磁阻传感器在磁三分量测井仪中的应用

2014-11-15禹智慧

电子测试 2014年5期

禹智慧

（河北工业职业技术学院宣钢分院，宣化,075100）

0 引言

磁三分量测井是将磁法勘探和测井勘探相结合的一种有效的勘探方法，根据不同磁性地质体在地磁场中产生不同磁异常为理论基础，在钻孔中沿钻孔方向进行磁场三分量测量，能够较好对磁性岩、矿体周围所产生的磁场强度异常进行空间观测。通过对测量结果分析，推断解释地质体的位置和空间规模，从而验证地面弱磁异常、发现并确定深部矿体产状和规模。

磁阻传感器由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点，有着十分重要的应用价值。

在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。

磁三分量测井仪采用三个正交安装的磁阻传感器，测得与各传感器方向相一致的地磁场强度，与定向传感器配合测量得到北向(Y)—东向(X)—垂直(Z)正交坐标系下的三个磁场分量值。

1 磁阻传感器

磁阻效应(Magnetoresistance Effect)是指材料之电阻随着外加磁场的变化而改变的效应。在铁磁性材料中会发生磁阻的非均质现象（AMR），当沿着一条长而且薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直于电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值会发生变化，这就是磁阻现象。

HMC1022和HMC1021是Honeywell公司基于磁阻现象生产的的固态芯片，具有高可靠性、高灵敏度，高分辨率、抗干扰能力强的特点。HMC1022和HMC1021是由长而薄的镀膜合金薄膜制成磁阻敏感元件，采用标准的半导体工艺，将薄膜附着在硅片上，4个磁阻组成惠斯通电桥。传感器的机构为四臂的惠斯通电桥，将磁场转换成差动输出的电压。在外磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压（OUT＋和 OUT-）的变化，并直接表示磁场的强度。

同时在硅平面上集成了具有专利的2个电流带，一个置位／复位带，用来置位或复位输出的极性可降低温度漂移效应非线性误差和由于高磁场的存在导致的输出信号的丢失；一个偏置带用来产生偏执磁场以补偿环境磁场，可消除硬铁干扰的影响。

HMC1021是一维磁阻传感器，为单边封装（SIP），感应与管脚方向平行的磁场。HMC1022是两维磁阻传感器，内部集成了2个敏感方向相互垂直惠斯通电桥(电桥A和电桥B),电桥A感应与外封装长边方向平行的磁场，电桥B感应与外封装长边方向垂直且与表面平行的磁场,可测量相互垂直的两个方向的磁感应强度信号。

井中三分量磁场测量采用单轴磁阻传感器HMC1021和双轴磁阻传感器HMC1022组合进行测量，从而实现三个相互垂直方向磁场分量测量。

2 系统结构

井中磁三分量测量系统由磁阻传感器、信号采集电路、传感器复位置位电路、电源模块和微控制器组成。磁阻传感器将磁场信号转化为差分电压信号，信号采集电路对传感器输出信号进行处理和采集，微处理器对采集系统进行控制和数据的处理；复位电路用于恢复磁阻传感器在强磁干扰后的灵敏度。框图如下所示：

图1 磁三分量测量系统结构图

3 硬件电路设计

3.1 信号放大电路

在外磁场的作用下，磁阻的变化引起传感器输出差分电压（OUT＋和OUT-）的变化，并直接表示磁场的强度。HMC1021/1022磁场测量范围在-6高斯直6高斯。当桥电压为5V时，输出电压约为-50mV-50mV。由于磁阻传感器输出信号为毫伏级电压信号，因此对磁阻传感器输出的差分电压进行数字化前需进行电压信号进行放大处理。HMC1021和HMC1022输出信号以差分电压方式输出，放大器选择仪表放大器AMP04对磁阻传感器输出信号进行放大。

AMP04是为单电源仪表放大器，通过一个外部电阻设置增益，增益范围为1至1000，增益带宽超过700 kHz，增益非线性达到0.005%，增益温度系数为30 ppm/℃，且具有较高共模抑制比和工作温度范围（40℃-85℃）。因此该器件能够直接连接高阻抗传感器，并适合在测井环境中稳定工作。AMP04对输入信号增益通过外部电阻（Rgain）进行设置，增益值为：

由于磁场具有方向性，磁阻传感器输出电压具有极性，而AMP04工作在单电源条件下，差分输入电压不允许为负值，因此设置偏执电压来兼容输入信号的极性，AMP04的参考电压管脚用来设置偏执电压。AMP04对输入信号增益调整后输出电压为：

在放大电路中增益调节电阻Rgain设置为1.25K，实现80倍增益放大。采用由REF192基准电压源提供2.5V参考电压。则在HMC1021和HMC1022磁场全量程测量范围内对应输出电压信号范围为0.1V-4.9V。

为减少测量系统中的高频干扰，提高测量精度，对AMP04输出的放大信号进行低通滤波，低通滤波的截止频率通过公式计算为：

其中CEXT为外置的电容，在该测量系统中设置CEXT为0.15nF，实现低通滤波的截止频率设置为10Hz。

下图给出单轴磁阻传感器HMC1021输出信号放大电路，双轴传感器HMC1022信号放大电路与HMC1021相同，信号通道增加为2通道。

图2 磁阻传感器信号放大电路

3.2 模数转换电路

根据测量精度、放大信号输出范围和模拟信号输入道数，对放大电路输出模拟信号数字化的模数转换器选择TLC2543。

TLC2543是采用CMOS技12位逐次逼近式模数转换器（ADC），具有11个模拟输入通道，每一路转换时间为10us。磁三分量测量使用其中3个模拟输入通道，剩余通道可供定向、温度等信号采集使用，从而精简电路的结构。TLC2543在+5V工作电压条件下，模拟通道输入电压范围为-0.3V-5.3V，与放大电路输出信号电压范围相兼容。

TLC2543具有3个控制输入：片选（CS）、A/D转换结束标志（EOC）、数据输入线（DATA INPUT），并具有与大多数信号处理器和微控制器的串行接口兼容高速SPI接口，通过CS、I/O CLK、DATA INPUT和DATA OUTPUT四个端口实现与控制器的SPI串口通信，转换后的数据通过DATA OUTPUT输出到微控制器。

DATA INPUT端口与8位串行输入的地址控制寄存器相连，通过该寄存器定义AD转换输入通道、输出位数、输出数据格式。

模数转化通过两个不同的周期连续来实现（I/O周期和转换周期），I/O周期中实现对TLC2543控制字节的写入，并读取上次A/D转换结果。转换周期实现A/D转换。

3.3 微控制电路

控制器采用AVR单片机ATmega16，ATmega16通过SPI串行接口与TLC2543进行串行通讯，TLC2543串行接口（CS、I/OCLOCK、DATA INPUT、DATAOUTPUT）与ATmega16的SPI口的控制线相连，EOC作为查询端口与单片机上一PB2端口相接，便可以实现单片机与A/D转换器之间的数据通讯。通信过程中AT90S8535占据着主设备的地位，TLC2543属于从设备。

ATmega16初始化设置后，通过SPI口向TLC2543发送的控制字，实现对TLC2543控制寄存器编程设置，并将A/D转换之后的数据通过SPI接口发给AVR单片机。由于TLC2543为12位模数转换器（ADC），为便于SPI接口数据传输兼容并不失AD转化的精度，ATmega16对TLC2543进行编程设置其输出ADC位数为16位，数据传输格式为从高位到低位，单极性设置。ATmega16控制器采用内部定时器来控制置位/复位电路对磁阻传感器的输出电压偏置进行更新。置位/复位电路控制信号由ATmega16通用端口PB0和PB1给出。

3.4 置位/复位电路设计

磁阻传感器由于温度漂移效应输出信号存在非线性误差，同时由于高磁场的存在导致磁阻传感器的输出信号的衰变。HMC1022/1021中集成具有专利的置位/复位电流带（S/R），将大电流脉动通过置位/复位电流带就可把磁阻传感器恢复到低噪音高灵敏度的磁场测量状态，同时减少温度漂移、非线性误差等因素导致信号测量误差。

磁阻传感器输出对S/R脉冲响应曲线。当置位电流脉冲Iset加到S/R电流带上输出正斜率响应曲线，当复位电流脉冲Irst被加到S/R电流带上输出负斜率响应曲线，在垂直轴向上存在电桥偏置。因此通过控制器输出的置位信号使置位/复位脉冲电路产生置位电流脉冲Iset施加到S/R电流带上，从而使HMC1022/1021处于置位状态，读取该状态下磁阻输出信号Vset；控制器输出的复位信号产生复位电流脉冲Irst施加到S/R电流带上，使HMC1022/1021处于复位状态，读取该状态下磁阻输出信号Vrst。置位/复位时序如图10。则由于温度漂移等因素导致的磁阻输出信号偏置(OS)按下列公式计算: