三轴高精度磁阻磁强计的设计

三轴高精度磁阻磁强计的设计
朱立超;罗志会;潘礼庆
【摘要】针对隧道磁电阻传感器存在噪声过大的不足,采用锁相放大技术,对隧道磁电阻传感器输出信号的噪声进行抑制,设计了弱磁信号调理板和24位高精度模数转换板,并开发了基于LabVIEW的多功能可视化系统软件.通过实验测试,该磁阻磁强计的探测精度可以达到亚nT级.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2018(000)007
【总页数】4页(P29-32)
【关键词】隧道磁电阻传感器;弱磁场检测;锁相放大;可视化系统
【作者】朱立超;罗志会;潘礼庆
【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌 443002;湖北省弱磁探测工程技术研究中心,湖北宜昌 434002;湖北省弱磁探测工程技术研究中心,湖北宜昌434002;三峡大学理学院,湖北宜昌 443002;湖北省弱磁探测工程技术研究中心,湖北宜昌 434002;三峡大学理学院,湖北宜昌 443002
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
0 引言
磁阻磁强计的前端敏感元件是磁电阻传感器，随着电子行业的飞速发展，磁电阻传
感器已经由各项异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)传感器和巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)传感器发展到了隧道磁电阻(tunnel magnetoresistance，TMR)传感器[1]。

与AMR传感器和GMR传感器相比,TMR传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点[2-3]。

具体参数如表1所示。

虽然隧道磁电阻传感器的灵敏度非常高，但是其噪声非常大。

针对隧道磁电阻传感器这一不足，采用锁相放大技术对传感器输出信号进行调理，提高信噪比[4]。

通过综合考虑微弱磁场探测的实际需求以及工艺制造难度和成本的高低，基于三轴线性传感器TMR2305设计了一套高精度磁阻磁强计。

采用锁定放大技术对噪声进行抑制，设计了基于FPGA的高精度模数转换电路并开发了系统软件。

表1 磁电阻传感器技术指标的比较传感器尺寸/mm功耗/mA灵敏度/(mV·V-1·Oe-1)AMR1×11～101GMR2×21～103TMR0.5×0.50.001～0.0120
传感器磁场范围/Oe分辨率/mOe信噪比/dB温度特性/℃AMR0.001～
100.165<150GMR0.1～30280<150TMR0.001～2000.190<200
1 传感器内部结构和测量原理
1.1 隧道磁电阻传感器
TMR2305由3个独特的推挽式惠斯登全桥组成[5]，图1是一个典型的MTJ推挽半桥传感器结构。

沿传感器的法线旋转180°排列的2个MTJ磁电阻构成了半桥结构，其中Vbias为偏置电压、Vout为中心点电压，稳恒电压Vbias施加于Vbias 端和GND端。

2个磁电阻随着外界磁场有着相反的响应(一个阻值增加，另一个阻值降低)，这极大增加了TMR传感器的灵敏度。

图1 MTJ推挽半桥传感器结构
TMR2305的各个电桥的感知方向两两垂直，每一轴通过差分电压输出。

TMR2305采用的是LGA形式封装，其技术指标如表2所示。

表2 TMR2305技术指标参数描述参数值单位参数描述参数值单位工作电压1～
7V饱和磁场±10OeX轴灵敏度25mV/V/Gs非线性度2%Y轴灵敏度
25mV/V/Gs本底噪声2nT/HzZ轴灵敏度25mV/V/Gs封装尺寸5×5×2.5mm工作电流0.3mA
1.2 锁相放大原理
锁相放大技术是微弱信号检测最有效的手段。

锁相放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器(PSD)和低通滤波器(LPF)等几部分构成[6]。

其原理图如图2所示。

图2 锁相放大原理
传感器输出的信号十分微弱，该微弱信号在信号通道中经过低噪声前置放大、滤波处理后，尽可能地抑制外界噪声，然后进入PSD进行相敏检测。

参考信号在参考
通道中经触发、移相等操作，使之和有用信号同频同相位。

相敏检波器以参考信号x(t)为基准，对有用信号r(t)进行相敏检测，从而将频谱迁
移到ω=0处，然后经过低通滤波器滤除噪声。

其输出uo(t)对x(t)的幅值和相位
都很敏感，从而达到了鉴幅又鉴相的目的，所以可使锁相放大器达到较大的SNIR，在噪声比信号强千倍时仍然可以将信号检测出来，灵敏度可以超过μV。

2 三轴磁阻磁强计
三轴磁阻磁强计由信号获取、信号处理、A/D转换和数据输出4个模块组成，如
图3所示。

对于弱磁场的探测主要针对的是磁场强度比地磁场还要弱的磁场。

TMR2305采用+5 V供电，其输出的电压信号往往是mV级甚至是μV级的，极
容易淹没在背景噪声中。

图3 三轴磁阻磁强计原理图
基于以上考虑，本文设计了锁相放大电路对信号进行检测并放大。

锁相放大电路包括低噪声前置放大电路、调制电路、AC放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路。

其中调制电路和相敏检波电路的信号通道和参考通道均采用同一信号源，以此来保
障被测信号和参考信号同频同相位，实现检波效率最高。

锁相放大器的等效噪声带宽可以达到4 MHz，整体增益可以高达1011以上，能很好抑制噪声，提高信噪比。

24位高精度模数转换电路板通过3个SMA接口与信号处理电路板相连，采用EP4CE6E22C8通过SPI驱动3片ADS1281，并完成数据交换，FPGA通过串口将数据传到PC上位机，FPGA最小系统还需要电源模块、时钟模块和下载电路。

2.1 前级放大电路
TMR2305将其感知到的磁场信号精准地转换为差分电压信号，传感器输出的信号为差模小信号且具有较大的共模成分，对这种信号做前级放大处理，需要选择具有足够放大倍数、较高输入电阻和共模抑制比的放大器。

采用仪表放大器AD620作为前级放大器，AD620是根据三级运放电路改进的集成放大器，采用共模信号与输入小信号混频放大，来提高共模抑制比。

AD620内部有一个阻值为24.7 kΩ的增益电阻，只需接一个外接电阻RG就可以完成信号的放大，为了保证磁阻磁强计达到满量程以及最佳分辨率，经过理论计算和实验调试，将G取为6，RG=49.4/(G-1)，具体电路连接如图4所示，采用±5 V双电源供电，电源连接有10 μF和0.1 μF的滤波去耦电容。

图4 前级放大电路
2.2 调制及交流放大电路
由于有用信号为低频信号，为了降低低频噪声干扰，传感器输出信号经过前级放大之后，由AD834对信号进行调制。

AD834以差分电流的方式输出，可以有效抑制直流分量，AD834后级采用集成运算放大器AD8009对其输出的差分电流进行放大，磁阻磁强计的灵敏度由AD630的放大倍数和AD8009的放大倍数共同决定。

实验时，调制电路的参考信号由Tektronix-AFG3102C提供，经过多次对比实验，参考信号频率为1.5 kHz，幅值为800 mV的正弦波时调制效果最好，其电
路连接如图5所示。

图5 调制电路原理图
2.3 相敏检波电路
相敏检波电路的作用是将交流信号解调为可以区分正负的直流信号。

该磁阻磁强计选取电子开关型相敏检波器AD630作为信号处理电路的核心部分，AD630是一款高精度平衡调制器/解调器，采用±5 V双电源供电，其电路连接如图6所示。

图6 相敏检波电路
相敏检波的参考信号和调制电路为同一信号源，以此实现检波效率最高。

基于AD630的电路简单，运行速度快，输出信号不再受输入信号幅值的影响，而且没有非线性问题，抗过载能力强。

2.4 低通滤波电路
通过相敏检波电路的信号呈现锯齿波，具有周期性，为滤除噪声与和频信号，由OP07组成低通滤波器，为保障输出信号质量，在低通滤波电路和模数转换电路之间加一级电压跟随器，电压跟随器采用OP27设计。

其电路连接如图7所示。

图7 低通滤波电路
3 系统软件设计
该系统采用的是异步串行通信方式，在上位机中利用LabVIEW中的VISA通信模块来实现。

在后面板中直接通过调用函数模块编程，后面板主要完成数据传输和数据处理2个功能。

数据处理部分是整个系统的核心，包括将三轴磁场进行分离，独立显示各轴的磁场大小。

系统的前面板显示的是三轴输出电压和磁场的大小及波形图，系统前面板如图8所示。

图8 磁阻磁强计软件界面
4 系统的标定与分析
采用闭环三维磁场发生器完成对磁阻磁强计的灵敏度和线性度的标定，其主要技术
参数如表3所示，完全满足对弱磁探测仪器标定的条件[7]。

对磁阻磁强计线性度和灵敏度进行测试，测试结果如图9所示(以X轴为例)，结果表明在±6.5×104nT 的磁场范围内，X轴线性度达到了99.99%，灵敏度为38.6 μV/nT。

表3 闭环三维磁场发生器的技术指标技术指标参数值测量范围±105 nT分辨率1 nT精度±(读数的0.25%+5 nT)线圈电源类型双极性恒流源电流范围±6 A线圈电源分辨率1 mA电压范围±15 V
图9 X轴输出电压和磁场的拟合直线
Y轴和Z轴的灵敏度和线性度与X轴相近，其线性度分别为1和99.99%，灵敏度分别为37.88 μV/nT和38.46 μV/nT。

将传感器放入磁屏蔽筒内，对磁阻磁强计输出的电压信号进行10 s的数据采集，如图10所示(以X轴为例)，然后计算测量得到电压数据的RMS值，再转换成磁场的RMS值。

三轴磁场的RMS值分别为1.41、1.51、1.49 nT。

图10 屏蔽筒内，X轴10 s测量结果
5 结束语
基于TMR传感器设计了一种高精度的三轴磁阻磁强计，经过标定实验，磁阻磁强计的噪声为1.5 nT左右，灵敏度为38 μV/nT左右，结果表明磁阻磁强计不仅将TMR2305的灵敏度放大了30倍，而且还降低了噪声水平。

参考文献：
【相关文献】
[1] 都有为.磁性材料新近进展[J].物理,2006(9):730-739.
[2] 刘亚,罗志会,徐校明，等.基于LabVIEW的三轴微弱磁场检测系统[J].传感器与微系
统,2015(7):73-75.
[3] LENZ J，EDELSTEIN A S.Magnetic sensors and their a-pplications[J].IEEE Sensors Journal，2006，6(3):631-649.
[4] 刘文静,王民慧,汪亚霖，等.强磁场下微弱信号检测系统设计[J].传感技术学报,2013(6):865-870.
[5] 吉吾尔·吉里力,拜山·沙德克.隧道磁电阻效应的原理及应用[J].材料导报,2009(S1):338-340.
[6] 林凌,王小林,李刚,等.一种新型锁相放大器检测电路[J].天津大学学报,2005(1):65-68.
[7] 于向记.高精度磁阻磁强计性能测试的环境和方法[C].中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十六届全国空间探测学术研讨会会议,北京,2013.。