基于HMC 1053的低频磁场三维时域检测技术

第 2卷 第 3期 2007年 6月 中 国 舰 船 研 究 Vol_2 No．3 Jun．2007 基于 HMC 1053的低频磁场三维时域检测技术 武红斌 易学勤 (电磁兼容性国防科技重点实验 室，湖北 武汉 430064) 摘 要：国内在磁场时域测量方面侧重于单频磁场的测量，宽频磁场三维时域波形的测量研究少见报道。在 三维磁阻传感器 HMC1053的基础上，研制了一种适用于低频磁场的测量装置，可以直接读取空间宽频磁场的 三维时域波形 ，并且设计了适用于 HMC1053的置位／复位电路，提高了仪器的可靠性和准确度。最后对通 电 长直导线周围的磁场进行实验测量，给出了数据和图形。 关键词：低频磁场；宽频 ；三维磁场传感器；时域测试 中图分类号：TM93 文献标识码 ：A 文章编号 ：1673—3185(2007)03—72—06 M easurem ent of Three．dim ensional Tim e Dom ain to the Low Frequency M agnetic Field with HM C 1 05 3 Wu Hong--bin Yi Xue--qin (The National Key Laboratory of Electromagnetic Compatibility，Wuhan 430064，China) Abstract：Study of magnetic field measurement in time domain in China is particularly focused on the single frequency．There are few reports about measurement of magnetic field on broad band three—di— mensional in time domain．This paper introduces the design of a magnetic field measurement apparatus based on HMC1053 technology which was applied to the test of low frequency magnetic field．The ap— paratus can directly display three—dimensional wave of the space magnetic field in time domain．The design of the set／reset circuit for the three--dimensional sensor improves the reliability and the accura-- cy．Experimental data and graphics were obtained by measuring the magnetic field around a live wire． Key words：low frequency magnetic field；broad band；3一axis magnetometer；time domain measure— m ent 1 引 言 军用武器平台，如舰艇 、飞机 、坦克等 ，舱室内 都布置有许多大功率电力电子设备及直流负荷， 这些设备会在舱室有限的空 间产生从直流到数百 千赫兹的低频磁场，而声纳等很多敏感设备就工 作在这个频段，有可能会对声纳等设备的工作产 生不良影响，导致不应有的性能下降或失效。目 前 国内测量磁场 主要是采用频域 的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，这种方 法对观察磁场单个频点的强度的变化很有效，但 看不到磁场整个波形随时问的变化规律。这两种 方法各有作用，在实际工程应用中，如果把磁场的 频谱信号和时域波形对比观察，有助于快速找出 干扰源。但是 ，在 时域磁场测量方面，目前还没有 一 种可以适用于工程应用的方法 。 舱室空间低频三维磁场 的时域波形测量 比较 困难 ，需要解决以下几个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ： 1)舱室中低频设备工作频段不一，且产生的 干扰信号微弱，因此传感器必须具备较宽的频段 和较好的灵敏度。 2)传统的磁场测量方法主要用来测量一维 或二维磁场，而不能直接测量三维磁场。 3)目前磁场测量的结果都是离散的磁场强 度值 ，没有经过后续数据处理 ，使之显示为时域连 续波形 。 针对上述 3个问题，本文采用了国外先进的 磁场传感器技术，设计了一种基于三维磁场传感 器 HMC1053的低频交变磁场时域波形的测量电 路，其传感器体积小，适用于测量舱室狭小空间内 的宽频交变磁场 ；能一次测量空间磁场 3个方 向 收稿 13期 ：2006—11—15 作者简介：武红斌(1980一)，男，硕士。研究方向：电磁兼容测试和电磁兼容故障诊断与排查 E—mail：dch8 14@ yahoo．com．ca 维普资讯 http://www.cqvip.com 笙 塑 垒 簦 茎王坚 堡塑壁 三丝堕垫 型垫 ! 上磁场的叠加值，测量精度、分辨率均较高；通过 设计，可同时对3个测量轴进行置位／复位和桥偏 单片机进行数据处理 ，显示结果为磁场 强度 的时 移干扰补偿。本设计对置位／复位脉冲采用 了微 域波形 。 机控 制 ，因 此 可 以 不 用 考 虑 桥 偏 移 的 影 响。 2 HMC1053磁阻传感器测磁原理 2．1 HMC一维磁阻传感器 HMC(霍尼威尔)磁阻传感器属于薄膜合金 磁阻传感器，其一维磁阻传感器一般由4个相同 的磁阻组成惠斯通电桥，该电桥输出为差分电压， 供 电电源为 ，如图 1所示。 图 1 惠斯通 电桥 电路 当电阻中有电流流过时，由于磁阻由薄膜合金 构成，具有各 向异性 的磁 电阻效应 ，被测磁场 日使 得 2个对角放置的电阻的磁化方向朝着电流方 向 转动，从而引起电阻阻值的增加；另外 2个对角放 置的电阻的磁化方向背向电流方向转动 ，从而引起 电阻阻值减小。这样，在线性范围内，输出电压 与被测磁场强度日成正比，即 Vo 。c H。测量出输 出的差分 电压 的大小，就可以知道磁 场强度的大 小。磁阻传感器的灵敏度一般较高，但是，一维磁 阻传感器只能测量空问一个方 向的磁场 ，只有在事 先知道磁场方向时测量结果才有意义。要使测量 结果精确，必须采用三维磁阻传感器。 2．2 HMC1053三维磁阻传感器 把 3个一维磁阻传感器两两相互垂直地组合 在一起就可以组成一个三维磁阻传感器。图3和 图4分别是霍尼威尔三维磁阻传感器 HMC1053 的原理图和芯片示意 图。图 3中的 out(A)±、out (B)±、out(C)±分别输出3个两两正交的差分 电压，S／R-4-为置位／复位电流带 ，OFF-4-为桥偏移 消除电流带 ，在这两个 电流带上经过适 当的电路 HMC1053的带宽可以达到 5 MHz，测量范围为 ± 6 gauss，分辨率可达 120~guass，并且在强磁场 (>10 Gauss)环境时可以通过置位／复位电路来 重新置位，因此完全满足舱室低频磁场环境的测 量要求 。 VB OFF —— S／wrr- R+ 广——] ⋯ OF F+ ‘ S／ R 图 2 HMC1053原 理图 ((：) (A) (A) (B) 4 3 2 1 B OUT— S，R+ OFF— VB (B) (A，B)(A，B) 图 3 HMC1053芯片示意 图 3 测量装置系统设计 13 O ( U c T ) 14 GND fC) l5 OF (A，B，C) 16 OUT+ rA1 A 系统总体结构框图见图4。其基本构成为三 维磁场传感器、信号处理电路、置位／复位电路等， 其中信号处理电路由放大电路、采样电路和单片 机电路组成。原理为：空间磁场经三维磁场传感 器后变为电压信号，经信号处理电路后送示波器， 信号处理电路 ⋯ _ ⋯ _ ⋯ 。 ⋯ _ ⋯ 。 ⋯ ● ⋯ ● ⋯ _ ⋯ _ ⋯ _ ⋯ _ ⋯ _ ⋯ _ ⋯ 图4 系统结构方框图 ㈣ ㈣ ㈣ l耋㈣ ㈣ ㈣ 维普资讯 http://www.cqvip.com 74 中 国 舰 船 研 究 第 2卷 显示结果为磁场时域波形 ，置位／复位电路使磁场 传感器受到强磁干扰后重新恢复性能。下面将详 细说明信号处理电路、置位／复位电路和软件部分 的设计思路。 3．1 信号处理电路设计 HMC1053输出为三路差分电压信号，分别为 (out(A)+、out(A)一)、(out(B)+、out(B)一)、 (out(C)+、out(C)一)。由于所测磁场信号中包 含的频率从直流到几百千赫兹，因此信号处理系 统选用 的芯片也必须具有相应的带宽。三维磁场 传感器 HMC1053将空间被测磁场转换为 3个相 互正交的电压信号，经各自放大后利用多路模拟 开关和高速采样芯片对每一维磁场转换的电压波 形依次采样，然后送人单片机 80C196KC中。由 于3个电压信号是两两正交，因此可以直接利用 CPU对 3个电压波形的采样值进行矢量叠加，然 后对叠加的结果进行 D／A还原 ，利用示波器就可 以观察所测空间磁场的三维时域波形了。图5为 传感器、放大电路、采样电路及单片机的具体连 接 图。 图5 单片机接口电路 所要测量的磁场为 15 T～0．1 mT，信号非 常微弱，因此良好的放大电路和采样电路设计是 确保精度的关键。图5中采用的 LMV324为四通 道 COMS放 大器 ，在 +5 V下 的增 益 带 宽 为 1 MHz，共模电压输入范围为 一0．2～一0．8 V／ ， 可以提供轨至轨 (ria1．to—ria1)输 出。图中基 准 电 压源 为2．5 V，经计算，放大器的输出与输人 满足关系 Vo =2．5—200 Vi 。而磁场传感器的灵 敏度为 1．0 mV／V／gauss，在 15 T～0．1 mT磁场 下，V； =0．15～1．0 mV，因此该放大电路的优点 在于无论外界磁场的动态范围多大，放大器的输 出 始终可以维持在 2．3～2．5 V之间，输出电 平稳定且便于采样。 设计 中 的采样 部分 是 由多路 模 拟 开关 CD4051和高速模数转换器 ADS800来实现 的。 ADS800是美国BB公司生产的 12位 40 M取样 的 COMS模数转换器 ，它包括 1个 12位量 化器、 宽带跟踪保持放大器、基准电源和三态输 出电路 ， 单一 十5 V供电，输入端可以接成差动输入，也可 以接成单端输入模式，本电路采用单端输入模式。 如图 5中，CD4051的 A、B 2个 端 口分别 接 80C196KC P1口的 P1．7、P1．6，通过 P1．7、P1．6 电平的切换来依次选择采样的是 HMC1053的哪 一 个轴输出的磁场电压。 3．2 置位／复位脉冲电路 磁阻传感器的薄膜合金元件在 ±6 gauss的 量程内对磁场的灵敏度达到 120~gauss，但在受 到强磁场影响(>10 gauss)时输出信号会变坏。 为了达到这一高分辨率，通过装在芯片内部的置 位／复位电流带 ，外加脉冲电流可以重新校准 或反置传感器内的磁敏组件，使磁畴重新向一个 方向对齐，保证了测量的灵敏度和可重复性。这 维普资讯 http://www.cqvip.com 箜 塑 堑壅簦!茎主旦 塑 三 垫 型垫 一————— 一 个过程是纯电子式的，不需外接笨重的线圈。 储，等三路信号同时被采样到时再叠加。这样， 置位／复位电路如图6所示，采用的是微机控 HMC1053的三路输出信号叠加后才不会失真。 制置位／复位，其 中磁场传感器选用 HMC1053， R )和 R (。)是 HMC1053的置位电流带。系统 在 CPU每次重启后都会 自动置位／复位 ，并且 也 支持手动置位／复位。CPU产生置位／复位脉冲 控制 HEXFET驱动器 (IRF7509)的 P沟道和 N沟 道 ，产生 和 ，延 时 的 目的是 确保 在 一 个 HEXFET开通之前另一个 HEXFET闭合，类似一 个先开后合的开关节点。 图 6 置位／复位 电路 正常工作时，CPU的 DO 输出为高电平。当 CPU重启或按下手动置位按钮后，DO。由高电平变 为低 电平，IRF7509P导通 ，IRF7509N截止。 cc经 IRF7509P向 c2充 电，产 生 充 电 电 流 ， ，对 HMC1053进行置位 ；经过充 电延时后，DO。输出电 平 由低 电 平 跳 变 为 高 电 平，IRF7509N 导 通 ， IRF7509P截止，c2通过 IRF7509N向 HMC1053的 R船放电，完成复位。 HMC1053的置位／复位带 电阻范围为 3～6 Q(典型值为 4．5 Q)，该电流带上通过强度为 0．4 ～ 4 A(典型值为0．5 A)、时间为 20～50 ns的电 流时，就可产生使易磁化轴置位／复位的磁场。所 有参数设计均以典型值为参考 ，电压取为 +9 V， 经简化电路计算得到 ，c2为 0．4 F时，通过 R 的 电流 峰 值 为 4 A、持 续 时 间 50 ns以 上 ，， HMC1053可以充分置位／复位。 3．3 软件设计 软件 的第一部分 为初始化 系统 ，包 括系统时 钟、频率、A／D模块 、晶振电路 、复位电路 、看门狗 电路的初始化 、定时器参数及其他中断服务子 程 序的入口设置。软件的第二部分为磁场信号的采 集、处理、输出、显示。通过单片机的 PI．6，PI．7 口对磁场传感器采集的三路信号进行切换模数转 换，将转换后的数据存储、叠加、处理。在数据采 样时，必须采用高速的采样，这样从硬件上使 HMC1053的三路输出可以被同时采样。采样的 信号在处理时，先将三路采样的信号进行编号、存 4 实验测试 4．1 放大电路增益和频响测量 由于运放是平衡输入的，因此在校准运放增 益曲线时需要采用平衡一非平衡转换器。图7采 用的是频响在 20 kHz以下 的平衡一非 平衡 转换 器测量得到的运放增益曲线 ，图 8采用的是频响 在 50 kHz以上 的平衡一非平衡转换 器测量得到 的运放增益曲线(50倍增益对应于 34 dB)。 ∞ 磐 f／Hz 图7 _厂=10 Hz～20 kHz时增益与频率关系 {|Hz 图8 f-20～300 kHz时增益与频率关系 从图 7和图 8可以看出，所设计 的放大电路的 频率响应平坦度非常好，增益误差不超过 l dB。 4．2 磁场测量方法 试验测试方框图如图 9所示 。信号源产生的 信号经低频干扰模拟器放 大 ，产生 1个 大功率 的 电压信号。这个电压信号通过 2根2 I／1长的直导 线施加到2．5 Q、50 W 的负载上，这时，直导线上 便通过有几安培的信号，信号的频率和幅度由信 号源控制 ，另外 用一个真空毫伏 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf GB9B来监控 负载上的电压。由长直导线周围磁场 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 有 ： ： (1) ∞ 弛 弛 ∞ ∞p／褶 维普资讯 http://www.cqvip.com 鱼 主 旦 塑 磁场传感器 HMC1021Z的灵敏度为 = 1mV／V／gauss，设示 波器 上要 显示的 电压为 Vo ， 由于传感器的实际供电电压 I，6为5．04 V，放大电 路的放大倍数 g=50，则 Vo g× X I，6 X B (2) 得到采样显示 的输 出电压与长直导线上电流 的关系为 ： = g × × ×；= × Vb1 0 1T 竹 D (3) 化简得 ： 塑 窒 箜 鲞 时，测量得到的电压值对比如图 10所示。图中从 下到上依次为曲线 B、c、D、E，分别表示导线上电 流为 0．5 A、1 A、2 A、5 A时测量得 到的电压 ，从 图中可以看出，线性度是满足测量的要求的。 V o = 50．41 mV (4) 图 9 试验测试方框图 4．3 测量数据结果 为便于在测量中准确读数，以下表格和图形 中的数据均为峰峰值，当用它们与式(4)的理论 值比较的时候，必须除以2 。 4．3．I 灵敏度测量 1)长直导线上电流 ，=0．2 A，Vo 理论值为 10．8 mV。 表 1 导线上电流 ，=0．2 A时导线周 围磁场对应的电压值 F，HZ V o 。 ／mY F，HZ V o 。／mV F，HZ V。 ／mV 10 33．5 500 32．7 50 k 33．4 2O 33．7 1 k 30．9 1O0 k 31．0 50 100 2 k 34．1 150 k 30．5 l0O 34．6 5 k 33．2 200 k 26．0 200 33．8 10 k 33．9 250 k 25 20 k 31．2 3OO k 25 2)长直导线上电流 ，=0．5 A，Vo 理论值为 25．2 mV。 表 2 导线上电流 ，=0．5 A时导线周 围磁场对应 的电压值 F，HZ V 。 ／mV F，HZ V 。 ／mV F，Hz V o ／mV 10 68 500 72 50 k 72 20 72 1 k 72 100 k 73 50 70 2 k 73．2 1．5 k 74 lO0 7l 5 k 70．8 200 k 57 200 72 10 k 71 250 k 49 20 k 72 300 k 49 4．3．2 线性度测量 直导线上电流分别为 0．5 A、1 A、2 A、5 A 0 l0 000 20 000 30 000 40 000 50000 f／Hz 图 10 电流分别为0．5 A、1 A、2 A、5 A时对应电压 4．3．3 时域测量 1)方波信号磁场测量 图 11～图13是电流为 1 A，频率分别为 100 Hz、200 Hz、500 Hz时的方波。图中横轴均为 1．0 ms每格，纵轴均为50 mV每格。 ’ ： ’ ： ’： 。 。 ． ． ： ■n渤 ∞ 啦 ．．： ． L～ ：一． ⋯¨ ： ： r 一 ，rr — 上i ‘． ．j ： ： ： ⋯’l’I_1 f’： 图11 _厂：100 Hz方波 ： ： ： ： 1 ⋯ ． ． ：．柚 ∞■ 瓤 ．．：．．⋯ l^ 1山 止 一Ij ● ‘ ’ ’ [．■ ：．．t ‘ r1 ． ■^●■ 丘■ _Ll ： 一 ： ： ：一 !’⋯：『 ’ 图 12 _厂：200 Hz方波 2)三角波磁场测量 图 14～图16是电流为 1 A，频率分别为 100 Hz、200 Hz、500 Hz、1 kHz时的三角波。图中横轴 均为 1．0 ms每格，纵轴均为 50 mV每格。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 武红斌等 ：基于 HMC1053的低频磁场 三维时域检测技术 77 ． ． ： 却 呻 ．： ． ～ ^ ．J ： ．‘ ．． ⋯ ⋯ - r I_ ‘． ．iLL ：TT ’l_ ’ ● ● 。 ● _ ： 图 13 _厂=500 Hz方波 ． ’ ’： ’ ： ： ’： 1 ： ． ，∞柏_皇卸 呻 ： ．．． ’ ⋯ ⋯ ． ⋯ ⋯ ： 一 !⋯ ’!’。’!’。： ’： ’ 。。 图 14 _厂：100Hz方波 ． ． ． ’ ． 神 呻 ： ‘ ● ⋯ ． ： ： ⋯ ． ⋯ ． ⋯ ；⋯ ⋯ J 一■．： ⋯ ⋯ ： ⋯’V· ‘‘·· 一 图 15 _厂=200Hz方 波 堪 5 结束语 图 l6 f：100Hz方波 本文介绍了一种磁场时域波形测量装置，给 出了它的单 片机 电路 和置位复位 电路 的设计 方 法 。宽频时域磁场波形的测量在 国内研究得非常 少 ，本文提出的测量方法对此做了有益的尝试 ，具 有重要的工程应用价值。 参考文献 唐统一，张钟华．近代电磁测量[M]．中国计量出版 社 ，1991． 潘启军 ，马伟 明，赵治华．磁场测 量方法 的发展及 应 用[J]．电工技术学报，2005(3)：l7—20． 钱抑德．智能三维磁场探测仪的研制和应用[J]．物 理 实验 ，2004，24(3)：20—22． Honeywell application．HMC1001／1022，2003，46—1126． Application Note—AN21 8．Vehicle Detection Using AMR Sensors，2005 Honeywel1． Honey Patent three dimenstiona1．United States Patent Application，20050145795，207—208． Jaquelin K Spong，Virgil S Speriosu，Robert E Fontanq， et a1． Giant，magnetoresistive spin valve bridge sensor [J]．IEEE Transactions on Magnetics，1996，228，233． 0每 0每 (上接第 68页)尺寸的限制较大，只能用于小 型舰 船 的 RCS模 型 测 试 ，相 对 于 欧 美 发 达 国 家 ，无论是测试 条件 还是 技术 水 平都 有 较大 的 差 距 。 参考文献 [1] E．F．克拉特，等．雷达散射截面——预估、测量和减 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