鄭 勝，徐校明，羅志會(huì)，潘禮慶，劉 亞

(三峽大學(xué) 磁電子與納磁探測(cè)研究所，湖北 宜昌443002)

0 引 言

弱磁矢量檢測(cè)在磁學(xué)測(cè)量、汽車導(dǎo)航、無(wú)損檢測(cè)等方面獲得廣泛應(yīng)用。隨著檢測(cè)儀器儀表日趨小型化，對(duì)弱磁矢量檢測(cè)系統(tǒng)的體積、功耗、靈敏度等綜合性能提出更高的要求。傳統(tǒng)的弱磁矢量探測(cè)儀表多采用霍爾元件、磁通門、各向異性磁阻、巨磁阻等作為前端傳感器元件［1～3］，將磁場(chǎng)變化轉(zhuǎn)換為微弱模擬電信號(hào)(一般小于3 mV)的變化，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和調(diào)理后，提取有效信號(hào)，再通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后由處理器完成信號(hào)處理與顯示［4，5］。采用霍爾元件作為傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但分辨率在0.1 μT 左右，多用于要求不高場(chǎng)合的磁場(chǎng)檢測(cè)［6，7］;而基于磁通門、各向異性磁阻、巨磁阻的傳感系統(tǒng)雖然具有較高的精度，但量程小，且通常需要附加復(fù)雜的放大電路(一般要放大數(shù)百至上千倍)和濾波反饋電路，甚至置位/復(fù)位電路來(lái)改善系統(tǒng)的測(cè)量精度，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、功耗高、價(jià)格昂貴，其應(yīng)用場(chǎng)合受到限制［8～10］。

本文選用PNI 公司最新推出的精密電感器SEN—R65作為磁傳感器，匹配專用驅(qū)動(dòng)IC 芯片，通過(guò)STC 單片機(jī)對(duì)傳感電路進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)采集，開發(fā)小型弱磁矢量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用脈沖周期直接數(shù)字檢測(cè)的方法獲取磁場(chǎng)的特征信號(hào)，省去了信號(hào)調(diào)理和傳感器與處理器之間的A/D轉(zhuǎn)換，具有體積小、功耗低、分辨率高、線性度好等特點(diǎn)。

1 磁場(chǎng)探測(cè)的基本原理

磁場(chǎng)探測(cè)的工作電路如圖1 所示，包括正向和反向測(cè)量的LR 振蕩電路，該電路由偏置電阻器、施密特觸發(fā)器、電感傳感器組成。電路上電后，施密特觸發(fā)器輸出高電平，經(jīng)電感傳感器和電阻器接地，啟動(dòng)正向測(cè)量。電阻器上的分壓逐漸升高，當(dāng)A 點(diǎn)的電壓高于斯密特觸發(fā)器的閾值電壓時(shí)，觸發(fā)器反轉(zhuǎn)。電感傳感器的儲(chǔ)能開始釋放，A 點(diǎn)漸變?yōu)榈碗娖?，如此反?fù)形成一個(gè)基于LR 的振蕩電路，振蕩的周期直接取決于電感和電阻的大小。反向測(cè)量與正向測(cè)量的過(guò)程類似，但電流流經(jīng)傳感器的方向相反。

圖1 LR 振蕩電路Fig 1 LR oscillation circuit

圖2 顯示振蕩電路中B 點(diǎn)和A 點(diǎn)的電壓變化過(guò)程，B點(diǎn)輸出信號(hào)的周期將被專用IC 以數(shù)字化方式進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)電感式傳感器的感量受外界磁場(chǎng)影響發(fā)生變化時(shí)，輸出點(diǎn)振蕩信號(hào)的周期將發(fā)生變化。對(duì)于具體的傳感器，感量的大小直接由總磁場(chǎng)強(qiáng)度決定?？偞艌?chǎng)的大小為

式中 HE為外界磁場(chǎng)，電流I 產(chǎn)生的磁場(chǎng)為k0I，其中，k0為一個(gè)由傳感器材料決定的常數(shù)。

圖2 振蕩電路波形圖Fig 2 Oscillation circuit waveform figure

當(dāng)外界磁場(chǎng)為零時(shí)，電感式傳感器的感量取決于流過(guò)電流的大小，正、反向測(cè)量時(shí)A 點(diǎn)的振蕩周期相同，如圖3(a)所示。當(dāng)傳感器受外界磁場(chǎng)影響時(shí)，正向總磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，正向測(cè)量時(shí)，A 點(diǎn)振蕩周期τP增加;反向測(cè)量時(shí)，振蕩周期τN減小，如圖3(b)所示。通過(guò)對(duì)正、反向振蕩周期的差分處理，可以消除傳感器自身磁場(chǎng)的影響，獲得與外界磁場(chǎng)HE呈比例的數(shù)字信號(hào)。

圖3 A 點(diǎn)振蕩周期變化曲線Fig 3 Oscillating period variation curve of point A

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

弱磁矢量檢測(cè)系統(tǒng)如圖4。選擇PNI 公司設(shè)計(jì)的專用芯片3D MagIC 外接三只SEN—R65 電感傳感器，3D MagIC直接數(shù)字測(cè)量正、反向振蕩信號(hào)的周期，差分后獲得外界磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，通過(guò)SPI 總線接口傳送給單片機(jī)STC12LE2052AD。與此同時(shí)，單片機(jī)也可以對(duì)3D MagIC 進(jìn)行初始化和參數(shù)配置。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Structure of system hardware

測(cè)量結(jié)果經(jīng)單片機(jī)讀出并打包處理后，通過(guò)RS—232 接口上傳給計(jì)算機(jī)。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，為減少磁場(chǎng)梯度的影響，三只傳感器的位置盡可能的接近。三只磁軸要形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交基，避免降低系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2.2 程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括底層單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)界面程序設(shè)計(jì)。

底層單片機(jī)程序采用C 語(yǔ)言編寫，中斷方式分別驅(qū)動(dòng)X，Y，Z 傳感器進(jìn)行測(cè)量。以X 單軸傳感器的測(cè)量為例，其工作過(guò)程如下:單片機(jī)置位片選SSN 引腳信號(hào)為低電平，選中對(duì)應(yīng)的3D MagIC;然后向3D MagIC 發(fā)送命令字0x01，3D MagIC 檢測(cè)到0x01 信號(hào)后，啟動(dòng)X 軸測(cè)量;測(cè)量結(jié)束后3D MagIC 自動(dòng)將DRDY 引腳設(shè)為高;當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到DRDY 的高電平時(shí)，響應(yīng)中斷，先將SSN 引腳設(shè)為低，再?gòu)腗ISO 引腳讀取已經(jīng)準(zhǔn)備好的24 位補(bǔ)碼形式的數(shù)據(jù)，并予以保存。Y，Z 軸傳感器工作過(guò)程與X 軸傳感器類似。單片機(jī)將9 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，加上0x33 起始字節(jié)，構(gòu)成一個(gè)10 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)包，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

上位機(jī)界面是用Microsoft 基本類庫(kù)(MFC)［11］實(shí)現(xiàn)的，MSComm 控件讀取了下位機(jī)傳上來(lái)的數(shù)據(jù)。在使用MSComm 控件開發(fā)通信程序時(shí)，采用了事件驅(qū)動(dòng)法，以便MSComm 控件在接收到數(shù)據(jù)事件發(fā)生時(shí)能及時(shí)響應(yīng)并獲取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。微機(jī)接收到從單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳遞的10 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，剔除0x33 的起始字節(jié)，依次取出X，Y，Z傳感器對(duì)應(yīng)的24 位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，由三個(gè)不同的數(shù)組保存，同時(shí)使用Mschart［12］控件在界面窗口中實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析和標(biāo)定［13～16］在屏蔽筒中完成。為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，先采用16 A 的大電流對(duì)磁屏蔽筒進(jìn)行消磁，使剩磁小于2 nT。屏蔽桶內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)由恒流源控制亥姆赫茲線圈產(chǎn)生，誤差小于2 nT。

3.1 分辨率分析

如上述分析可知，3D MagIC 對(duì)振蕩周期進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，測(cè)量的周期數(shù)越多，平均誤差越小，理論上的分辨率越高。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，隨著測(cè)量周期數(shù)的增加，電感傳感器的功耗增加，噪聲增大，線性度劣化。為了獲得最佳分辨率，需要對(duì)測(cè)量周期數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置。

實(shí)驗(yàn)中，將測(cè)量周期數(shù)從160 到220 分別設(shè)置，增量為10，測(cè)得不同設(shè)置值時(shí)的分辨率，采用Origin 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得X，Y，Z 軸傳感器的周期數(shù)與分辨率的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 三軸分辨率實(shí)驗(yàn)Fig 5 Three axis distinguishability experiment

從圖5 可以看出:隨周期數(shù)增加，分辨率變高。但當(dāng)振蕩周期數(shù)小于150 或者大于220 時(shí)，弱磁探測(cè)系統(tǒng)線性度急劇劣化，甚至出現(xiàn)隨機(jī)跳變現(xiàn)象。上述情況下線性度劣化的原因在于:當(dāng)周期數(shù)過(guò)低時(shí)采樣頻率低，測(cè)量噪聲大;而周期數(shù)過(guò)高時(shí)，傳感器上功耗越大，器件的非線性誤差增加，故周期數(shù)一般不能小于150 或者大于220。實(shí)驗(yàn)測(cè)得:當(dāng)X，Y 軸磁傳感器振蕩周期數(shù)配置為215 時(shí)，對(duì)應(yīng)的分辨率達(dá)到15.57 nT，接近PNI 磁傳感器的理論精度15 nT。Z 軸磁傳感器振蕩周期數(shù)配置為215 時(shí)，對(duì)應(yīng)的分辨率達(dá)到15.38 nT。因此，將系統(tǒng)的測(cè)量周期數(shù)配置在215 時(shí)，可以獲得最佳的測(cè)量精度。

3.2 磁傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析傳感器的工作特性，將各軸傳感器的測(cè)量周期數(shù)配置為215，采用LabVIEW 來(lái)控制Keithley 2 612B數(shù)值源表，使驅(qū)動(dòng)亥姆赫茲線圈產(chǎn)生均勻變化的磁場(chǎng)，激勵(lì)參數(shù)為2.6 nT/μA，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率和線性度進(jìn)行標(biāo)定。

將X，Y，Z 軸加載電流與實(shí)測(cè)的相對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度值用Origin軟件進(jìn)行直線擬合，如圖6 ～圖8，其中，(a)圖分別表示探測(cè)系統(tǒng)X，Y，Z 軸相對(duì)磁場(chǎng)大小與驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系，斜率分別為154，146.92，157.30，線性相關(guān)系數(shù)分別為－0.999 7，0.999 6，－0.999 8，說(shuō)明X，Y，Z 軸相對(duì)磁場(chǎng)大小與驅(qū)動(dòng)電流之間完全線性相關(guān)，是函數(shù)關(guān)系;(b)圖分別表示探測(cè)系統(tǒng)X，Y，Z 軸磁場(chǎng)偏差與驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系，最大的磁場(chǎng)偏差分別為1.75，1.8，1.5，換算為磁場(chǎng)大小為32.27，33.19，27.66 nT。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于PNI 磁傳感器的小型弱磁矢量檢測(cè)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的檢測(cè)原理。利用標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，在屏蔽筒中對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的線性度和分辨率進(jìn)行了標(biāo)定，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)配置，獲得15.38 nT 的高分辨率。整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、功耗低、分辨率高、線性度好的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)測(cè)量、電子羅盤制作、生物監(jiān)測(cè)、磁定位等方面。

圖6 X 軸線性分析Fig 6 Linear analysis of X axis

圖7 Y 軸線性分析Fig 7 Linear analysis of Y axis

圖8 Z 軸線性分析Fig 8 Linear analysis of Z axis

［1］ Mahdi A E，Panina L，Mapps D.Some new horizons in magnetic sensing:High T_SQUIDS，GMR，and GMI materials［J］.Sensors and Actuators A，2003，105:271－285.

［2］ Lenz J E.A review of magnetic sensors［C］∥Proceedings of the IEEE，1990:973－989.

［3］ Gupta Sukirti.Simulation and optimization of micromachined magnetic fluxgate sensors［D］.Cincinnati:University of Cincinnati，2002.

［4］ 郭家玉，倪化生，孔德義，等.三維方向磁傳感器的電路設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)，2008(9):65－68.

［5］ 王永龍，楊 衛(wèi)，石云波，等.基于磁阻傳感器的弱磁信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(1):69－71.

［6］ 曹益平，李路明，霍雷亮.三維微型弱磁測(cè)量系統(tǒng)的研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005(12):52－54.

［7］ 高 峰，張 合.基于單片機(jī)的三維地磁探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(9):181－184.

［8］ Lenz James，Edelstein Alan S.Magnetic sensors and their applications［J］.IEEE Sensors Journal，2006，6(3):631－649.

［9］ 馬學(xué)東，吳傍斌，林培立，等.基于PNI 傳感器的電子指南針［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011(12):181－183.

［10］Hu Chao，Meng Max Q H，Mandal Mrinal.The calibration of 3－axis magnetic sensor array system for tracking wireless capsule endoscope［C］∥Proceedings of the 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，Beijing，China，2006.

［11］陳 眾，方 璐.VC 環(huán)境下小型工業(yè)監(jiān)控軟件的開發(fā)［C］∥計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2000，8(5):33－36.

［12］魏慶勇，王陽(yáng)明，陳久康.VC 環(huán)境下工業(yè)監(jiān)控軟件趨勢(shì)曲線顯示畫圖的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電一體化，2001(6):62－64.

［13］葛麗麗，王勁東.高性能三分量磁阻磁強(qiáng)計(jì)［C］∥第二十四屆全國(guó)空間探測(cè)學(xué)術(shù)交流會(huì)，西安，2011.

［14］Bonnet Stephane，Bassompierre Cindy，Godin Christelle，et al.Calibration methods for inertial and magnetic sensors［J］.Sensors and Actuators A，2009，156:302－311.

［15］Vǒelák J，Ripka P，Kubik J，et al.AMR navigation systems and methods of their calibration［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2005，123－124:122－128.

［16］Lassahn M P，Trenkler G.Vector calibration of 3D magnetic field sensor arrays［J］.IEEE Transaction on Instrumentation Measurement，1995，44(2):360－362.