基于单片机的数字磁通门传感器

[摘 要]：主要研究了一种数字磁通门传感器。这种传感器采用单片机的A／D对磁通门输出信号进行采样。采样后的数据通过串口送给计算机进行运算，并得到最终的输出量。该传感器对地球磁场进行了测量。结果显示：它的误差较小，改善了传统磁通门传感器的温度性能，提高了输出信号的稳定性。 0 引 言 磁通门是一种用于测量微弱磁场（如地磁场）的传感器。它的测量范围为0~10-12T，并能测量磁场分量。特别适用于在高速运动的系统中的测量，可应用于地质探矿、工业探伤、车辆控制、搜查武器以及飞机、卫星、船舰和车辆导航等许多领域。在诸多类型的磁场测量装置中，磁通门是综合性能最好的一种。 磁通门探头的输出主要是激励的二次谐波，需要把它转变成与被测磁场成线性关系的直流电压信号。传统磁通门传感器主要采用模拟电路进行处理，但采用模拟电路的突出问题是电路受温度的影响比较大。在开环方式下，由于铁心磁导率随温度的变化很大，磁通门的灵敏度变化也很大。为了解决该问题，数字磁通门应运而生。数字磁通门就是对磁通门传感器输出信号采样，然后，进行数字信号处理。这样，就可以取代原来的模拟电路，改善传感器的温度性能。国外也有很多这方面的研究，Henriksen采用数字信号处理器（digital signal processor，DSP）进行信号处理，Austert U采用可编程逻辑门阵列（field programming gate array，FPGA）进行信号处理。本文研究采用单片机对磁通门传感器输出信号进行处理，以最大限度降低成本。 1 磁通门原理 1.1 磁通门的输出信号 单铁心磁通门实际上是一个铁心反复工作于饱和状态的变压器。由于单铁心磁通门的变压器效应非常严重，在一般实际应用中多采用双铁心磁通门。双铁心磁通门是由2个参数完全相同的单铁心磁通门将初级线圈反接而成。利用做图法可求出双铁心磁通门输出电压的定性表达式。其磁化曲线可简化为如图1（a）所示的折线（Hs为饱和磁场强度）。给双铁心磁通门的初级线圈通入足以使铁心饱和的交流激励电流时，由于被测磁场Hx的影响，2个线圈中的磁场不相等，其波形如图l（b）历示。损据铁心的特性，它们在相应的次级线圈中产生的磁感应强度也不同，如图1（c）所示。将2个次级线圈顺接，2个测量线圈中的电压如图1（d）所示。最终，得到双铁心磁通门的输出电压波形如图1（e）所示。对该信号进行相敏整流和滤波后，就可得到与被测磁场有关的直流输出电压。 1.2 磁通门处理电路 影响传统磁通门传感器测量精度的主要因素是传感器的零点和灵敏度。一般情况下，零点和灵敏度会随着温度的变化而变化，变化较大时，必须进行温度补偿。如果用A／D对磁通门输出信号进行采样，然后，采用算法对采样信号进行相敏整流，就可以解决这一问题。 2信号采集电路 本文设计了一种数字磁通门。通过串口给单片机发送命令后，单片机的A／D开始对磁通门探头输出的信号进行采样。采样后的数据保存在单片机的RAM内，然后，通过串口传送给PC机。这些数据在PC机内经过处理，就可以得到反映被测磁场大小的数字量。 通过大量的对比分析，最终，采用单片机C8051F064进行采集电路的设计。这个单片机带有2个集成在片上的16位A／D。A／D的转换速率可编程控制，最大能够达到1M／s。单片机具有内部基准。除了256字节的内部数据存储器外，还带有4k的片上外部数据存储空间（XRAM）。支持非侵入式，全速的在线系统调试。 信号的基波频率为3kHz，采样频率为150kHz。对输入信号进行适量放大和中心电平调整后，就可以直接接入一路A／D的输入端进行采样。单片机和PC机的串行通信采用RS-232总线标准接口。考虑到内部时钟不能满足串口通信的需要，在设计中加上了外部的晶振电路。 3数据处理方法 对输入信号进行适量放大和中心电平调整可能给信号叠加直流分量。为了解决这一问题，采用式（3）来处理采样数据。设采样得到的序列为x（n）（n为采样点，p为总共采样的点数），求得所有点的均值，把x（n）减去均值，得到x（n），如图2（a）所示，为了方便绘图，这里，用正弦信号来代替实际采样得到的信号 接着，进行相敏整流。这部分的作用同前面介绍过的磁通门处理电路的作用基本相同。都是在基准信号的前半个周期对信号进行同相放大，在基准信号的后半个周期对信号进行反相放大。不同之处是：前面要处理的信号是模拟信号，现在要处理的信号是数字信号。相敏整流所用的相位基准信号R（n）与激励来自同一振荡器，其波形如图2（b）所示。相敏整流后的信号为H（n），如图2（c）所示。 H（n）=X（n）•R（n） • （4） 相敏整流后的数据必须滤去高频分量，才能得到反映被测磁场强度大小的直流量。这里，采用P个点求和平均的办法。这种方法不仅可以实现对信号的滤波，还能够消除数据采集中的误差。为了保证任何时间输出数字量的一致，p应选择为周期采样点数的整数倍。如图2（d）所示，Y（n）为最终得到的直流电压信号 上述处理办法比较灵活。既可以在计算机中编程来实现，也可在单片机中编程来实现。由于是实验阶段，文中采用前者。 4实验及结果分析 实验时，把磁通门传感器安装在一个水平转台上，让传感器测量地球磁场的水平分量。当传感器测量轴位于东西方向时，被测磁场为零，转台指示0°。把转台旋转到90°，整个测量系统放置在一个温度可调节的实验环境中。调节温度，传感器的输出经上述方法在计算机内处理后见表1。 由表1看出：在0～20°C范围内，输出电压的变化为0．002uT。温度灵敏度为6．7 x10-5uT／°C。已经达到了设计的要求。从0～360°转动水平转台，每10°采集一组数据，共测得36组数据。图3是用MATLAB绘出的0°，60°采样得到的信号。 由图3可看出：实际采样得到的信号同图1（e）有较大的差别。这是因为前面的分析是基于理想状态的。在磁通门实际输出的信号中不只包含偶次谐波。由于2个单铁心磁通门的参数不一致，输出信号中将含有奇次谐波，其中，基波分量最大。0°时，被测磁场最小，基波分量最为明显。当磁通门传感器进行转动时，地球磁场水平分量以正弦函数进行变化。相应的磁通门输出的直流量也以正弦函数进行变化。 采样得到的信号经上述方法在计算机内处理后，就得到了反映被测磁场大小的数字输出量。0°，20°，40°，60°，80°的数据结果见表2。 由表2可看出：实际测得的数据同标准值相比是存在误差的。误差主要来源于2个方面：一是传感器在水平转台上安装时的安装误差；二是传感器本身的零位误差。设实际输出的值为Ym,m为对应的角度。根据式（6）汁算出安装偏差角度β 用β对旋转的角度进行校正后，得到一组新的测量数据Y*。再根据式（7）计算出偏移量γ 式中k为实验中确定的常数，这里，为10。 从表2知，最大误差为0.94uT，相对误差为3.6％。对开开环磁通门来说精度已满足要求。如果要进一步减小误差的话，可以采用闭环电路。将现有的输出通过D/A转换成模拟信号。然后，加上一个积分器，将积分器的输出通过一个电阻反馈到次级线圈中。当反馈电流在次级线圈中产生的磁场正好与被测磁场大小相等方向相反时，积分器输出就是与被测磁场成线性关系的电压信号。采用闭环电路寸，输出灵敏度只与反馈电阻和次级线圈的结构参数有关，输出稳定性高。 5结 论 本文在分析传统磁通门传感器的基础上，采用单片机设计了一种数字磁通门传感器。传统的磁通门传感器受温度的影响较大。采用本文的设计能够很好地解决这一问题。通过测量地磁场的实验说明：除了使用DSP，FPGA外，使用单片机设计数字磁通门也是一种有效的选择。由于单片机价格低廉，产品的成本会极大的降低。针对本文的设计，还可以开展进一步的研究工作。主要是实现在单片机中编写程序和采用闭环电路来提高稳定性，减小误差。