基于异向磁阻的三维磁场探测方法

李纵华 高炯 高俊 梁峻平

摘 要 三维磁场传感器，是用来测量空间磁场的一种装置，在工业生产和科学研究的许多领域都涉及到磁场测量的问题，如磁探矿、地质勘探、磁性材料研究、磁导航、同位素分离、电子束加工装置、受控热核反应以及人造地球卫星等。在很多地方，磁场检测的精确度跟检测范围显得尤为重要，对空间磁场的测量，也是现代科技所要求的发展方向。在高度智能化，微控制器被广泛应用的今天，利用磁阻器件，传感器芯片和单片机实现集成化，智能化成为改善空间磁场测量的比较有效的方法。

关键词 异向磁阻 三维磁场 探测方法

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0绪论

磁场检测与我们的生活息息相关，特别是在中低频磁场的检测方面，有着更加实际的运用。在磁场的检测中，一些常规的传感器检测往往出现差错，不能准确检测场的大小和方向，国内外现在研究出的这类交变磁场传感器，现在一般都用来检测变化比较微弱的交变磁场，达不到中频磁场精确测量的要求。空间磁场的检测在当下磁场研究领域作为一个新型的研究方向，针对于其检测技术还不是很完善，还需不断的钻研开发。

本文以地磁测量为切入点，以三维空间磁场测量为检测目的，研究设计出了针对于三维空间磁场测量的基本检测装置。在研究了大量资料后，初步对国内外空间磁场检测技术有了了解。当下科技趋向于高度的智能化和集成化，在这前提下，通过研究分析空间磁场检测芯片的结构和性能，自行研究设计了一种空间磁场检测装置，这套装置是以低成本，小型化，稳定性好，精确度高的要求下设计的，最后通过对该装置的各个部分进行软硬件设计，实现了基本的功能，并且针对于有可能存在的误差做出了分析补偿。

1巨磁阻传感器基本原理

磁阻效应（MagnetoresistanceEffects）的定义为：对于某一些器件来说，其电阻值因为外加磁场的变化而引起其电阻值得变化的现象，在导体内部的载流子在变化的磁场中受到洛伦兹力的作用从而产生了磁阻效应。磁阻效应主要有以下几种：常磁阻（OrdinaryMagnetoresistance，OMR）针对于非磁性金属材料来说，其内部的电子由于在运动过程中由于受到变化的磁场产生的洛伦兹力的影响，使其原来的直线运动轨迹发生变化，变成了曲线运动轨迹，从而使电子的运动路线增加，电流传导速度变慢，所以增大了材料的电阻，这种现象被称为常磁阻；巨磁阻（GiantMagnetoresistance，GMR）。

在特定的条件下，导体的电阻值会随着磁感应强度的变化而变化，这种变化的规律被叫做磁阻效应。如图1所示，当导体在于磁场中时，导体内部的载流子因为受到洛伦兹力的作用，使其运动路径发生改变，最终聚集在导体的两端，因为电子的聚集，从而在导体两端产生霍尔电场。假如霍尔电场的作用力跟其中的一定速度的载流子产生的洛伦兹力的作用相互抵消，那么不同于该速度的载流子的运动路径就会发生改变，所以同外加电场方向相同的运动载流子的数目就会变少，导体的电阻就会增大。

2硬件设计

霍尼韦尔HMC1043型传感器是一种微小的三轴层面安装的传感器检测装置。适用于低磁场磁性传感。增添了这种拥有支持幸好处理功能的HMC1043型传感器，能得到成本收益高并且节约安装空间的三轴磁传感器或指定技术方案。这种芯片是一种制造成本低，精确度高、稳定性好而且体积小的微型传感器，它装配简单，适合用在容量比较大的OEM设备的设计当中。HMC1043型三轴传感器的应用范围有：定向、导航装置、磁场检测和电流传感等。

3系统设计与实现

系统结构总体设基本构成部分主要有：三维磁场传感器、信号处理电路、置位/复位电路、检测电路等。信号处理电路又包括信号放大电路、采样电路和单片机控制电路。其检测原理为：将测量装置放置于磁场中，空间磁场的磁场强度经过检测电路，通过传感器后，将磁场强度转化为电信号，电信号进过放大电路处理后送到示波器，通过示波器显示出的波形来判断磁场时域的大小。置位/复位电路可以使测量装置在受到外部干扰后重新恢复正常工作。系统总体结构如图2所示。

因为被检测磁场的磁场强度在15 T到0.1mT之间，所需检测的信号比较小，所以對放大电路和采样电路的设计要求就比较高了，放大电路和采样电路会影响测量的精确度和准确度，我所采用的是LMV324型放大器，它是一种四通道COMS放大器，其在5V电压下的增益带宽为1MHz，共模电压输出范围为-0.2～-0.8V/Vcc，可以提供轨至轨输出。图中的基准电压源为Vref为2.5V，通过计算后，放大器的输出与输入的关系可以满足Vout=2.5～200V磁场转化的灵敏度为1.0Mv/v/gauss，在15 T～0.1T磁场强度下，Vin=0.15～1.0mV，通过对上述数据的分析可以得出，无论外界磁场强度的变化范围大，放大器的输出数值始终可以保持在2.3～2.5V之间，所以输出的电流信号比较稳定所以有利于采样。

采样电路的设计主要是由多路模拟开关CD4051和高速数模转换器ADS800来构成的。ADS800是由美国的BB公司生产的一种转换器，该转换器是一种12位40M取样的COMS模数转换器，它是由1个12位的量化器、基准电源、三态输出电路和宽带跟踪保持放大器来组成的，+5V供电电源，输入端被接成差动输入的方式，也可以接成单端输入的方式，在本设计的电路中采用的是单端输入的方式。如图中，CD5041的A、B两个端口分别接80C196KCP1口的P1.7、P1.6，通过这两个端口的相互切换来决定采样的是三维磁场传感器的那一个轴的输出磁场信号。

4结论

本设计是利用三轴磁阻传感器HMC1043芯片搭建的空间磁场检测装置，并实现了系统的软、硬件设计。本文首先介绍了磁阻效应跟霍尔效应这些总领全文的基本理论，阐述了测量装置的基本工作原理。其次将系统分为电源模块，控制模块、传感器采集模块以及显示输出模块分别进行电路的设计和实现。然后根据PCB的布板原则完成了PCB电路板设计、焊接和调试。通过MPLABIDE开发环境实现了程序编写，编译以及和硬件的联调。最后，分析了所设计的装置的测量结果及存在的误差，并不断提出相应的补偿方法，通过不断调试，提高装置的精度。

作者简介：姓名：李纵华（1976.3-），男，蒙古族族，内蒙古，内蒙古特种设备检验院，本科，副高级，研究方向：检测技术。

参考文献

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