一种新型三维磁场传感器及其性能研究

杨波 张宏杰 赵春阳 李昊天

摘 要：文章特别针对以测量磁场强度为背景，首先介绍了TLV493D-A1B6新型三维磁场传感器的结构及其工作原理；然后通过搭建实验平台和设计新型磁场强度测试电路，具体分析了该新型磁场传感器的稳定和灵敏等性能；最后阐述了该新型磁场传感器与单维磁场传感器相比的技术优势。

关键词：磁钢；三维磁场传感器；磁场信号采集电路；稳定性能；灵敏性能

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0048-03

Abstract： Based on the measurement of magnetic field intensity， the structure and working principle of a new 3D magnetic field sensor based on TLV493D-A1B6 are introduced in this paper. Then， the stability and sensitivity of the new magnetic field sensor are analyzed by setting up the experimental platform and designing the new magnetic field intensity testing circuit. Finally， the technical advantages of the new magnetic field sensor compared with the single dimensional magnetic field sensor are described.

Keywords： magnetic steel； 3D magnetic field sensor； magnetic field signal acquisition circuit； stability； sensitivity

引言

在科学研究、医疗、工业生产和日常生活等领域，磁场的应用越来越广泛，常常起着决定性作用。李润生等[1]将磁加热应用在工业生产上的冶金；白城均等[2]研究了磁力轴承在电机上的应用；金绍林等[3]通过磁场的生物学效应研究了磁场在现代骨科领域的应用；马放等[4]利用磁的吸附能力研究了磁场在污水处理中的应用。

在以上磁场应用的场合中，不仅在方向而且在大小上对磁场强度都有很高的要求。谭穗妍等[5]用相互垂直的3对两两配对的集成线性霍尔传感器搭建成简式三维弱磁场测量探头来检测空间磁场。磁场测量除了以上的霍尔效应法以外还有其他不同的测量方法。张卫东等[6]设计研究了光纤瞬态磁场传感器，用来检测瞬态的磁场强度。解伟男等[7]分析研究了基于钴基非晶材料显著的巨磁阻抗效应，设计并实现了一种带有闭环负反馈结构的磁场测量传感器。

本文采用的磁场测量方法使用的是由德国infineon公司推出的3D Magnetic Sensor TLV493D-A1B6。通过自行设计针对该芯片功能的数据采集软硬件系统，对该芯片进行了研究。

1 TLV493D-A1B6芯片介绍

该三维传感器芯片是6引脚芯片，分别是：数据信号线接口（SDA）、时钟信号线接口（SCL）、电源电压接口（VDD）、3个接地口（GND）。

（1）SDA和SCL是I2C总线的信号线；SDA是双向数据线，可以作为输入口也可以作为输出口；SCL单向时钟线，只能作为输入口。

（2）/INT口是完成测量周期信号的中断引脚。

（3）电源电压接口（VDD）的输入电压范围在2.5V～3.5V，为常规输入电压。

（4）ADDR是启动配置传感器ID引脚。

2 实验平台的搭建

2.1 实验磁场源的选择

选择环形磁钢作为该实验磁场源，能獲得稳定均匀的磁场。

2.2 数据采集系统的设计

该数据采集系统由AVR单片机、DS1302时钟电路以及LCD12864显示屏等组成，其系统结构框图如图1所示。

2.2.1 AVR单片机最小系统

AVR单片机采用Flash ROM程序存储器，擦写的次数大于1万次，指令长度单元为16位，具有1KB的片内SRAM数据存储器，512KB的片内在线可编程EEPROM数据存储器；采用CMOS技术，内部分别集成Flash、EEPROM和SRAM三种不同性能和用途的存储器，可以使用并行方式进行编程，能够实现在一个时钟周期里完成一条或多条指令，使指令的平均执行时间减少，从而提高CPU的性能和速度。

2.2.2 上位机USB接口电路设计

上位机USB接口电路，用于实现系统与PC机间的直接数据通讯，以便于计算机对数据大小等进行分析处理。PL2303器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接电容就能实现数字信号的转换。

2.2.3 数据检测电路设计

在磁场强度数据的检测电路中采用的是高精度TLV463D-A1B6磁场传感器，它通过水平霍尔探头和垂直方向霍尔探头检测出空间磁场磁场强度。传感器采集到的数据信息通过3D SDA引脚和3D SCL引脚传递给单片机芯片ATMEG16进行数据分析处理。

2.2.4 数据存储备份电路设计

数据存储备份电路为TF卡存储电路，其中TF卡可根据测量需求选择不同存储容量（4-32G），负责以SPI总线方式实现多个磁场传感信息的文本文件存储，保证检测数据的实时备份和检测后数据的读取。

3 该新型三维磁场传感器性能研究

本次实验是在一个水平台上进行，首先测试该传感器在室温下的稳定性能，然后测试其灵敏度。整个的实验装置如图3所示。

3.1 稳定性能研究

在室温的条件下，调节好探头电路板水平，此时数据采集系统电路板上显示屏的X轴值接近于0。

将该三维磁场传感器放置在磁钢的磁场范围内。位置放置准确后将其固定。在室温的条件下，每天在相同时间段连续记录显示屏上的X、Y、Z三轴的数值，每组数据记录时间间隔随机，连续记录5天。

分析该三维磁场传感器在磁钢强磁场强度下连续工作的稳定性。随机抽出一天的数据，使用MATLAB软件对其数据拟合，可得到三轴数据拟合曲线，如图4所示。对于X轴，max值与min值的差值≤0.4mT，而且数值的分布大部分稳定在0和0.1mT上。Y轴数据，max值与min值相差≤0.5mT，而且数值的分布集中在3.2mT、3.3mT、3.4mT上。Z轴数据，max值与min值相差≤0.5mT，而且数值集中分布在34.7mT、34.8mT和34.9mT上。

以上实验说明，该三维磁场传感器在磁钢的强磁场强度环境下能够稳定工作。

3.2 灵敏性能研究

灵敏性能研究，主要是对该三维磁场传感器在磁钢的磁场环境中，当探头芯片发生很小的位置变化时，能否检测出位置的微小变化。

3.2.1 實验台搭建

实验装置如图6，实验装置的组成部件：二维直线导轨（驱动器、24V电源、双轴运动控制系统、两相步进驱动器）、磁钢、磁钢载体架、三维磁场传感器及其数据采集电路（含显示屏）。

3.2.2 实验步骤

在一个水平平台上，三维磁场传感器放置于与磁钢轴线垂直的中间位置，与轴线距离合适，然后垂直向上每移动2mm的距离，每次移动后记录三维磁场传感器X、Y、Z方向的值，每次记录10组数据，在这个方向上共移动5次，共移动了10mm。

3.2.3 实验数据处理与分析

通过对纵向位置和横向位置的改变共得到30组X、Y、Z的三轴实验数据。利用数据分析软件将各组X、Y、Z轴的值分别求平均值，求完平均值后对X、Y、Z轴分别进行合成，这样就得到了30个X、Y、Z三轴的合成值，如表1、2所示。

由表1可知，在越接近磁钢时，磁场强度越大，而且在垂直轴线方向上移动2mm时，数据变化更加明显，但是相对于表1的数值分别在垂直磁钢轴线方向上求其变化率，如表2所示，可以看到变化率相差不大，所以该三维磁场传感器灵敏度高，而且稳定性能好。

4 结束语

通过以上实验得出：

（1）在室温条件下，该新型三维磁场传感器放于磁钢的磁场强度环境中，连续工作时在X、Y、Z三轴都能保持很好的稳定性。

（2）在磁钢磁场中的合适范围内，纵向移动2mm的位置，该三维磁场传感器都能灵敏检测出移动后不同位置X、Y、Z三轴的磁场强度。

（3）通过对TLV493D-A1B6三维磁场传感器的性能研究，该传感器能够广泛应用于对各种磁场源的空间磁场测量，也可以用来设计开发高性能磁场检测仪，有着广泛的应用背景。

参考文献：

[1]潘启军，马伟明，赵治华，等.磁场测量方法的发展及应用[J].电工技术学报，2005，20（3）：7-13.

[2]姜智鹏，赵伟，屈凯峰.磁场测量技术的发展及其应用[J].电测与仪表，2008，45（4）：1-5.

[3]姚远.弱磁场的检测与应用技术研究[D].武汉理工大学，2002.

[4]柴秀丽，张延宇.巨磁阻抗磁传感器研究进展[Z].

[5]张卫东，崔翔.光纤瞬态磁场传感器的研究及其应用[J].中国电机工程学报，2003，23（1）：88-92.

[6]陆申龙，焦丽凤.用集成霍尔传感器研究霍尔效应及测量螺线管磁场分布[J].实验技术与管理，2000，17（2）：27-30.

[7]徐跃.高灵敏度的CMOS霍尔磁场传感器芯片设计[J].仪表技术与传感器，2009（12）：14-16.