相等+5 V電壓，整體測(cè)量系統(tǒng)采用單電源供電[4-5].本裝置采用MAX662A電壓轉(zhuǎn)換電路，將5 V的電壓變換為12 V，為IRF7105的工作提供電源.MAX662A是電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器，只需4.5～5.5 V的輸入電壓就可得到12 V的輸出電壓，而且無需感應(yīng)器就可以保證輸出端有30 mA的電流傳送.

2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

為了保證測(cè)量裝置在強(qiáng)干擾環(huán)境下的實(shí)時(shí)性和信號(hào)的同步性以及高精度測(cè)量，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司生產(chǎn)的TLC2543芯片.TLC2543芯片是12位串行高精度A/D轉(zhuǎn)換器，包括11個(gè)模擬輸入通道，3路內(nèi)置自測(cè)方式，內(nèi)置轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)輸出，可編程的MSB或LSB前導(dǎo)，具有單、雙極性輸出.芯片采用串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機(jī)I/O資源，而且價(jià)格適中、分辨率較高，可以滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求.

2.3單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)測(cè)試裝置的外圍電路主要包括復(fù)位按鈕、LCD顯示屏和時(shí)鐘芯片等.傳感器在弱磁場(chǎng)環(huán)境測(cè)量時(shí)容易受到干擾，復(fù)位按鈕是在磁阻電橋上應(yīng)用磁開關(guān)切換技術(shù)，將傳感器恢復(fù)到高靈敏度狀態(tài).HMC1022芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能的部件實(shí)際上是一組鐵磁性電阻，傳感器的磁疇全部沿著敏感方向有序排布，使得它回復(fù)到一個(gè)最初始的狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)下感知磁場(chǎng)可以獲得靈敏度最高和最準(zhǔn)確的輸出信號(hào),復(fù)位由單片機(jī)的I/O引腳進(jìn)行控制.

顯示屏采用ACM12864JHZ圖形點(diǎn)陣式液晶顯示器，將顯示器驅(qū)動(dòng)器直接連在系統(tǒng)總線上，由單片機(jī)控制對(duì)顯示屏進(jìn)行讀寫等一系列操作，顯示屏主要顯示二維矢量值的正負(fù)峰值[6].當(dāng)單片機(jī)每次處理完數(shù)據(jù)之后，將從時(shí)鐘芯片中讀取保存在存儲(chǔ)卡中的數(shù)據(jù)，以便于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到上位機(jī)中進(jìn)一步作分析處理.

2.4通信接口設(shè)計(jì)

選擇傳統(tǒng)的USB轉(zhuǎn)串口通信作為單片機(jī)與上位機(jī)連接接口.綜合考慮其開發(fā)周期長(zhǎng)短、難易程度以及成本高低的問題，本測(cè)試裝置采用CH375芯片作為通信處理的接口芯片[7]，具有價(jià)格便宜、可靠性高、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，大大減少了開發(fā)周期，并降低了難易程度.

3軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試裝置下位機(jī)由單片機(jī)控制，主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集與放大、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的處理顯示以及傳輸通信等.考慮到測(cè)試內(nèi)容流程以及時(shí)序性等因素，軟件設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)中斷方式，對(duì)于時(shí)間比較敏感的程序放在中斷子程序中進(jìn)行處理，由優(yōu)先級(jí)判斷子程序的執(zhí)行.其中，AD轉(zhuǎn)換部分采用DMA方式工作，用數(shù)據(jù)總線將轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)直接連接到存儲(chǔ)器上，單片機(jī)負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器中，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)乃俣?信號(hào)采集流程圖如圖2所示.

圖2信號(hào)采集流程示意圖

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā)的LabVIEW軟件.該軟件使用圖形化編程語(yǔ)言G編寫程序，其與C語(yǔ)言完美的融合功能使編程大大簡(jiǎn)化，在計(jì)算機(jī)顯示屏上就可以輕松顯示不同儀器儀表功能[8].軟件實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)單片機(jī)采集與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將檢測(cè)到的磁場(chǎng)裝置的強(qiáng)弱分布點(diǎn)顯示在界面上.上位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示.

4測(cè)磁裝置實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

4.1測(cè)試過程

對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，選取普通被

圖3上位機(jī)實(shí)現(xiàn)功能示意圖

磁化的長(zhǎng)方體碳素鋼作為磁場(chǎng)測(cè)試環(huán)境.被選用的碳素鋼長(zhǎng)度為200mm.該磁場(chǎng)環(huán)境較穩(wěn)定，適合初步設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)測(cè)量裝置，而且磁化程度較弱的磁場(chǎng)也不會(huì)對(duì)電源本身或者測(cè)試裝置周圍的設(shè)備造成干擾，方便測(cè)量.

將磁場(chǎng)測(cè)量裝置探頭與小車車身調(diào)整位置，使探頭距離長(zhǎng)條形磁化碳素鋼上方20 mm處，放置好測(cè)量裝置小車，按下單片機(jī)上的復(fù)位按鈕此時(shí)測(cè)量進(jìn)入初始化狀態(tài).實(shí)驗(yàn)人員移動(dòng)小車，使其相對(duì)碳素鋼的橫向位移改變，數(shù)字編碼器開始計(jì)數(shù)并記錄小車位置信息，磁阻傳感器探頭檢測(cè)到所處位置的磁場(chǎng)信號(hào)，并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理.顯示屏上測(cè)試點(diǎn)及上位機(jī)波形圖的顯示，可以得到被磁化碳素鋼的周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的大致分布.測(cè)試裝置實(shí)物圖如圖4所示.

圖4　測(cè)試裝置實(shí)物示意圖

4.2測(cè)試結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)測(cè)量裝置測(cè)量被磁化碳素鋼周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小.表1所示為實(shí)驗(yàn)中測(cè)試裝置磁阻傳感器上X軸和Y軸輸出的電壓值的數(shù)據(jù)，與磁場(chǎng)強(qiáng)度值之間的轉(zhuǎn)換.

圖5為X軸和Y軸上在不同位置磁場(chǎng)強(qiáng)度值的折線圖.

從圖5中可以初步得出，由于X軸長(zhǎng)度方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度的疊加效應(yīng)，使得X軸方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于Y軸上的磁場(chǎng)強(qiáng)度.2個(gè)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值有一定的波動(dòng)，在被測(cè)量的永磁體的兩極位置上磁感應(yīng)強(qiáng)度值變化較大.由圖數(shù)據(jù)可以得出該實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)誤差穩(wěn)定在50mG左右，性能基本穩(wěn)定，可靠度較高.

表1　磁阻傳感器X軸和Y軸輸出電壓值及對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)大小

圖5X軸和Y軸上不同位置磁場(chǎng)強(qiáng)度值的折線圖

5結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的數(shù)字式磁場(chǎng)測(cè)量裝置中，隨著數(shù)字編碼器顯示的位移變化，磁阻傳感器探頭實(shí)時(shí)測(cè)量X軸和Y軸2個(gè)方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用單片機(jī)控制電壓信號(hào)的輸入輸出，由LED顯示屏直接顯示出測(cè)量值及磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況，并通過上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)處理數(shù)據(jù)，更清晰顯示出所測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著編碼器所測(cè)量位移的變化量.實(shí)驗(yàn)初步表明，本研究制作的數(shù)字式磁場(chǎng)測(cè)量裝置是基本可用的，為以后磁場(chǎng)測(cè)量的研究提供了參考基礎(chǔ).進(jìn)一步的研究可以增加傳感器探頭數(shù)量，組成三維動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，在磁場(chǎng)測(cè)量中將會(huì)有更好的發(fā)展前景.

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Design and Research on Magnetic Field Testing Device Based on HMC1022

FENGChunpeng，YUANJunjie，ZHAOFei

(College of Electromechanical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Abstract:According to the space development of electromagnetic test in recent years,the paper puts forward a method which can measure the dynamic magnetic field intensity based on magnetic resistance sensor.The design adopts the intelligentialized magnetic field control measuring device of SCM.The device utilizes the magnetic resistance sensor probe to measure the magnetic field intensity in any direction on two dimensional surfaces.The processing and collection of data is controlled by SCM and the measured value of the magnetic field is displayed by LED.Upper computer uses LabVIEW software to further process and display the data.The data analysis of the measuring results shows that the design of magnetic measuring device is practical and lays a solid foundation for the further research on magnetic measurement.

Key words:magnetic resistance sensor;testing device;SCM control;intelligentialize

文章編號(hào)：1004-5422(2016)02-0161-04

收稿日期：2016-03-22.

作者簡(jiǎn)介：馮春鵬(1992 — )， 男， 碩士研究生， 從事電磁場(chǎng)測(cè)控技術(shù)研究.

中圖分類號(hào)：TM937.1；O441.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A