各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术

D0:10.13374h.issn1001-053x.2011.07.019 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术 李希胜四 刘艳霞康瑞清 北京科技大学信息工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xs@ustb.cdu.cn 摘要提出了一种基于灵敏度在线辨识技术的灵敏度变化补偿方法，使用北京科技大学研制的各向异性磁阻传感器 BKMC-21进行了实验研究.结果表明：未采用灵敏度变化补偿技术的磁场测量输出结果在磁力计通电后发生剧烈变化：磁力 计输出需30mn才能趋于稳定，在此期间灵敏度变化超过20%.采用灵敏度变化补偿技术的磁场测量输出结果在磁力计通电 后保持平稳，磁力计输出在整个过程中灵敏度变化不超过2%.由以上实验结果可以看出，本文所提出的基于各向异性磁阻 传感器灵敏度在线辨识技术的磁力计灵敏度补偿方法能有效地解决磁力计灵敏度变化问题. 关键词磁传感器；各向异性；磁阻：灵敏度分析；温度 分类号TP212.13 Sensitivity online recognition of anisotropic magnetoresistive sensors LI Xi-sheng,LIU Yan-xia,KANG Rui-qing School of Information Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:Ixs@ustb.edu.cn ABSTRACT A sensitivity compensation method was proposed for anisotropic magnetoresistive (AMR)sensors based on sensitivity online recognition.An experimental study on this method was carried out with an AMR sensor BKMC21 developed by University of Science and Technology Beijing.The experimental results show that the magnetic field output of BKMC21 without sensitivity compen- sation varies greatly after switching the power supply on.It takes about 30min to be stable,and during this period the sensitivity varia- tion is over 20%.The magnetic field output of BKMC21 with sensitivity compensation is stable,and the sensitivity variation is less than 2%after switching the power supply on.It can be concluded that the sensitivity compensation method proposed for AMR sensors based on sensitivity online recognition can effectively solve the sensitivity variation problem of magnetometers. KEY WORDS magnetic sensors;anisotropy:magnetoresistance:sensitivity analysis;temperature 磁阻(magnetoresistive,MR)传感器利用载流磁 阻感知磁场的面积.外加磁场使得磁阻内部的磁畴 性材料在外部磁场的作用下电阻率发生变化的磁阻 指向发生变化，进而与电流的夹角日发生变化，表现 效应实现磁场测量.早在1856年，Thompson就首先 为磁阻元件电阻各向异性的变化.各向异性磁阻传 发现了铁磁材料的磁阻效应，但在100年后磁阻效 感器具有响应速度快的优点，响应频率可以达到1~ 应才真正获得应用-习 5MHz.各向异性磁阻传感器的最大优点是可以像 各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistive, 生产半导体集成电路一样批量生产，特性一致性好. AMR)效应是磁阻效应中的一种.各向异性传感器 AMR传感器可广泛应用于磁场测量、电流测量、角 的基本单元是用一种长而薄的坡莫(Ni-Fe)合金采 度测量和导航定向等B 用半导体工艺沉积在硅衬底上制成的，沉积时薄膜 北京科技大学研制的各向异性磁阻传感器 以条带的形式排布，形成一个平面的线阵以增加磁 BKMC-21将四个阻值约为600D的磁电阻元件连 收稿日期：201004-09 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(No.NCET-O9O216):中央高校基本科研业务费专项(No.FRF-TPO9O17B):国家高 技术研究发展计划资助项目(No.2007AA12Z320):国家自然科学基金资助项目(No.60574090)

第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术 李希胜 刘艳霞 康瑞清 北京科技大学信息工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: lxs@ ustb． edu． cn 摘 要 提出了一种基于灵敏度在线辨识技术的灵敏度变化补偿方法，使用北京科技大学研制的各向异性磁阻传感器 BKMC--21进行了实验研究． 结果表明: 未采用灵敏度变化补偿技术的磁场测量输出结果在磁力计通电后发生剧烈变化; 磁力 计输出需 30 min 才能趋于稳定，在此期间灵敏度变化超过 20% ． 采用灵敏度变化补偿技术的磁场测量输出结果在磁力计通电 后保持平稳，磁力计输出在整个过程中灵敏度变化不超过 2% ． 由以上实验结果可以看出，本文所提出的基于各向异性磁阻 传感器灵敏度在线辨识技术的磁力计灵敏度补偿方法能有效地解决磁力计灵敏度变化问题． 关键词 磁传感器; 各向异性; 磁阻; 灵敏度分析; 温度 分类号 TP212. 13 Sensitivity online recognition of anisotropic magnetoresistive sensors LI Xi-sheng ，LIU Yan-xia，KANG Rui-qing School of Information Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: lxs@ ustb． edu． cn ABSTRACT A sensitivity compensation method was proposed for anisotropic magnetoresistive ( AMR) sensors based on sensitivity online recognition． An experimental study on this method was carried out with an AMR sensor BKMC-21 developed by University of Science and Technology Beijing． The experimental results show that the magnetic field output of BKMC-21 without sensitivity compen￾sation varies greatly after switching the power supply on． It takes about 30 min to be stable，and during this period the sensitivity varia￾tion is over 20% ． The magnetic field output of BKMC-21 with sensitivity compensation is stable，and the sensitivity variation is less than 2% after switching the power supply on． It can be concluded that the sensitivity compensation method proposed for AMR sensors based on sensitivity online recognition can effectively solve the sensitivity variation problem of magnetometers． KEY WORDS magnetic sensors; anisotropy; magnetoresistance; sensitivity analysis; temperature 收稿日期: 2010--04--09 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( No． NCET--09--0216) ; 中央高校基本科研业务费专项( No． FRF--TP--09--017B) ; 国家高 技术研究发展计划资助项目( No． 2007AA12Z320) ; 国家自然科学基金资助项目( No． 60574090) 磁阻( magnetoresistive，MR) 传感器利用载流磁 性材料在外部磁场的作用下电阻率发生变化的磁阻 效应实现磁场测量． 早在 1856 年，Thompson 就首先 发现了铁磁材料的磁阻效应，但在 100 年后磁阻效 应才真正获得应用［1--2］． 各向异性磁电阻( anisotropic magnetoresistive， AMR) 效应是磁阻效应中的一种． 各向异性传感器 的基本单元是用一种长而薄的坡莫( Ni--Fe) 合金采 用半导体工艺沉积在硅衬底上制成的，沉积时薄膜 以条带的形式排布，形成一个平面的线阵以增加磁 阻感知磁场的面积． 外加磁场使得磁阻内部的磁畴 指向发生变化，进而与电流的夹角 θ 发生变化，表现 为磁阻元件电阻各向异性的变化． 各向异性磁阻传 感器具有响应速度快的优点，响应频率可以达到1 ～ 5 MHz． 各向异性磁阻传感器的最大优点是可以像 生产半导体集成电路一样批量生产，特性一致性好． AMR 传感器可广泛应用于磁场测量、电流测量、角 度测量和导航定向等［3--8］． 北京科技大学 研 制 的 各 向 异 性 磁 阻 传 感 器 BKMC--21将四个阻值约为 600 Ω 的磁电阻元件连 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.019

·896· 北京科技大学学报 第33卷 成惠斯通电桥的形式.当沿BKMC-21灵敏轴的磁 的影响. 场在±0.2mT范围内变化时，相邻桥臂磁电阻元件 测试表明，AMR传感器BKMC-21的磁场标度 阻值发生反向变化，对臂磁电阻元件阻值发生同向 常数Hsc≈0.8mT.对于罗盘测向应用来说，参照北 变化.在5V桥路供电情况下，电桥输出随灵敏轴磁 京地区的地磁场情况，总场54000T,磁倾角 场变化，其灵敏度可以达到180mVmT 58.5°，当不使用反复置位/复位技术时，水平放置的 各向异性磁阻传感器除了对灵敏轴磁场敏感 罗盘的最大方位角测量误差约为1.4°.对于测量范 外，其灵敏度还会受到环境温度等因素的影响.针 围为±0.2mT的磁场测量应用来说，当不使用反复 对这一情况，本文提出了一种灵敏度在线辨识方法 置位/复位技术时，由正交轴效应所引起的测量误差 以补偿环境温度等因素所引起的灵敏度变化 为±12%FS(满量程).另外，温度变化也将引起 1各向异性磁阻传感器的正交轴效应及温度 AMR传感器灵敏度变化，从而导致磁场测量误差. 在常用的恒压供电情况下，AMR传感器灵敏度温度 通常传感器及测量仪表除了对被测量敏感外， 系数约为-0.3%℃-1.这将导致AMR传感器输出 还可能对各种干扰作用有反应.例如，电源电压波 随温度变化，特别是在上电后热稳定过程中输出 动、环境温度的变化等都会使传感器或测量仪表的 不稳 输出发生变化.因干扰物理量变化所引起的传感器 为了消除正交场及温度变化所引起的测量误 或测量仪表的输出变化与引起该变化的干扰物理量 差，本文提出了一种AMR传感器灵敏度在线识别 的变化量之比称为传感器或测量仪表的有害灵敏 方法 度.在传感器及测量仪表的设计中，总是力求使有 害灵敏度降到最低 2AMR传感器灵敏度在线辨识方法原理 对于AMR传感器BKMC-21来说，当沿其灵敏 对于特定的AMR传感器来说，无论是恒压供 轴的磁场在±0.2mT范围内变化时，电桥输出将随 电桥路还是恒流供电桥路，AMR传感器的输出电压 灵敏轴磁场发生线性变化.通常利用这一变化来实 均可以用式(1)来表示.从式(1)可以看出，AMR传 现磁场测量.但是，当沿与灵敏轴正交方向的磁场 感器输出电压是灵敏度、供桥电压和灵敏轴磁场强 发生变化时，电桥输出也会发生变化.这就是各向 度三者的乘积加上桥路失调电压，其中灵敏度受温 异性磁阻传感器的正交轴效应.对于AMR传感器 度、正交轴磁场的影响.为了消除温度、正交轴磁场 来说，当正交轴磁场在±0.2mT范围内变化时，通 等因素对AMR传感器灵敏度的影响，本文提出了 常将会引起百分之几到百分二十几的正交轴效应误 AMR传感器灵敏度在线辨识方法.通过对AMR传 差).测试表明，AMR传感器的输出与灵敏轴和 感器灵敏度在线辨识，来消除灵敏度变化所引起的 正交轴磁场之间的关系可以用下式表示： 磁场测量误差 aHs V.=Hsc Hc -VBr +aos VB (1) AMR传感器灵敏度在线辨识方法测量过程如 下所述. 式中，V。为AMR传感器输出电压，a为一个正比于 第1步，首先发出一个置位脉冲，然后按照从 磁电阻变化率的常数（随温度变化），H。为AMR传 OFFSET+到OFFSET-的方向向OFFSET线圈注入 感器灵敏轴方向上的磁场，Hsc为AMR传感器的磁 偏置电流Iosr·待桥路输出稳定后，取得一输出值 场标度常数，Hc为正交于AMR传感器灵敏轴方向 并存为Vsp, 上的磁场，V为AMR传感器供桥电压，aos为AMR a (H+) 传感器失调电压系数 Vs=Hsc +Hex +Vos (2) 对AMR传感器BKMC-21的测试表明，aOs处 式中，H.为被测磁场，H:是由偏置电流Iosr产生的 于[-10×10-3,5×10-3]范围内，且随温度发生变 偏置磁场，Vos是AMR传感器失调电压. 化.Honeywell公司生产的AMR传感器HMC1OO1/ 第2步，按照从OFFSET-到OFFSET+的方向 1002在8V供电时，桥路失调电压范围为[-60mV, 向OFFSET线圈注入偏置电流IoT·待桥路输出稳 30mV]☒.两者相比，BKMC-21失调电压略高.在 定后，取得一输出值并存为Vw, 磁场测量传感器的设计中，总是希望尽量减小AMR a (HHa) 传感器失调电压的影响W.为此，在AMR传感 Vss=Hsc Hc Vos (3) 器调理电路中引入置位/复位电路来减小失调电压 第3步，首先发出一复位脉冲，然后按照从

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 成惠斯通电桥的形式． 当沿 BKMC--21 灵敏轴的磁 场在 ± 0. 2 mT 范围内变化时，相邻桥臂磁电阻元件 阻值发生反向变化，对臂磁电阻元件阻值发生同向 变化． 在5 V 桥路供电情况下，电桥输出随灵敏轴磁 场变化，其灵敏度可以达到 180 mV·mT"1 ． 各向异性磁阻传感器除了对灵敏轴磁场敏感 外，其灵敏度还会受到环境温度等因素的影响． 针 对这一情况，本文提出了一种灵敏度在线辨识方法 以补偿环境温度等因素所引起的灵敏度变化． 1 各向异性磁阻传感器的正交轴效应及温度 通常传感器及测量仪表除了对被测量敏感外， 还可能对各种干扰作用有反应． 例如，电源电压波 动、环境温度的变化等都会使传感器或测量仪表的 输出发生变化． 因干扰物理量变化所引起的传感器 或测量仪表的输出变化与引起该变化的干扰物理量 的变化量之比称为传感器或测量仪表的有害灵敏 度． 在传感器及测量仪表的设计中，总是力求使有 害灵敏度降到最低． 对于 AMR 传感器 BKMC--21 来说，当沿其灵敏 轴的磁场在 ± 0. 2 mT 范围内变化时，电桥输出将随 灵敏轴磁场发生线性变化． 通常利用这一变化来实 现磁场测量． 但是，当沿与灵敏轴正交方向的磁场 发生变化时，电桥输出也会发生变化． 这就是各向 异性磁阻传感器的正交轴效应． 对于 AMR 传感器 来说，当正交轴磁场在 ± 0. 2 mT 范围内变化时，通 常将会引起百分之几到百分二十几的正交轴效应误 差［9--11］． 测试表明，AMR 传感器的输出与灵敏轴和 正交轴磁场之间的关系可以用下式表示: Vo = aHS HSC + HCA VBr + αOSVBr ( 1) 式中，Vo 为 AMR 传感器输出电压，a 为一个正比于 磁电阻变化率的常数( 随温度变化) ，HS 为 AMR 传 感器灵敏轴方向上的磁场，HSC为 AMR 传感器的磁 场标度常数，HCA为正交于 AMR 传感器灵敏轴方向 上的磁场，VBr为 AMR 传感器供桥电压，αOS为 AMR 传感器失调电压系数． 对 AMR 传感器 BKMC--21 的测试表明，αOS处 于［－ 10 %10 － 3 ，5 %10 － 3 ］范围内，且随温度发生变 化． Honeywell 公司生产的 AMR 传感器 HMC1001 / 1002 在8 V 供电时，桥路失调电压范围为［－ 60 mV， 30 mV］［12］． 两者相比，BKMC--21 失调电压略高． 在 磁场测量传感器的设计中，总是希望尽量减小 AMR 传感器失调电压的影响［13--14］． 为此，在 AMR 传感 器调理电路中引入置位/复位电路来减小失调电压 的影响． 测试表明，AMR 传感器 BKMC--21 的磁场标度 常数 HSC≈0. 8 mT． 对于罗盘测向应用来说，参照北 京地 区 的 地 磁 场 情 况，总 场 54 000 nT，磁 倾 角 58. 5°，当不使用反复置位/复位技术时，水平放置的 罗盘的最大方位角测量误差约为 1. 4°． 对于测量范 围为 ± 0. 2 mT 的磁场测量应用来说，当不使用反复 置位/复位技术时，由正交轴效应所引起的测量误差 为 ± 12% FS( 满量程) ． 另外，温度变化也将引起 AMR 传感器灵敏度变化，从而导致磁场测量误差． 在常用的恒压供电情况下，AMR 传感器灵敏度温度 系数约为 － 0. 3% ℃ － 1 ． 这将导致 AMR 传感器输出 随温度变化，特别是在上电后热稳定过程中输出 不稳． 为了消除正交场及温度变化所引起的测量误 差，本文提出了一种 AMR 传感器灵敏度在线识别 方法． 2 AMR 传感器灵敏度在线辨识方法原理 对于特定的 AMR 传感器来说，无论是恒压供 电桥路还是恒流供电桥路，AMR 传感器的输出电压 均可以用式( 1) 来表示． 从式( 1) 可以看出，AMR 传 感器输出电压是灵敏度、供桥电压和灵敏轴磁场强 度三者的乘积加上桥路失调电压，其中灵敏度受温 度、正交轴磁场的影响． 为了消除温度、正交轴磁场 等因素对 AMR 传感器灵敏度的影响，本文提出了 AMR 传感器灵敏度在线辨识方法． 通过对 AMR 传 感器灵敏度在线辨识，来消除灵敏度变化所引起的 磁场测量误差． AMR 传感器灵敏度在线辨识方法测量过程如 下所述． 第 1 步，首先发出一个置位脉冲，然后按照从 OFFSET + 到 OFFSET － 的方向向 OFFSET 线圈注入 偏置电流 IOFST ． 待桥路输出稳定后，取得一输出值 并存为 VSP， VSP = a( Hex + Hd ) HSC + HCA + VOS ( 2) 式中，Hex为被测磁场，Hd 是由偏置电流 IOFST产生的 偏置磁场，VOS是 AMR 传感器失调电压． 第 2 步，按照从 OFFSET － 到 OFFSET + 的方向 向 OFFSET 线圈注入偏置电流 IOFST ． 待桥路输出稳 定后，取得一输出值并存为 VSN， VSN = a( Hex － Hd ) HSC + HCA + VOS ( 3) 第 3 步，首 先 发 出 一 复 位 脉 冲，然 后 按 照 从 ·896·

第7期 李希胜等：各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术 ·897 OFFSET+到OFFSET-的方向向OFFSET线圈注入 和式(16)，可以得到 偏置电流Iosr·待桥路输出稳定后，取得一输出值 并存为VRP, Vsn二Ha (17) a (Hs +H) 由式(17)可以看出Vs.取决于H与H:的 Vwr=-Hsc HcA +Vos (4) 比值. 第4步，按照从OFFSET-到OFFSET+的方向 根据式(10)、式(12)、式(15)和式(16)可以 向OFFSET线圈注入偏置电流Iosr·待桥路输出稳 得到 定后，取得一输出值并存为Vx, HcA VcA=-Hsc (18) a(H-H） VRN -Hsc +HcA Vos (5) 由式(18)可以看出Vca取决于HcA与Hsc的比 经过以上四步即可完成以上一个置位/复位测 值，其中Hsc是AMR传感器的磁场标度常数.对于 量循环.在测量时，重复执行置位/复位测量循环 特定的AMR传感器来说，Hc是一个常数. 完成一个置位/复位测量循环后，根据所测得的数据 3实验结果 即可计算AMR传感器灵敏度等参数.计算过程 如下. 采用北京科技大学研制的AMR传感器BKMC一 定义置位后磁场输出为 21设计单轴磁力计进行实验.单轴磁力计由AMR Vsp Vsx 传感器、信号调理电路、模数转换器、复位/置位驱动 Vgs=- (6) 2 电路、偏置电流驱动电路、微处理器以及串行数据通 定义复位后磁场输出为 信电路等部分组成，其电路框图如图1所示 VRP VRN 7 置位/ 复位驱动 定义置位后传感器增益为 AMR 串口输出 VGains Vsp-VsN 信号 (8 传感器 调理电路 ADC 处理器 定义复位后传感器增益为 VGainR VRP VRN (9 偏置 定义置位/复位综合增益为 图1单轴磁力计电路框图 VGain(S)=VGains-VGaink (10) Fig.1 Circuit block diagram of a single-axis magnetometer 传感器灵敏轴归一化输出为 微处理器选用美国Silicon Laboratories公司生 VMags-VMagt Vson= (11) 产C8051F060.C8051F060是完全集成的混合信号 VGain(S-) 片上系统型MCU,可方便地实现数据采集. 传感器正交轴/不灵敏轴输出为 在微处理器的控制下，复位/置位驱动电路每隔 VcA = VGains VGainlt VGain(sR) (12) 1s产生一个置位或复位脉冲，偏置电流驱动电路每 根据式(2)、式(3)和式(6)可以得到 隔0.05s变换一次偏置电流的方向.复位/置位驱 动电路采用International Rectifier公司生产的功率 aH Vas=Hsc+He +Vos (13) 场效应管RF7105. 根据式(4)、式(5)和式(7)可以得到 AMR传感器的输出信号采用美国TI公司生产 aH 的精密仪用放大器NA118进行放大后送入模数转 VeneVos (14) 换器.微处理器C8051F060内置的16位模数转换 根据式(2)、式(3)和式(8)可以得到 器最高采样速率可达1Msps,在本次实验过程中模 H 数转换器采样速率设定为1ksps. Voars =2a Hsc+Hc (15) 所研制磁力计可通过RS-232串行通信接口与 根据式(4)、式(5)和式(9)可以得到 上位机或显示设备相连.RS一232串行通信接口芯 Ha Voai =2a-Hsc+Hc 片选用SP3223EEY,其通信速率可达250kbps,所研 (16) 制磁力计的通信速率设定为38.4kbps. 根据式(10)、式(11)、式(13)、式(14)、式(15) 实验时，室温18℃，室外温度2℃.将单轴磁力

第 7 期 李希胜等: 各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术 OFFSET + 到 OFFSET － 的方向向 OFFSET 线圈注入 偏置电流 IOFST ． 待桥路输出稳定后，取得一输出值 并存为 VRP， VRP = a( Hex + Hd ) － HSC + HCA + VOS ( 4) 第 4 步，按照从 OFFSET － 到 OFFSET + 的方向 向 OFFSET 线圈注入偏置电流 IOFST ． 待桥路输出稳 定后，取得一输出值并存为 VRN， VRN = a( Hex － Hd ) － HSC + HCA + VOS ( 5) 经过以上四步即可完成以上一个置位/复位测 量循环． 在测量时，重复执行置位/复位测量循环． 完成一个置位/复位测量循环后，根据所测得的数据 即可计算 AMR 传感器灵敏度等参数． 计算过程 如下． 定义置位后磁场输出为 VMagS = VSP + VSN 2 ( 6) 定义复位后磁场输出为 VMagR = VRP + VRN 2 ( 7) 定义置位后传感器增益为 VGainS = VSP － VSN ( 8) 定义复位后传感器增益为 VGainR = VRP － VRN ( 9) 定义置位/复位综合增益为 VGain( S-R) = VGainS － VGainR ( 10) 传感器灵敏轴归一化输出为 VSen = VMagS － VMagR VGain( S-R) ( 11) 传感器正交轴/不灵敏轴输出为 VCA = VGainS + VGainR VGain( S-R) ( 12) 根据式( 2) 、式( 3) 和式( 6) 可以得到 VMagS = aHex HSC + HCA + VOS ( 13) 根据式( 4) 、式( 5) 和式( 7) 可以得到 VMagR = aHex － HSC + HCA + VOS ( 14) 根据式( 2) 、式( 3) 和式( 8) 可以得到 VGainS = 2a Hd HSC + HCA ( 15) 根据式( 4) 、式( 5) 和式( 9) 可以得到 VGainR = 2a Hd － HSC + HCA ( 16) 根据式( 10) 、式( 11) 、式( 13) 、式( 14) 、式( 15) 和式( 16) ，可以得到 VSen = Hex Hd ( 17) 由式( 17 ) 可 以 看 出 VSen 取 决 于 Hex 与 Hd 的 比值． 根据式( 10) 、式( 12) 、式( 15) 和式( 16) 可以 得到 VCA = － HCA HSC ( 18) 由式( 18) 可以看出 VCA取决于 HCA与 HSC的比 值，其中 HSC是 AMR 传感器的磁场标度常数． 对于 特定的 AMR 传感器来说，HSC是一个常数． 3 实验结果 采用北京科技大学研制的 AMR 传感器 BKMC-- 21 设计单轴磁力计进行实验． 单轴磁力计由 AMR 传感器、信号调理电路、模数转换器、复位/置位驱动 电路、偏置电流驱动电路、微处理器以及串行数据通 信电路等部分组成，其电路框图如图 1 所示． 图 1 单轴磁力计电路框图 Fig． 1 Circuit block diagram of a single-axis magnetometer 微处理器选用美国 Silicon Laboratories 公司生 产 C8051F060． C8051F060 是完全集成的混合信号 片上系统型 MCU，可方便地实现数据采集． 在微处理器的控制下，复位/置位驱动电路每隔 1 s 产生一个置位或复位脉冲，偏置电流驱动电路每 隔 0. 05 s 变换一次偏置电流的方向． 复位/置位驱 动电路采用 International Rectifier 公司生产的功率 场效应管 IRF7105． AMR 传感器的输出信号采用美国 TI 公司生产 的精密仪用放大器 INA118 进行放大后送入模数转 换器． 微处理器 C8051F060 内置的 16 位模数转换 器最高采样速率可达 1 Msps，在本次实验过程中模 数转换器采样速率设定为 1 ksps． 所研制磁力计可通过 RS--232 串行通信接口与 上位机或显示设备相连． RS--232 串行通信接口芯 片选用 SP3223EEY，其通信速率可达 250 kbps，所研 制磁力计的通信速率设定为 38. 4 kbps． 实验时，室温 18 ℃，室外温度 2 ℃ ． 将单轴磁力 ·897·

·898· 北京科技大学学报 第33卷 计放置在室外，然后通电.AMR传感器灵敏轴输出 度在通电开始的30min内发生较大的变化，变化量 如图2所示.由图2可以看出：在未采用温度及正 超过20%：而采用温度及正交轴磁场补偿后，传感 交轴磁场补偿的情况下，AMR传感器BKMC-21的 器BKMC-21的灵敏度在通电开始的30min内基本 灵敏度从上电开始的30min内发生较大的变化，变 保持不变，变化量不超过2%.可以看出，所提出的 化幅度达20%以上：采用温度及正交轴磁场补偿 灵敏度补偿方法是有效的. 后，传感器BKMC-21的灵敏度从上电开始的30min 内基本保持不变，变化不超过2%. 参考文献 0.06 [1]Caruso MJ.Smith C H,Bratland T,et al.A Ner Perspectire on 0.05 Magnetic Field Sensing.[2009-491]http://www.ssec.hon- ◆一 0.04s中中H eywell.com/magnetic/datasheets/new_pers.pdf Caruso MJ,Withanawasam L S.Vehicle Detection and Compass 0.02 Applications Using AMR Magnetic Sensors.200991]http:// 0.01 www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/amr.pdf B]Li X S,Yu G H.Application of AMR sensors to vehicle detec- 10 15 20 30 min tion.J Univ Sci Technol Beijing,2006,28(6):587 H,一未采用灵敏度补偿的磁力计输出：H2一采用灵敏度补偿的 (李希胜，于广华.各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应 用.北京科技大学学报，2006,28(6)：587) 磁力计输出 4]Li X S,Wang J X,Tang C,et al.Development of high accuracy 图2磁力计上电后灵敏度变化的比较 Fig.2 Comparison of sensitivity variation after switching the power magnetic electronic compass.Chin J Sens Actuators,2006,19 supply on (6):2441 (李希胜，王家鑫，汤程，等.高精度磁电子罗盘研究.传感 为了测试不灵敏轴或正交轴输出，使用一直径 技术学报，2006,19(6)：2441) 为150mm的线圈产生正交轴磁场.实验过程中使 [5]Li X S,You J,Shu X Y,et al.Electric current measurement 用磁通门传感器测量正交轴磁场强度作为标准值， using AMR sensor array /Proceeding of IEEE ICMA 2009. Changchun,2009:4085 将根据AMR传感器输出计算得到的正交轴输出与 [6]Li X S,Kang R Q,Shu X Y,et al.Tilt-induced-error compensa- 之比较.测试结果如图3所示，图中横轴为磁通门 tion for 2-axis magnetic compass with 2-axis accelerometer //2009 传感器测量数据H,纵轴为根据AMR传感器输出 World Congress on Computer Science and Information Engineering. 计算得到的正交轴输出H。.由图3可以看出，根据 Los Angeles,2009:122 AMR传感器输出计算得到的正交轴输出正比于正 [7]Jurman D,Jankovee M,Kamnik R,et al.Calibration and data 交轴磁场 fusion solution for the miniature attitude and heading reference sys- tem.Sens Actuators A,2007,138:411 0.9 [8]Vopalensky M,Platil A,Kaspar P.Wattmeter with AMR sensor. 0.7- Sens Actuators A,2005,123/124:303 Cross Axis Effect for AMR Magnetic Sensors.[2009026]ht- 0.5 tp://www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/an215.pdf 0.3 [10]Pant BB,Caruso M.Magnetic Sensor Cross-xis Effect.D2009- 0941]http://www.ssec.honeywell.com/magnetic/datashe- 0.1 ets/an205.pdf 0.02 0.040.06 0.080.10 H/T [11]Kubik J,Vcelak J,Ripka P.On cross-axis effect of the aniso- tropic magnetoresistive sensors.Sens Actuators A,2006,129:15 图3AMR传感器正交轴输出特性 [12]1-and 2-xis Magnetic Sensors.[2009-091]http://www. Fig.3 Cross-axis output characteristic of the AMR sensor ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/hme10012_10212. pdf 4结论 [13]Voplensky M,Ripka P,Platil A.Precise magnetic sensors. Sens Actuators A,2003,106:38 本文提出了一种基于灵敏度识别的AMR传感 [14]Hauser H,Fulmek P L,Haumer P,et al.Flipping field and sta- 器灵敏度补偿方法.实验结果表明：未采用温度及 bility in anisotropic magnetoresistive sensors.Sens Actuators A. 正交轴磁场补偿时AMR传感器BKMC-21的灵敏 2003,106:121

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 计放置在室外，然后通电． AMR 传感器灵敏轴输出 如图 2 所示． 由图 2 可以看出: 在未采用温度及正 交轴磁场补偿的情况下，AMR 传感器 BKMC--21 的 灵敏度从上电开始的 30 min 内发生较大的变化，变 化幅度达 20% 以上; 采用温度及正交轴磁场补偿 后，传感器 BKMC--21 的灵敏度从上电开始的 30 min 内基本保持不变，变化不超过 2% ． H1—未采用灵敏度补偿的磁力计输出; H2—采用灵敏度补偿的 磁力计输出 图 2 磁力计上电后灵敏度变化的比较 Fig． 2 Comparison of sensitivity variation after switching the power supply on 为了测试不灵敏轴或正交轴输出，使用一直径 为 150 mm 的线圈产生正交轴磁场． 实验过程中使 用磁通门传感器测量正交轴磁场强度作为标准值， 将根据 AMR 传感器输出计算得到的正交轴输出与 之比较． 测试结果如图 3 所示，图中横轴为磁通门 传感器测量数据 Ha，纵轴为根据 AMR 传感器输出 计算得到的正交轴输出 Hb ． 由图 3 可以看出，根据 AMR 传感器输出计算得到的正交轴输出正比于正 交轴磁场． 图 3 AMR 传感器正交轴输出特性 Fig． 3 Cross-axis output characteristic of the AMR sensor 4 结论 本文提出了一种基于灵敏度识别的 AMR 传感 器灵敏度补偿方法． 实验结果表明: 未采用温度及 正交轴磁场补偿时 AMR 传感器 BKMC--21 的灵敏 度在通电开始的 30 min 内发生较大的变化，变化量 超过 20% ; 而采用温度及正交轴磁场补偿后，传感 器 BKMC--21 的灵敏度在通电开始的 30 min 内基本 保持不变，变化量不超过 2% ． 可以看出，所提出的 灵敏度补偿方法是有效的． 参 考 文 献 ［1］ Caruso M J，Smith C H，Bratland T，et al． A New Perspective on Magnetic Field Sensing． ［2009-09-11］ http: / /www． ssec． hon￾eywell． com/magnetic /datasheets/new_pers． pdf ［2］ Caruso M J，Withanawasam L S． Vehicle Detection and Compass Applications Using AMR Magnetic Sensors． ［2009-09-11］http: / / www． ssec． honeywell． com/magnetic /datasheets/amr． pdf ［3］ Li X S，Yu G H． Application of AMR sensors to vehicle detec￾tion． J Univ Sci Technol Beijing，2006，28( 6) : 587 ( 李希胜，于广华． 各向异性磁阻传感器在车辆探测中的应 用． 北京科技大学学报，2006，28( 6) : 587) ［4］ Li X S，Wang J X，Tang C，et al． Development of high accuracy magnetic electronic compass． Chin J Sens Actuators，2006，19 ( 6) : 2441 ( 李希胜，王家鑫，汤程，等． 高精度磁电子罗盘研究． 传感 技术学报，2006，19( 6) : 2441) ［5］ Li X S，You J，Shu X Y，et al． Electric current measurement using AMR sensor array / / Proceeding of IEEE ICMA 2009． Changchun，2009: 4085 ［6］ Li X S，Kang R Q，Shu X Y，et al． Tilt-induced-error compensa￾tion for 2-axis magnetic compass with 2-axis accelerometer / / 2009 World Congress on Computer Science and Information Engineering． Los Angeles，2009: 122 ［7］ Jurman D，Jankovec M，Kamnik R，et al． Calibration and data fusion solution for the miniature attitude and heading reference sys￾tem． Sens Actuators A，2007，138: 411 ［8］ Voplensk M，Platil A，Kapar P． Wattmeter with AMR sensor． Sens Actuators A，2005，123 /124: 303 ［9］ Cross Axis Effect for AMR Magnetic Sensors． ［2009-10-26］ ht￾tp: / /www． ssec． honeywell． com/magnetic /datasheets/an215． pdf ［10］ Pant B B，Caruso M． Magnetic Sensor Cross-axis Effect． ［2009- 09-11］ http: / /www． ssec． honeywell． com/magnetic /datashe￾ets/an205． pdf ［11］ Kubik J，Vcelak J，Ripka P． On cross-axis effect of the aniso￾tropic magnetoresistive sensors． Sens Actuators A，2006，129: 15 ［12］ 1- and 2-axis Magnetic Sensors． ［2009-09-11］ http: / /www． ssec． honeywell． com/magnetic /datasheets/hmc1001-2_1021-2． pdf ［13］ Voplensk M，Ripka P，Platil A． Precise magnetic sensors． Sens Actuators A，2003，106: 38 ［14］ Hauser H，Fulmek P L，Haumer P，et al． Flipping field and sta￾bility in anisotropic magnetoresistive sensors． Sens Actuators A， 2003，106: 121 ·898·