CN109932670A - 基于上电置位的闭环tmr磁场测量装置 - Google Patents

基于上电置位的闭环tmr磁场测量装置 Download PDF

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基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，包括TMR磁敏传感器、差分转单端芯片、积分电路、V/I转换电路、激励电路、反馈导线。所述反馈导线布置于TMR磁敏传感器下方，且反馈导线所产生的磁场与TMR磁敏传感器的敏感轴相平行；所述TMR磁敏传感器的信号输出端连接差分转单端芯片，差分转单端芯片连接积分电路，积分电路的输出端经V/I转换电路转换后连接到反馈导线，构成闭环回路；所述V/I转换电路包括反馈电阻，用于调节闭环回路中反馈电流的大小；所述反馈导线、V/I转换电路均连接激励电路。本发明装置采用闭环结构，通过设计反馈导线并将其排布在TMR传感器芯片下作为置位和反馈元件，从硬件上对TMR传感器进行磁场补偿，从而抑制传感器磁滞并提高其灵敏度。

Description

基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置
技术领域
本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置。
背景技术
地磁场是一个微弱的矢量场，作为一种存在于地球表面的天然磁源，它的用途非常广泛，在军事和航空等诸多领域有着不可替代的作用。对于微弱磁场测量而言，高精度的磁场测量装置是必不可少的，它主要以磁场传感器为敏感元件并结合相应的信号调理电路制成，因此选择合适的磁场传感器，并设计简单有效的信号调理电路对其进行优化，是研制高性能的磁场测量装置的重要保障。
目前，常用的磁场传感器有各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器、隧道磁电阻(TMR)传感器、巨磁阻抗(GMI)传感器和磁通门传感器等，它们都有着各自的优点，但是就传感器灵敏度而言，TMR传感器有着巨大的优势，例如:多维公司生产的型号为TMR9001的传感器，其灵敏度已经达到300mV/V/Oe，是其它传感器的十倍甚至数十倍。相比而言，高灵敏度的传感器不需要进行信号放大,便能够输出满足电路测量条件的电压信号，这样便能减少传统信号调理电路中放大器噪声的引入，因此若要设计高精度的磁场测量装置，以TMR传感器为敏感元件是一种很好地选择。在实际运用中，以TMR传感器为敏感元件的磁场测量装置往往采用开环结构的信号调理电路，它有着体积小、结构简单等优点，但是TMR传感器由磁性多层薄膜材料构成，该材料的特性决定了它自身存在较大的磁滞，如TMR9001传感器，在±0.5Oe的磁场范围内，其磁滞达到了0.1Oe，这对以它为敏感元件所设计的磁场测量装置的性能有很大的影响，而开环结构的信号调理电路只能对传感器输出信号作简单的处理，却无法解决其磁滞问题。
针对TMR传感器的磁滞问题，现有的抑制方法主要分为两个方面:一是在物理或数学原理的基础上，建立相应的传感器输出磁滞模型，得到该传感器的局部磁滞曲线，然后通过算法对其进行补偿，但是由于传感器个体差异，对不同的传感器需要建立不同的磁滞数学模型，所以该方法不适合批量生产。二是从磁滞产生的内在原因出发，通过研制新型的敏感材料从根本上降低传感器的磁滞或是采用新型的生产工艺来改变磁滞，例如有文献通过研究发现不同的退火温度能改变材料的磁滞，然而上述方法在减小传感器磁滞的同时，往往会造成传感器其它性能的损失。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，该装置采用闭环结构，通过设计反馈导线并将其排布在TMR传感器芯片下作为置位和反馈元件，从硬件上对TMR传感器进行磁场补偿，从而抑制传感器磁滞并提高其灵敏度。
本发明采取的技术方案为：
基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，包括TMR磁敏传感器、差分转单端芯片、积分电路、V/I转换电路、激励电路、反馈导线。
所述反馈导线布置于TMR磁敏传感器下方，且反馈导线所产生的磁场与TMR磁敏传感器的敏感轴相平行；
所述TMR磁敏传感器的信号输出端连接差分转单端芯片，差分转单端芯片连接积分电路，积分电路的输出端经V/I转换电路转换后连接到反馈导线，构成闭环回路；
所述V/I转换电路包括反馈电阻，用于调节闭环回路中反馈电流的大小；
所述反馈导线、V/I转换电路均连接激励电路。
所述反馈导线以PCB布线方式排布于TMR磁敏传感器芯片之下，当给该磁场测量装置上电时，激励电路中会给出一个脉冲电流，对TMR磁敏传感器进行置位，使其输出电压沿固定的输出曲线变化。
所述TMR磁敏传感器经过上电置位后，TMR磁敏传感器的电桥会输出一个与外部待测磁场成正比的电压信号，该电压经积分电路积分后将输出一个逐渐增大的积分电压，积分电压经V/I转换电路进行V/I转换后会产生反馈电流送入反馈导线。
本发明一种基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，技术效果如下：
1、本发明结合TMR传感器利用激励电路产生的置位脉冲控制传感器输出曲线，并通过闭环反馈使传感器工作在一个稳定的零磁场条件下，使传感器输出电压保持在零点，有效抑制了TMR传感器的磁滞问题，提高了传感器的性能。
2、灵敏度可调：通过调节V/I转换电路中反馈电阻R的阻值，可根据实际运用时所需的磁场测量范围自由调节本磁场测量装置的灵敏度大小，若所需的磁场测量范围很小，本装置的灵敏度可以调节到一个极大的值。
3、噪声性能好：本发明使用高灵敏度的TMR传感器为敏感元件，其本身的输出电压信号便能满足后续电路的检测要求，所以省去了信号放大电路，从而避免了放大器噪声的引入；并且本发明的输出电压是由积分电路积分所得，积分电路自身也不会产生噪声；除此以外，本发明采用闭环反馈结构，因此其输出电压灵敏度与传感器自身的灵敏度无关，是由反馈电阻的阻值所决定，因此当该装置灵敏度很大时，经换算后其实际噪声便很小，例如：假设该磁场测量装置的输入噪声为则当灵敏度为50μV/nT时，其理论上的噪声功率谱密度为当灵敏度设置为100μV/nT时，其理论上的噪声功率谱密度便为
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的反馈元件排布图。
图2为本发明的整体结构图。
图3为本发明中V/I转换电路的原理图。
图4(1)为本发明中传感器受到置位脉冲时的工作示意图(置位前)；
图4(2)为本发明中传感器受到置位脉冲时的工作示意图(置位后)。
具体实施方式
基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，包括TMR磁敏传感器1、差分转单端芯片2、积分电路3、V/I转换电路4、激励电路5、反馈导线6。
所述反馈导线6布置于TMR磁敏传感器1下方，且反馈导线6所产生的磁场与TMR磁敏传感器1的敏感轴相平行。在布线前找出TMR磁敏传感器1磁芯的敏感轴方向，然后围绕该敏感轴进行排布，保证反馈导线6与敏感轴相平行且反馈导线中所产生磁场方向相反与敏感轴所受的外部磁场方向相反。当反馈导线中输入反馈电流时，反馈导线中将会产生一个反馈磁场，由于在布线时，反馈导线与敏感轴平行，且反馈导线中所产生磁场方向与敏感轴所受外部磁场方向相反，所以反馈导线中所产生磁场能与敏感轴所受外部磁场相抵消，达到补偿的效果，使传感器的磁芯工作于零场。
所述TMR磁敏传感器1的信号输出端连接差分转单端芯片2，差分转单端芯片2连接积分电路3，积分电路3的输出端经V/I转换电路4转换后连接到反馈导线6，构成闭环回路；
所述V/I转换电路4包括反馈电阻7，用于调节闭环回路中反馈电流的大小。
所述反馈导线6、V/I转换电路4均连接激励电路5。
所述TMR磁敏传感器1为江苏多维科技有限公司生产的型号为TMR9001的传感器，该芯片具有较低的本底噪声且灵敏度达到了300mV/V/Oe。
所述差分转单端芯片2为型号为AD620的差分放大器芯片。
所述积分电路3由型号为OPA4130UA的输入运算放大器芯片组成。
所述激励电路5由型号为REF200的恒流源芯片组成。
所述反馈电阻7的阻值可根据使用需求进行调节，当所需量程为±100000nT时，该电阻的阻值可设置为50Ω；当所需量程为±500000nT时，该电阻的阻值可设置为100Ω。
所述反馈导线6以PCB布线方式排布于TMR磁敏传感器1芯片之下，当给该磁场测量装置上电时，激励电路5中会给出一个脉冲电流，对TMR磁敏传感器1进行置位，使其输出电压沿固定的输出曲线变化。
所述TMR磁敏传感器1经过上电置位后，TMR磁敏传感器1的电桥会输出一个与外部待测磁场成正比的电压信号，该电压经积分电路3积分后将输出一个逐渐增大的积分电压，积分电压经V/I转换电路4进行V/I转换后会产生反馈电流送入反馈导线6。
所述V/I转换电路4包括运算放大器U1、运算放大器U2、反馈电阻7，反馈导线6一端连接反馈电阻7一端、运算放大器U1同相输入端，运算放大器U1反相输入端连接运算放大器U1输出端，运算放大器U1输出端连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接运算放大器U2同相输入端、电阻R2一端，运算放大器U2反相输入端连接电阻R3一端、电阻R4另一端，电阻R4一端连接反馈电阻7另一端、运算放大器U2输出端；反馈导线6另一端接地，电阻R3另一端接地，电阻R2另一端连接积分电路3。
所述激励电路5为一个单稳态电路，用来产生置位脉冲，构成上电置位电路，每次上电时该电路都会产生一个置位脉冲，置位脉冲作用于反馈导线6便会产生一个强磁场对TMR磁敏传感器1进行激励，从而使其输出保持在固定的磁滞回线上。
该磁场测量装置，通过设置V/I转换电路4中反馈电阻7阻值的大小，来控制闭环电路中反馈电流的大小。其转换过程如下：
TMR磁敏传感器1输出电压信号经差分转单端芯片2、并由积分电路3积分后，会输出一个积分电压U0，该电压经V/I转换会产生反馈一个电流I，其大小为：
其中R为V/I转换过程所用的电阻值。
该磁场测量装置，经过置位后，传感器电桥会输出一个与外部待测磁场成正比的电压信号，该电压经积分后将输出一个逐渐增大的积分电压，积分电压经V/I转换后会产生一个反馈电流作用于反馈导线6。经V/I转换电路4输出的电流通入反馈导线6时，反馈导线6中会产生一个反馈磁场BI，其公式如下：
式中，B为偏置电流带通电产生的补偿磁场强度；μ为真空磁导率；I为反馈电流；r为空间某一点到偏置电流带的距离。该磁场会逐步与外部待测磁场相抵消，同时积分输出电压逐渐增大直至饱和，当积分输出电压达到饱和点时，反馈磁场与外部待测磁场完全抵消，此时传感器工作于零场。这样传感器中工作于一个稳定的磁场环境中，从而大幅减小传感器在外磁场环境变化下所产生的磁滞。
该磁场测量装置的输出电压灵敏度能够通过改变V/I转换电路4中反馈电阻7的大小进行调节，但提高磁场测量装置输出电压灵敏度的同时其相应的量程将会减小。由于该磁场测量装置为闭环结构的且采用了积分反馈，因此磁场测量装置最终输出的电压是由积分电路3产生，其电压大小与TMR磁敏传感器1本身的灵敏度无关，并且它的实际输出电压灵敏度可以通过调节V/I转换电路4中的反馈电阻7来改变，原理如下：
假设本发明所设计的磁场测量装置的磁场测量范围为±50000nT，对应的输出电压为±2.5V，反馈导线常数为50mA/GS。则可得磁场测量装置实际电压灵敏度为SN＝2.5V/50000nT＝50μV/nT。
在反馈电路中，反馈导线产生的反馈磁场为：BI＝I/k。其中BI为反馈磁场，I为V/I转换电路所产生的反馈电流，k为本发明设计的反馈导线的线圈常数。而经过V/I转换后，反馈电流可表示为：I＝V0/R,其中V0为积分输出电压，R为V/I转换电路中的反馈电阻。由此可得积分电压V0与反馈磁场BI的关系式：V0＝k·R·BI。又因为该装置采用了闭环结构，当电路平衡时，传感器工作于零磁场，即BI＝BX，所以该磁场测量装置的实际灵敏度为：SN＝k·R，由于反馈导线常数k为定值，所以通过改变反馈电阻R的阻值，可调整信号调理电路的灵敏度。然而增加电阻R，调理电路的输出电压灵敏度会增加，但是输出量程也会随之降低，例如当R＝100Ω时，计算出的电压灵敏度为50μV/nT，对应量程为±50000nT；当R＝200Ω时，电压灵敏度可达100μV/nT，但是量程仅为±25000nT。
实施步骤：
(1)：反馈元件排布，如图1所示，反馈导线6放置于TMR磁敏传感器1芯片底部，反馈导线6其磁场方向与TMR磁敏传感器1的敏感轴方向平行。
(2)：把TMR磁敏传感器1的信号输出端与差分转单端芯片2的输入端相连，通过该模块把TMR磁敏传感器1输出的差分信号转换为单端信号后输出。
(3)：把差分转单端芯片2的输出端与积分电路3的输入端相连，使用积分电路3对输出信号进行积分运算，提高信号输出幅值。
(4)：把积分电路3输出端与V/I转换电路4的输入端相连。使用V/I转换电路4对积分后输出的电压进行处理，通过该电路可以把电路输出电压转换为反馈电流并输入反馈导线6。
(5)：把由单稳态电路组成的激励电路5与反馈导线6相连，构成上电置位电路。当给设备上电时,反馈导线6受到激励电路发出的脉冲信号后会产生一个强磁场，TMR磁敏传感器1受到强磁场的激励其电压输出曲线便会工作于磁滞回线，如图4所示。
(6)：把V/I转换电路4的输入端与反馈导线6相连。使用反馈导线6产生补偿磁场对TMR磁敏传感器1所受的外部磁场进行补偿。反馈电流流入反馈导线6后，导线周围会产生一个补偿磁场，该磁场与TMR磁敏传感器1所受的外部磁场大小相等、方向相反，因此该补偿磁场会与外部磁场相抵消，使传感器工作于一个稳定的磁场环境中，从而大幅减小传感器在外磁场环境变化下所产生的磁滞。

Claims (8)

1.基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，包括TMR磁敏传感器(1)、差分转单端芯片(2)、积分电路(3)、V/I转换电路(4)、激励电路(5)、反馈导线(6)；其特征在于：
所述反馈导线(6)布置于TMR磁敏传感器(1)下方，且反馈导线(6)所产生的磁场与TMR磁敏传感器(1)的敏感轴相平行；
所述TMR磁敏传感器(1)的信号输出端连接差分转单端芯片(2)，差分转单端芯片(2)连接积分电路(3)，积分电路(3)的输出端经V/I转换电路(4)转换后连接到反馈导线(6)，构成闭环回路；
所述V/I转换电路(4)包括反馈电阻(7)，用于调节闭环回路中反馈电流的大小；
所述反馈导线(6)、V/I转换电路(4)均连接激励电路(5)。
2.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：所述反馈导线(6)以PCB布线方式排布于TMR磁敏传感器(1)芯片之下，当给该磁场测量装置上电时，激励电路(5)中会给出一个脉冲电流，对TMR磁敏传感器(1)进行置位，使其输出电压沿固定的输出曲线变化。
3.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：所述TMR磁敏传感器(1)经过上电置位后，TMR磁敏传感器(1)的电桥会输出一个与外部待测磁场成正比的电压信号，该电压经积分电路(3)积分后将输出一个逐渐增大的积分电压，积分电压经V/I转换电路(4)进行V/I转换后会产生反馈电流送入反馈导线(6)。
4.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：所述V/I转换电路(4)包括运算放大器U1、运算放大器U2、反馈电阻(7)，反馈导线(6)一端连接反馈电阻(7)一端、运算放大器U1同相输入端，运算放大器U1反相输入端连接运算放大器U1输出端，运算放大器U1输出端连接电阻R1一端，电阻R1另一端连接运算放大器U2同相输入端、电阻R2一端，运算放大器U2反相输入端连接电阻R3一端、电阻R4另一端，电阻R4一端连接反馈电阻(7)另一端、运算放大器U2输出端；反馈导线(6)另一端接地，电阻R3另一端接地，电阻R2另一端连接积分电路(3)。
5.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：所述激励电路(5)为一个单稳态电路，用来产生置位脉冲，与反馈导线(6)相连构成上电置位电路，每次上电时该电路都会产生一个置位脉冲，置位脉冲作用于反馈导线(6)便会产生一个强磁场对TMR磁敏传感器(1)进行激励，从而使其输出保持在固定的磁滞回线上。
6.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：该磁场测量装置通过设置V/I转换电路(4)中反馈电阻(7)阻值的大小，来控制闭环电路中反馈电流的大小；其转换过程如下：
TMR磁敏传感器(1)输出电压信号经差分转单端芯片(2)、并由积分电路(3)积分后，会输出一个积分电压U0，该电压经V/I转换会产生反馈一个电流I，其大小为：
其中R为V/I转换过程所用的电阻值。
7.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：该磁场测量装置，经V/I转换电路(4)输出的电流通入反馈导线(6)时，反馈导线(6)中会产生一个反馈磁场BI，其公式如下：
式中，B为偏置电流带通电产生的补偿磁场强度；μ为真空磁导率；I为反馈电流；r为空间某一点到偏置电流带的距离；该磁场会逐步与外部待测磁场相抵消，同时积分输出电压逐渐增大直至饱和，当积分输出电压达到饱和点时，反馈磁场与外部待测磁场完全抵消，此时传感器工作于零场。
8.根据权利要求1所述基于上电置位的闭环TMR磁场测量装置，其特征在于：该磁场测量装置的输出电压灵敏度能够通过改变V/I转换电路(4)中反馈电阻(7)的大小进行调节，在反馈电路中，反馈导线(6)产生的反馈磁场为：BI＝I/k，其中，BI为反馈磁场，I为V/I转换电路所产生的反馈电流，k为反馈导线的线圈常数；而经过V/I转换后，反馈电流表示为：I＝V0/R,其中V0为积分输出电压，R为V/I转换电路中的反馈电阻；由此可得积分电压V0与反馈磁场BI的关系式：V0＝k·R·BI；由于该装置采用了闭环结构，当电路平衡时，传感器工作于零磁场，即BI＝BX，所以该磁场测量装置的实际灵敏度为：SN＝k·R，由于反馈导线常数k为定值，所以通过改变反馈电阻(7)的阻值，可调整信号调理电路的灵敏度；然而增加反馈电阻(7)阻值，调理电路的输出电压灵敏度会增加。
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