霍尼威尔磁阻传感器及其应用

2006-05-07 15:49:31来源: 国外电子元器件

磁阻传感器早在大约2000年前就开始使用,最早的磁阻传感器是一块有磁极的磁石,人们用它来在无航道的大海上指示方向。然而,直到20世纪,磁阻传感器技术虽已具有更高的灵敏度、更小的尺寸和与电子系统更好的兼容性,但它仍然主要使用于航海中。随着现代科学技术的发展,各种各样的磁阻传感器不仅可以测量来自地球磁场的存在、强弱和方向,而且可以测量来自永磁体、软磁体、车辆移动、脑电波的活动以及电流所产生的磁场。由于磁阻传感器可以不经过物理接触就能测出它们的特性,因此,磁阻传感器变成了许多工业和航海控制系统的“眼睛”。

1 霍尼威尔公司的磁阻传感器

霍尼威尔磁阻传感器一般由四个磁阻组成惠斯电桥,其供电电源为Vb。当电阻中有电流流过时,在电桥上便施加一个偏置磁场H,这将使得两具相对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;另外两个相对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,便可在线性区域输出和外加磁场成正比的信号。霍尔威尔公司的HMC系列磁阻传感器主要有以下特性:

●磁场范围宽,其磁场测量范围高达±6高斯;

●把一维和二维传感器结合在一起可进行三维测量。其中,一维磁场传感器采用8脚SIP、8脚SOIC和8脚DIP塑料封装形式,二维磁场传感器采用16脚和20脚SOIC封装;

●结构可靠;

●集成度高,片内集成了霍尼威尔公司取得专利的置位/复位技术,因而可以减少温度漂移、非线性及在高磁场环境中对输出信号造成的影响。而片内偏置电路则可消除磁场失真的影响。HMC系列磁阻传感器的主要型号如表1所列,图1所示是其中6种型号的引脚排列和定义。

表1 HMC系列磁阻传感器的主要型号

产品型号 可测量维数 灵敏度 封装类型
HMC1001 1 3mV/V/G 8脚SIP
HMC1002 2 3mV/V/G 20脚SOIC
HMC1021D 1 1mV/V/G 8脚DIP塑封
HMC1021Z 1 1mV/V/G 8脚SIP
HMC1021S 1 1mV/V/G 8脚SOIC
HMC1022 2 1mV/V/G 16脚SOIC

2 智能数字磁场计HMR2300

2.1 特点

HMR2300是霍尔威公司生产的智能数字磁场计。其主要特点如下:

●自带微处理器;

●成本低,使用方便,支持即插即用;

●量程为±2高斯,分辨率达67微高斯;

●采样速度可选(10~154采样点/秒);

●可进行三轴数字输出(BCD码、ASCII码或二进制码);

●具有9600或19.2波特率;

●带有符合RS-485接口的标准总线,可连接多个单元;

●符合RS-232标准,可进行单点读数。

    2.2 输入命令

三轴智能数字磁场计HMR2300可用来检测磁场的强度和方向,并可与计算机直接通讯以输出X、Y、Z三个轴分量。HMR2300采用三个独立的桥路来定向检测磁场的X、Y、Z在个分量,电桥输出端相应电压的变化可通过一个16位AD转换器转换为数字量。可输入命令组态数据(包括采样速率、输出格式、平均读数和零点偏移)。可利用电路板上的EEPROM来存储任意一项组态变化以便为下一次通电作准备。HMR2300的其它输入命令包括波特率设置、装置的ID号码设置和系列号码设置等,同时可选择50Hz和60Hz数字滤波器来抵消环境磁场造成的干扰。

HMR2300可以通过简单的命令与磁场计进行通讯,这些命令可通过标准键盘和任何通讯软件(如Windows中的超级终端)输入。表2为HMR2300的输入命令集。

表2 HMR系列智能磁阻传感器输入命令集

命  令 输   入 响  应 解    释
格式 *ddA
*ddB
ASCII ON
二进制 ON
ASCII输出读数BCD ASCII格式(出厂时默认)
输出格式为带符号的16位二进制数
输出 *ddP
*ddC
ESC
(X、Y、Z读数)
(X、Y、Z数据流)
(数据流停止)
输出一采样点的数据(出厂时默认)
按固定采速率连续输出数据
停止连续采样
采样速率 *ddR=nnn OK 设置采速率:nnn=10,20,25,30,40,50,60,100,123,154
点/秒(出厂时默认为20bps)
置位/复位模式 *ddT
SPACE
S/R ON或S/R OFF
SET
RST
ON:自动的S/R脉冲(出厂时默认)
OFF:手动的S/R脉冲
空格键:单一形式的S/R:SET为置位脉冲
                       RST为复位脉冲
装置的ID号 *99ID
*ddWE*ddID=nn
ID=nn
OK
读装置的ID号(出厂时默认ID=00)
设置装置的ID,nn可从00至98
波特率 *ddWE
*99!BR=F
OK
波特率=9600
OK
波特率=19200
设置波特率为9600bps(出厂时默认)
设置波特率为19200bps
零点读数 *ddZR 零点ON后零点OFF 零点读数将存储现有读数,将其作为反向偏置,读取输出零磁场;下一次ZR命令将关闭这一命令(出厂时默认设置为OFF)
平均读数 *ddV 平均值ON或平均值OFF 按下式对当点X(N)进行平均:Xavg=X(N)/2+X(N-1)/4+X(N-2)/8+X(N-3)/16+...每次输入该命令将执行与上一次相反的命令(出厂时默认设置为OFF)
询部设置 *ddQ   读设置参数(ASCII、POLLED、S/R ON、ZERO OFF、AVG OFF、ID=00、20bps)
注意:1.所有输入必须带回车,大小字母均接受,器件编号是十进制数00到99,99是通用编号,对所有器件均起作用;2.只有当COM设置为9600或19200波特率、1位停止位、无奇偶校验以及8位时,HMR2300才会响应。

2.3 数据格式

HMR2300的X、Y、Z三轴输出均为16位数字量,输出数据格式可以是带符号的16位数(符号位+15位数字),也可以是BCD ASCII码。通过“ddA”命令可选择ASCII格式;而通过“ddB”命令则可选择二进制格式。

按二进制格式输出的顺序是:X hi、X lo、Y hi、Y lo、Z hi、Z lo、回车。二进制格式只需传输7个字节。而BCD,ASCII格式虽然便于用户理解,但每次读取数据均需传送28个字节,这对采样速率有一跟制,表3所列是几种格式的参数选择方式。

表3 参数选择表

采样速率bps ASCII码 二进制码 F3dB(Hz) 陷波频率(Hz) 命令输入速率(ms)
9600 19200 9600 19200
10 yes yes yes yes 17 50/60 20
20 yes yes yes yes 17 50/60 20
25 yes yes yes yes 21 63/75 16
30 yes yes yes yes 26 75/90 14
40 数据无效 yes yes yes 34 100/120 10
50 数据无效 yes yes yes 42 125/150 8
60 数据无效 数据无效 yes yes 51 150/180 7
100 数据无效 数据无效 yes yes 85 250/300 4
123 数据无效 数据无效 yes yes 104 308/369 3.5
154 数据无效 数据无效 数据无效 yes 131 385/462 3

HMR2300的二进制格式如下:(7字节)

XH|XL|YH|YL|ZH|ZL(cr)

其中:XH表示X轴高字节,带符号;XL表示X轴低字节;(cr)为输入键,二进制码0D。二时制码在显示器上显示的是一些不可辨认的符号,但如果采用计算机进行读数,这种格式则是最佳格式。

ASCII格式如下:(28字节)

SH|X1|X2|X3|X4|X5|SP|SP|SN|Y1|Y2|Y3|Y4|Y5|SP|SP|SN|Z1|Z2|CM|Z3|Z4|Z5|SP|SP

ASCII码在显示器上的显示为可阅读的带符号的十进制数,因此,ASCII码格式对用户读数是最佳格式。

在ASCII格式中,为输入键,其二进制码为0D;SP为空格键,二进制码为20;SN表示符号,如为负,二进制码为2D;如为正,则为20;CM为逗号:如果开始数不为零,其二进制码为2C;如果开始数为零,二进制码为20。

    2.4 输出采样速度及命令开绍

对于不同的输出采样速率,参数选择也有所不同,表3所列为HMR2300的参数选择表。

采样速率可通过“R=”命令在10~154bps之间设定。每一次采样输出的X、Y、Z读数可以采用二进制码或ASCII码输出,并可通过表2来综合选择数据格式和波特率。注意:当HMR2300以较高数据输出速率出现误读数时,可选择较低的数据速率。但用高速采样速率时,建议设置终端优先状态,因为这样可防止换行信号(LF)加入到人站数据中来,但同时它也将延缓数据接收速率,并有可能不能和输入数据流同步。

(1)输入信号衰减

被测的磁信号将根据采样速率的不同产生不同的衰减,表3中间时给出了不同采样速率对应的带宽(定义为3dB点),出厂时设定的20bps,对应的带宽为17Hz。HMR2300内部的数字滤波器包括带阻滤波器和低通滤波器,可以提供线性相应的响应,其传递函数具有陷波点(零点)。

    (2)命令输入速率

HMR2300限定了在不同采样速率下接收命令字节的时间。表3也给出了从发送命令到HMR2300正确地接收到命令的时间。合作键盘输入命令不会存在问题,但如果是从计算机程序中发出的命令,那么,时间过快可能会存在一些问题。

(3)置位/复位命令和平均值命令

置位/复位功能将产生一个4A的脉冲,这相录于100Oe的磁场,该磁场可以使每一个玻膜合金传感器重新确定磁化方向,以提供最大的输出灵敏度。这一电流脉冲由HMR2300内部产生,其典型耗电电流超过1mA,置位/复位命令(*ddT=S/RON)用于触发内部的开关电路以产生置位或复位脉冲。这一功能可用来消耗温度漂移所造成的影响,以保证传感器工作在最敏感的区域,但执行这个功能会带来其它噪声,可用取平均数的命令来消除或减弱(*ddV-AVG=ON)。取平均数功能相当于一个低通滤波器,能减少由于S/R的开关动作和环境磁场干扰产生的噪声,测量磁场强度不需要切换置位/复位电路。一个置位(或复位)单脉冲可将最大的灵敏度输出保持数月甚至数年。如果要关闭这种内部开关功能,可再次执行置位/复位命令(*ddT=S/R OFF)。这时传感器既可接受置位脉冲,也可接受复位脉冲,如果传感器暴露在强磁场下(大于20高斯),那么将需要再次复位以保证获得最大的输出灵敏度。

(4)装置的ID号

设定装置ID号的命令(*99ID=nn)将改变HMR2300的ID号,在执行这条命令之前需先允许写入命令(=ddWE)。在使用RS-485进行通讯时,该命令非常用,因为在网络上有不止一个HMR2300。ID=99是统一地址,可以同时和网络上的所有单元进行对话。

(5)零点读数命令(*ddZR)

该命令可将读取的一个磁场数值存入单片机中,该值将作为一个偏置量在进行以后的读数时被减去。零点读数命令可由另一次*ddZR命令或系统掉电来终止。当需要建立参考方向或在进行异常检测前将磁场调零时,这条命令非常实用。

(6)波特率命令

波特率命令(*dd! BR=F/S)主要用来设置高速(19200bps)或低速(9600bps)波特率。在执行该指令前需先执行写入命令(*ddWE)。

    (7)默认值设置命令和存储设置命令

默认值设置命令(*ddD)可以将HMR2300的所有参数强制设置为出厂参数。执行完该指令后再执行存储参数命令才可永久性地改变。使用存储设置命令(*ddRST)可将所有参数存入EEPROM。

(8)数据通讯

RS232信号是可同时进行单端单方向的发送和接收的全双工通讯信号。它的一路信号从PC(Tx)至HMR(Rx),另一路则从HMR(Tx)至PC(Rx)。当传送逻辑“1”时,Tx线和Rx线将驱动相对于地-7V的电压。而当传送逻辑“0”时,则将驱动+7V电压。由于这种信号的传磅依赖于绝对电压值,同时线路噪声和信号衰减也将使得传输距离受到限制,通常的传输距离为60英尺。

RS485信号是平衡的差动信号。当传送逻辑1时,Tx将比Rx线高1.5V;当传送逻辑0时,Tx将比Rx低1.5V。差动信号传输不是依赖于绝对电压而是依赖于电压差,因此,它将使信号对噪声具有较强的抑制能力。其总线长度可达4000英尺。需要说明的是,因为是平衡接口,因此在总线的两端都要接12Ω的终端电阻。

2.5 HMR2300的应用注意事项

在使用HMR2300时,需要注意以下几点:

(1)镍、铁、钢、钴等铁磁性金属靠近磁场计会造成对地球磁场的干扰,进而影响到X、Y、Z的测量精度。

(2)测量其X、Y、Z磁场必须考虑地球磁场的影响。在地球的不同地方必须考虑到地球场的不同。在南极、北极和赤道地区,地球磁场具有明显的差异。

(3)如将HMR置于10高斯以上的磁场中,则HMR必须去磁,否则将会引起HMR输出超过指标所要求的零磁场输出码而造成严重的零点偏移。

(4)HMR磁场计在测量2高斯以内的磁场时的分辨率为70微高斯。在用计算机软盘存储数据时,磁场强度约为10高斯,即HMR接收杂散磁场干扰的灵敏度比一般磁盘10倍。所以,保护磁场计至少要象保护软盘一样使其远离电机、显示器和磁铁,否则虽然不会象软盘一样把数据抹去,但会记忆这些磁场的干扰并影响精度。

3 典型应用

3.1 磁阻传感器应用电路

图2所示是一个一维恒流源的测量和数字接口电路,其二维恒流源的测量及数字接口电路如图3所示。

图4是一个使用HMC2003磁敏传感器、12位A/D转换器、PIC16C54单片机、RS232接口和置位/复位电路构成的三维磁场测量电路。

3.2 磁阻传历史剧器的置位/复位脉冲电路

磁阻效应传感器的置位/复位电路有多种设计方法,应根据成本预算和实际的磁场分辨率来选择最佳的设计方案。实际上,置位脉冲和复位脉冲对传感器所起的作用基本一样,唯一的区别是输出正负号的不同。进行置位或复位需对玻莫合金薄膜施加3~4A、20~50ns的脉冲电流,置位/复位脉冲宽度为2微秒。该脉冲宽度对整个电源的消耗具有直接的影响。一个单脉冲只能在一个方向驱动。如果用4A的脉冲对传感器进行置位,那么脉冲将下降到零电流以下,任何电流的负脉冲信号都会对传感器“复位”从而影响灵敏度。置位/复位电流脉冲的大小取决于系统的磁噪声灵敏度,如果最小分辨率为100微高斯,通常需要4A的脉冲。

置位/复位引脚的名称是S/R+和S/R-,这是一个简单的金属片,没有极性的区别,其标准阻值为1.5Ω。对于三轴系统,三个金属的串联阻值为4.5Ω。如果同时使用三个轴,金属片应以串联形式进行连接保证三个敏感元件上能够流过相同的电流脉冲。将脉冲驱动电路的内阻设定为0.5Ω可驱动5Ω的负载。用一个3~4A的最小脉冲来驱动一个5Ω的负载所需要的供电电压为15~20V。

图5是一种可在微处理器的控制下产生大于4A的置位/复位强脉冲电路图。利用该电路可在微处理器的控制下产生置位和复位信号以控制HEXFET驱动器(IRF706)的P和N通道。引入TRS和TSR延时的目的是确保在一个HEXFET开通之前使另 个HEXFET闭合,这类似一个先开后保的开关接点。利用这一开关可在4.7μF电容和脉冲输出点之间串接一个500Ω的分压电阻。如果不使用微处理器,也可用时钟信号来触发置位和复位信号。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/sensor/200605/1375.html
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