一種新型三維磁場傳感器及其性能研究

楊波 張宏杰 趙春陽 李昊天

摘 要：文章特別針對以測量磁場強度為背景，首先介紹了TLV493D-A1B6新型三維磁場傳感器的結構及其工作原理；然后通過搭建實驗平臺和設計新型磁場強度測試電路，具體分析了該新型磁場傳感器的穩定和靈敏等性能；最后闡述了該新型磁場傳感器與單維磁場傳感器相比的技術優勢。

關鍵詞：磁鋼；三維磁場傳感器；磁場信號采集電路；穩定性能；靈敏性能

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：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

在科學研究、醫療、工業生產和日常生活等領域，磁場的應用越來越廣泛，常常起著決定性作用。李潤生等[1]將磁加熱應用在工業生產上的冶金；白城均等[2]研究了磁力軸承在電機上的應用；金紹林等[3]通過磁場的生物學效應研究了磁場在現代骨科領域的應用；馬放等[4]利用磁的吸附能力研究了磁場在污水處理中的應用。

在以上磁場應用的場合中，不僅在方向而且在大小上對磁場強度都有很高的要求。譚穗妍等[5]用相互垂直的3對兩兩配對的集成線性霍爾傳感器搭建成簡式三維弱磁場測量探頭來檢測空間磁場。磁場測量除了以上的霍爾效應法以外還有其他不同的測量方法。張衛東等[6]設計研究了光纖瞬態磁場傳感器，用來檢測瞬態的磁場強度。解偉男等[7]分析研究了基于鈷基非晶材料顯著的巨磁阻抗效應，設計并實現了一種帶有閉環負反饋結構的磁場測量傳感器。

本文采用的磁場測量方法使用的是由德國infineon公司推出的3D Magnetic Sensor TLV493D-A1B6。通過自行設計針對該芯片功能的數據采集軟硬件系統，對該芯片進行了研究。

1 TLV493D-A1B6芯片介紹

該三維傳感器芯片是6引腳芯片，分別是：數據信號線接口（SDA）、時鐘信號線接口（SCL）、電源電壓接口（VDD）、3個接地口（GND）。

（1）SDA和SCL是I2C總線的信號線；SDA是雙向數據線，可以作為輸入口也可以作為輸出口；SCL單向時鐘線，只能作為輸入口。

（2）/INT口是完成測量周期信號的中斷引腳。

（3）電源電壓接口（VDD）的輸入電壓范圍在2.5V～3.5V，為常規輸入電壓。

（4）ADDR是啟動配置傳感器ID引腳。

2 實驗平臺的搭建

2.1 實驗磁場源的選擇

選擇環形磁鋼作為該實驗磁場源，能獲得穩定均勻的磁場。

2.2 數據采集系統的設計

該數據采集系統由AVR單片機、DS1302時鐘電路以及LCD12864顯示屏等組成，其系統結構框圖如圖1所示。

2.2.1 AVR單片機最小系統

AVR單片機采用Flash ROM程序存儲器，擦寫的次數大于1萬次，指令長度單元為16位，具有1KB的片內SRAM數據存儲器，512KB的片內在線可編程EEPROM數據存儲器；采用CMOS技術，內部分別集成Flash、EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲器，可以使用并行方式進行編程，能夠實現在一個時鐘周期里完成一條或多條指令，使指令的平均執行時間減少，從而提高CPU的性能和速度。

2.2.2 上位機USB接口電路設計

上位機USB接口電路，用于實現系統與PC機間的直接數據通訊，以便于計算機對數據大小等進行分析處理。PL2303器件內置USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接電容就能實現數字信號的轉換。

2.2.3 數據檢測電路設計

在磁場強度數據的檢測電路中采用的是高精度TLV463D-A1B6磁場傳感器，它通過水平霍爾探頭和垂直方向霍爾探頭檢測出空間磁場磁場強度。傳感器采集到的數據信息通過3D SDA引腳和3D SCL引腳傳遞給單片機芯片ATMEG16進行數據分析處理。

2.2.4 數據存儲備份電路設計

數據存儲備份電路為TF卡存儲電路，其中TF卡可根據測量需求選擇不同存儲容量（4-32G），負責以SPI總線方式實現多個磁場傳感信息的文本文件存儲，保證檢測數據的實時備份和檢測后數據的讀取。

3 該新型三維磁場傳感器性能研究

本次實驗是在一個水平臺上進行，首先測試該傳感器在室溫下的穩定性能，然后測試其靈敏度。整個的實驗裝置如圖3所示。

3.1 穩定性能研究

在室溫的條件下，調節好探頭電路板水平，此時數據采集系統電路板上顯示屏的X軸值接近于0。

將該三維磁場傳感器放置在磁鋼的磁場范圍內。位置放置準確后將其固定。在室溫的條件下，每天在相同時間段連續記錄顯示屏上的X、Y、Z三軸的數值，每組數據記錄時間間隔隨機，連續記錄5天。

分析該三維磁場傳感器在磁鋼強磁場強度下連續工作的穩定性。隨機抽出一天的數據，使用MATLAB軟件對其數據擬合，可得到三軸數據擬合曲線，如圖4所示。對于X軸，max值與min值的差值≤0.4mT，而且數值的分布大部分穩定在0和0.1mT上。Y軸數據，max值與min值相差≤0.5mT，而且數值的分布集中在3.2mT、3.3mT、3.4mT上。Z軸數據，max值與min值相差≤0.5mT，而且數值集中分布在34.7mT、34.8mT和34.9mT上。

以上實驗說明，該三維磁場傳感器在磁鋼的強磁場強度環境下能夠穩定工作。

3.2 靈敏性能研究

靈敏性能研究，主要是對該三維磁場傳感器在磁鋼的磁場環境中，當探頭芯片發生很小的位置變化時，能否檢測出位置的微小變化。

3.2.1 實驗臺搭建

實驗裝置如圖6，實驗裝置的組成部件：二維直線導軌（驅動器、24V電源、雙軸運動控制系統、兩相步進驅動器）、磁鋼、磁鋼載體架、三維磁場傳感器及其數據采集電路（含顯示屏）。

3.2.2 實驗步驟

在一個水平平臺上，三維磁場傳感器放置于與磁鋼軸線垂直的中間位置，與軸線距離合適，然后垂直向上每移動2mm的距離，每次移動后記錄三維磁場傳感器X、Y、Z方向的值，每次記錄10組數據，在這個方向上共移動5次，共移動了10mm。

3.2.3 實驗數據處理與分析

通過對縱向位置和橫向位置的改變共得到30組X、Y、Z的三軸實驗數據。利用數據分析軟件將各組X、Y、Z軸的值分別求平均值，求完平均值后對X、Y、Z軸分別進行合成，這樣就得到了30個X、Y、Z三軸的合成值，如表1、2所示。

由表1可知，在越接近磁鋼時，磁場強度越大，而且在垂直軸線方向上移動2mm時，數據變化更加明顯，但是相對于表1的數值分別在垂直磁鋼軸線方向上求其變化率，如表2所示，可以看到變化率相差不大，所以該三維磁場傳感器靈敏度高，而且穩定性能好。

4 結束語

通過以上實驗得出：

（1）在室溫條件下，該新型三維磁場傳感器放于磁鋼的磁場強度環境中，連續工作時在X、Y、Z三軸都能保持很好的穩定性。

（2）在磁鋼磁場中的合適范圍內，縱向移動2mm的位置，該三維磁場傳感器都能靈敏檢測出移動后不同位置X、Y、Z三軸的磁場強度。

（3）通過對TLV493D-A1B6三維磁場傳感器的性能研究，該傳感器能夠廣泛應用于對各種磁場源的空間磁場測量，也可以用來設計開發高性能磁場檢測儀，有著廣泛的應用背景。

參考文獻：

[1]潘啟軍，馬偉明，趙治華，等.磁場測量方法的發展及應用[J].電工技術學報，2005，20（3）：7-13.

[2]姜智鵬，趙偉，屈凱峰.磁場測量技術的發展及其應用[J].電測與儀表，2008，45（4）：1-5.

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[4]柴秀麗，張延宇.巨磁阻抗磁傳感器研究進展[Z].

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