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- 霍尼威爾磁阻傳感器及其應(yīng)用
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/2/20
摘要：介紹了霍尼威爾公司的HMC和HMR系列磁阻傳感器的主要特點和引腳排列，詳細論述了HMR2300磁阻傳器的特點、命令、數(shù)據(jù)格式和應(yīng)用注意事項。最后給出了用霍尼威爾公司磁阻傳感器進行一維和二維恒流源測量和數(shù)字接口的應(yīng)用電路，同時給出了使用HMC2300、ADC、單片機、RS232接口和置位/復位電路構(gòu)成的三維磁場測量電路。
磁阻傳感器早在大約2000年前就開始使用，最早的磁阻傳感器是一塊有磁極的磁石，人們用它來在無航道的大海上指示方向。然而，直到20世紀，磁阻傳感器技術(shù)雖已具有更高的靈敏度、更小的尺寸和與電子系統(tǒng)更好的兼容性，但它仍然主要使用于航海中。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的磁阻傳感器不僅可以測量來自地球磁場的存在、強弱和方向，而且可以測量來自永磁體、軟磁體、車輛移動、腦電波的活動以及電流所產(chǎn)生的磁場。由于磁阻傳感器可以不經(jīng)過物理接觸就能測出它們的特性，因此，磁阻傳感器變成了許多工業(yè)和航�？刂葡到y(tǒng)的“眼睛”。
1、霍尼威爾公司的磁阻傳感器
霍尼威爾磁阻傳感器一般由四個磁阻組成惠斯電橋，其供電電源為Vb。當電阻中有電流流過時，在電橋上便施加一個偏置磁場H，這將使得兩具相對放置的電阻的磁化方向朝著電流方向轉(zhuǎn)動，從而引起電阻阻值的增加；另外兩個相對放置的電阻的磁化方向背向電流方向轉(zhuǎn)動，從而引起電阻阻值減小。這樣，便可在線性區(qū)域輸出和外加磁場成正比的信號�；魻柾柟镜腍MC系列磁阻傳感器主要有以下特性：
●磁場范圍寬，其磁場測量范圍高達±6高斯；
●把一維和二維傳感器結(jié)合在一起可進行三維測量。其中，一維磁場傳感器采用8腳SIP、8腳SOIC和8腳DIP塑料封裝形式，二維磁場傳感器采用16腳和20腳SOIC封裝；
●結(jié)構(gòu)可靠；
●集成度高，片內(nèi)集成了霍尼威爾公司取得專利的置位/復位技術(shù)，因而可以減少溫度漂移、非線性及在高磁場環(huán)境中對輸出信號造成的影響。而片內(nèi)偏置電路則可消除磁場失真的影響。HMC系列磁阻傳感器的主要型號如表1所列，圖1所示是其中6種型號的引腳排列和定義。
表1 HMC系列磁阻傳感器的主要型號
2、智能數(shù)字磁場計HMR2300
2.1 特點
HMR2300是霍爾威公司生產(chǎn)的智能數(shù)字磁場計。其主要特點如下：
●自帶微處理器；
●成本低，使用方便，支持即插即用；
●量程為±2高斯，分辨率達67微高斯；
●采樣速度可選（10～154采樣點/秒）；
●可進行三軸數(shù)字輸出（BCD碼、ASCII碼或二進制碼）；
●具有9600或19.2波特率；
●帶有符合RS-485接口的標準總線，可連接多個單元；
●符合RS-232標準，可進行單點讀數(shù)。
2.2 輸入命令
三軸智能數(shù)字磁場計HMR2300可用來檢測磁場的強度和方向，并可與計算機直接通訊以輸出X、Y、Z三個軸分量。HMR2300采用三個獨立的橋路來定向檢測磁場的X、Y、Z在個分量，電橋輸出端相應(yīng)電壓的變化可通過一個16位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量�？奢斎朊罱M態(tài)數(shù)據(jù)（包括采樣速率、輸出格式、平均讀數(shù)和零點偏移）。可利用電路板上的EEPROM來存儲任意一項組態(tài)變化以便為下一次通電作準備。HMR2300的其它輸入命令包括波特率設(shè)置、裝置的ID 號碼設(shè)置和系列號碼設(shè)置等，同時可選擇50Hz和60Hz數(shù)字濾波器來抵消環(huán)境磁場造成的干擾。
HMR2300可以通過簡單的命令與磁場計進行通訊，這些命令可通過標準鍵盤和任何通訊軟件（如Windows中的超級終端）輸入。表2為HMR2300的輸入命令集。
表2 HMR系列智能磁阻傳感器輸入命令集
2.3 數(shù)據(jù)格式
HMR2300的X、Y、Z三軸輸出均為16位數(shù)字量，輸出數(shù)據(jù)格式可以是帶符號的16位數(shù)（符號位+15位數(shù)字），也可以是BCD ASCII碼。通過“ddA”命令可選擇ASCII格式；而通過“ddB”命令則可選擇二進制格式。
按二進制格式輸出的順序是：X hi、X lo、Y hi、Y lo、Z hi、Z lo、回車。二進制格式只需傳輸7個字節(jié)。而BCD，ASCII格式雖然便于用戶理解，但每次讀取數(shù)據(jù)均需傳送28個字節(jié)，這對采樣速率有一跟制，表3所列是幾種格式的參數(shù)選擇方式。
表3 參數(shù)選擇表
HMR2300的二進制格式如下：（7字節(jié)）
XH|XL|YH|YL|ZH|ZL（cr）
其中：XH表示X軸高字節(jié)，帶符號；XL表示X軸低字節(jié)；（cr）為輸入鍵，二進制碼0D。二時制碼在顯示器上顯示的是一些不可辨認的符號，但如果采用計算機進行讀數(shù)，這種格式則是最佳格式。
ASCII格式如下：（28字節(jié)）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<cr>
ASCII碼在顯示器上的顯示為可閱讀的帶符號的十進制數(shù)，因此，ASCII碼格式對用戶讀數(shù)是最佳格式。
在ASCII格式中，<cr>為輸入鍵，其二進制碼為0D；SP為空格鍵，二進制碼為20；SN表示符號，如為負，二進制碼為2D；如為正，則為20；CM為逗號：如果開始數(shù)不為零，其二進制碼為2C；如果開始數(shù)為零，二進制碼為20。
2.4 輸出采樣速度及命令開紹
對于不同的輸出采樣速率，參數(shù)選擇也有所不同，表3所列為HMR2300的參數(shù)選擇表。
采樣速率可通過“R=”命令在10～154bps之間設(shè)定。每一次采樣輸出的X、Y、Z讀數(shù)可以采用二進制碼或ASCII碼輸出，并可通過表2來綜合選擇數(shù)據(jù)格式和波特率。注意：當HMR2300以較高數(shù)據(jù)輸出速率出現(xiàn)誤讀數(shù)時，可選擇較低的數(shù)據(jù)速率。但用高速采樣速率時，建議設(shè)置終端優(yōu)先狀態(tài)，因為這樣可防止換行信號（LF）加入到人站數(shù)據(jù)中來，但同時它也將延緩數(shù)據(jù)接收速率，并有可能不能和輸入數(shù)據(jù)流同步。
（1）輸入信號衰減
被測的磁信號將根據(jù)采樣速率的不同產(chǎn)生不同的衰減，表3中間時給出了不同采樣速率對應(yīng)的帶寬（定義為3dB點），出廠時設(shè)定的20bps，對應(yīng)的帶寬為 17Hz。HMR2300內(nèi)部的數(shù)字濾波器包括帶阻濾波器和低通濾波器，可以提供線性相應(yīng)的響應(yīng)，其傳遞函數(shù)具有陷波點（零點）。
（2）命令輸入速率
HMR2300限定了在不同采樣速率下接收命令字節(jié)的時間。表3也給出了從發(fā)送命令到HMR2300正確地接收到命令的時間。合作鍵盤輸入命令不會存在問題，但如果是從計算機程序中發(fā)出的命令，那么，時間過快可能會存在一些問題。
（3）置位/復位命令和平均值命令
置位/復位功能將產(chǎn)生一個4A的脈沖，這相錄于100Oe的磁場，該磁場可以使每一個玻膜合金傳感器重新確定磁化方向，以提供最大的輸出靈敏度。這一電流脈沖由HMR2300內(nèi)部產(chǎn)生，其典型耗電電流超過1mA，置位/復位命令（＊ddT=S/RON）用于觸發(fā)內(nèi)部的開關(guān)電路以產(chǎn)生置位或復位脈沖。這一功能可用來消耗溫度漂移所造成的影響，以保證傳感器工作在最敏感的區(qū)域，但執(zhí)行這個功能會帶來其它噪聲，可用取平均數(shù)的命令來消除或減弱（＊ddV-AVG= ON）。取平均數(shù)功能相當于一個低通濾波器，能減少由于S/R的開關(guān)動作和環(huán)境磁場干擾產(chǎn)生的噪聲，測量磁場強度不需要切換置位/復位電路。一個置位（或復位）單脈沖可將最大的靈敏度輸出保持數(shù)月甚至數(shù)年。如果要關(guān)閉這種內(nèi)部開關(guān)功能，可再次執(zhí)行置位/復位命令（＊ddT=S/R OFF）。這時傳感器既可接受置位脈沖，也可接受復位脈沖，如果傳感器暴露在強磁場下（大于20高斯），那么將需要再次復位以保證獲得最大的輸出靈敏度。
（4）裝置的ID號
設(shè)定裝置ID號的命令（＊99ID=nn）將改變HMR2300的ID號，在執(zhí)行這條命令之前需先允許寫入命令（=ddWE）。在使用RS-485進行通訊時，該命令非常用，因為在網(wǎng)絡(luò)上有不止一個HMR2300。ID=99是統(tǒng)一地址，可以同時和網(wǎng)絡(luò)上的所有單元進行對話。
（5）零點讀數(shù)命令（＊ddZR）
該命令可將讀取的一個磁場數(shù)值存入單片機中，該值將作為一個偏置量在進行以后的讀數(shù)時被減去。零點讀數(shù)命令可由另一次＊ddZR命令或系統(tǒng)掉電來終止。當需要建立參考方向或在進行異常檢測前將磁場調(diào)零時，這條命令非常實用。
（6）波特率命令
波特率命令（＊dd! BR=F/S）主要用來設(shè)置高速（19200bps）或低速（9600bps）波特率。在執(zhí)行該指令前需先執(zhí)行寫入命令（＊ddWE）。
（7）默認值設(shè)置命令和存儲設(shè)置命令
默認值設(shè)置命令（＊ddD）可以將HMR2300的所有參數(shù)強制設(shè)置為出廠參數(shù)。執(zhí)行完該指令后再執(zhí)行存儲參數(shù)命令才可永久性地改變。使用存儲設(shè)置命令（＊ddRST）可將所有參數(shù)存入EEPROM。
（8）數(shù)據(jù)通訊
RS232 信號是可同時進行單端單方向的發(fā)送和接收的全雙工通訊信號。它的一路信號從PC（Tx）至HMR（Rx），另一路則從HMR（Tx）至PC（Rx）。當傳送邏輯“1”時，Tx線和Rx線將驅(qū)動相對于地-7V的電壓。而當傳送邏輯“0”時，則將驅(qū)動+7V電壓。由于這種信號的傳磅依賴于絕對電壓值，同時線路噪聲和信號衰減也將使得傳輸距離受到限制，通常的傳輸距離為60英尺。
RS485 信號是平衡的差動信號。當傳送邏輯1時，Tx將比Rx線高1.5V；當傳送邏輯0時，Tx將比Rx低1.5V。差動信號傳輸不是依賴于絕對電壓而是依賴于電壓差，因此，它將使信號對噪聲具有較強的抑制能力。其總線長度可達4000英尺。需要說明的是，因為是平衡接口，因此在總線的兩端都要接12Ω的終端電阻。
2.5 HMR2300的應(yīng)用注意事項
在使用HMR2300時，需要注意以下幾點：
（1）鎳、鐵、鋼、鈷等鐵磁性金屬靠近磁場計會造成對地球磁場的干擾，進而影響到X、Y、Z的測量精度。
（2）測量其X、Y、Z磁場必須考慮地球磁場的影響。在地球的不同地方必須考慮到地球場的不同。在南極、北極和赤道地區(qū)，地球磁場具有明顯的差異。
（3）如將HMR置于10高斯以上的磁場中，則HMR必須去磁，否則將會引起HMR輸出超過指標所要求的零磁場輸出碼而造成嚴重的零點偏移。
（4） HMR磁場計在測量2高斯以內(nèi)的磁場時的分辨率為70微高斯。在用計算機軟盤存儲數(shù)據(jù)時，磁場強度約為10高斯，即HMR接收雜散磁場干擾的靈敏度比一般磁盤10倍。所以，保護磁場計至少要象保護軟盤一樣使其遠離電機、顯示器和磁鐵，否則雖然不會象軟盤一樣把數(shù)據(jù)抹去，但會記憶這些磁場的干擾并影響精度。
3、典型應(yīng)用
3.1 磁阻傳感器應(yīng)用電路
圖2所示是一個一維恒流源的測量和數(shù)字接口電路，其二維恒流源的測量及數(shù)字接口電路如圖3所示。
圖4是一個使用HMC2003磁敏傳感器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、PIC16C54單片機、RS232接口和置位/復位電路構(gòu)成的三維磁場測量電路。
3.2 磁阻傳歷史劇器的置位/復位脈沖電路
磁阻效應(yīng)傳感器的置位/復位電路有多種設(shè)計方法，應(yīng)根據(jù)成本預(yù)算和實際的磁場分辨率來選擇最佳的設(shè)計方案。實際上，置位脈沖和復位脈沖對傳感器所起的作用基本一樣，唯一的區(qū)別是輸出正負號的不同。進行置位或復位需對玻莫合金薄膜施加3～4A、20～50ns的脈沖電流，置位/復位脈沖寬度為2微秒。該脈沖寬度對整個電源的消耗具有直接的影響。一個單脈沖只能在一個方向驅(qū)動。如果用4A的脈沖對傳感器進行置位，那么脈沖將下降到零電流以下，任何電流的負脈沖信號都會對傳感器“復位”從而影響靈敏度。置位/復位電流脈沖的大小取決于系統(tǒng)的磁噪聲靈敏度，如果最小分辨率為100微高斯，通常需要4A的脈沖。
置位/復位引腳的名稱是S/R+和S/R-，這是一個簡單的金屬片，沒有極性的區(qū)別，其標準阻值為1.5Ω。對于三軸系統(tǒng)，三個金屬的串聯(lián)阻值為4.5Ω。如果同時使用三個軸，金屬片應(yīng)以串聯(lián)形式進行連接保證三個敏感元件上能夠流過相同的電流脈沖。將脈沖驅(qū)動電路的內(nèi)阻設(shè)定為0.5Ω可驅(qū)動5Ω的負載。用一個3～4A的最小脈沖來驅(qū)動一個5Ω的負載所需要的供電電壓為15～20V。
圖5是一種可在微處理器的控制下產(chǎn)生大于4A的置位/復位強脈沖電路圖。利用該電路可在微處理器的控制下產(chǎn)生置位和復位信號以控制HEXFET驅(qū)動器（IRF706）的P和N通道。引入TRS和TSR延時的目的是確保在一個HEXFET開通之前使另 個HEXFET閉合，這類似一個先開后保的開關(guān)接點。利用這一開關(guān)可在4.7μF電容和脈沖輸出點之間串接一個500Ω的分壓電阻。如果不使用微處理器，也可用時鐘信號來觸發(fā)置位和復位信號。
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