三軸磁傳感器性能標定方法研究*

吳志東 周穗華 張曉兵

(海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

1 引言

在利用三軸磁傳感器進行測量之前要對傳感器的性能進行標定,包括傳感器的靈敏度、分辨率等指標。利用NI公司的16位A/D、DA卡、格拉斯磁環(huán)和高精度磁環(huán)驅(qū)動電路構(gòu)建了傳感器性能標定系統(tǒng)。一方面根據(jù)當?shù)氐卮艌龅拇怪狈至繛?5uT,測定傳感器的靈敏度為3.52V/Gass,另外使用DA卡和磁環(huán),在利用高通濾波、功率譜分析和帶同濾波的數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上得出了傳感器的最小分辨率位6nT。實驗系統(tǒng)的框圖如圖1所示,系統(tǒng)的測試結(jié)果可以用于對傳感器精度要求不高的場合。

圖1 標定系統(tǒng)框圖

2 三軸磁傳感器和格拉斯磁環(huán)

三軸磁傳感器原理如圖2所示,接口如圖2(a)所示,三軸磁方向示意圖如圖2(b)所示。傳感器接口主要有電源接口、X軸、Y軸、Z軸磁場電壓輸出口、SET/RESET接口及電源控制接口。X軸、Y軸、Z軸是傳感器的電壓值電壓輸出接口;SET/RESET腳控制傳感器的輸出信號類型,用于消除因溫漂和其他干擾造成對傳感器輸出的影響;SHUD腳控制傳感器的電源的關(guān)斷,來控制傳感器功耗;傳感器的供電電壓范圍是4.5～7.5V。

圖2 傳感器的接口示意圖

為了在低功耗情況下使用三軸磁傳感器進行高精度測量,要充分利用SET/RESET功能。圖3(a)給出了SET/RESET的時序圖,根據(jù)圖中所示的時序每次SET/RESET后讀取傳感器輸出的信號Vset和Vrst,分別對應(yīng)的磁場值為Bs和Br,公式(1)給出了磁場的對應(yīng)關(guān)系,Bos是外部磁場值,B0是零點磁場,采集卡采集傳感器信號輸出的時序如圖3(b)所示以說明采集時傳感器的工作時序[1]。

D/A卡輸出信號通過驅(qū)動器驅(qū)動格拉斯磁環(huán),可以磁環(huán)中間的形成直徑80cm,長度1m的柱形均勻磁場區(qū)域。依據(jù)磁環(huán)電流轉(zhuǎn)換為磁場值的計算公式1mA=1mO,1mO=100nT和D/A卡輸出信號的強度可以計算出均勻區(qū)域感應(yīng)的磁場強度值[2]。

圖3 傳感器工作時序圖

3 高精度磁環(huán)驅(qū)動器設(shè)計

驅(qū)動電路使用兩只儀表放大器和兩支電阻構(gòu)造了一個線性度在0.01%的壓控恒流源電路,電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,AD620小功率、低漂移儀表放大器提供電路控制和誤差校正,晶體管Q1和Q2構(gòu)成推挽電路作為功率輸出[3]。

圖4 磁環(huán)驅(qū)動器電路

4 三軸磁傳感器的靈敏度標定

傳感器的靈敏度是單位磁場信號輸入的情況下傳感器的輸出。在假定傳感器為線性且三軸靈敏度一致性較好的前提下,進行傳感器的靈敏度標定。在沒有標準參考源的情況下依據(jù)當?shù)卮艌龅拇怪狈至繛?5uT,使用16位A/D采集卡進行信號采集,采用圖3所示的方法對三軸磁傳感器進行控制采集,將傳感器水平放置不斷的對傳感器重置和復(fù)位得到一系列相應(yīng)的信號值,圖5是A/D采集卡采集傳感器y軸輸出的電壓值得到的波形。依據(jù)式(1)和1.2計算相應(yīng)的磁場值。圖中的上半波是SET后傳感器輸出的電壓值Vset,下半波是RESET后傳感器輸出的電壓值Vrst,對傳感器輸出的電壓Vset和Vrst求取均值得到和。則傳感器的靈敏度1E-6),f是傳感器的靈敏度。由Matlab計算得出傳感器的靈敏度是3.52V/Gass。

圖5 傳感器輸出信號波形

5 三軸傳感器的最小分辨率標定

傳感器的最小分辨率就是傳感器能夠分辨出的最小磁場信號強度。系統(tǒng)連接框圖如圖1所示,計算機控制D/A卡輸出恒定頻率和峰值的信號,信號通過驅(qū)動器驅(qū)動格拉斯磁環(huán),使用A/D采集卡采集三軸磁傳感器輸出的三分量數(shù)據(jù),同時采集卡同步采集磁環(huán)兩端的電壓信號。

圖6 信號處理流程圖

實驗的方法是在磁環(huán)兩端加入的沒有直流分量且頻帶固定的交流信號,通過改變輸入信號的幅度來確定磁場傳感器的最小分辨率。采集得到的信號通過信號處理的方法得到傳感器的最小分辨率,處理的流程如圖6所示。由于磁環(huán)兩端加入了固定頻率的交流信號,可以提取傳感器獲取對應(yīng)頻率信號的信息與磁環(huán)產(chǎn)生磁場值對比來確定傳感器的最小分辨率。

整個控制流程閉環(huán)控制,不斷加大輸入信號的幅值來確定傳感器的最小分辨率。首先通過一維曲線擬合方法來去除信號的直流分量,matlab中的polyfit和polyval函數(shù)可以實現(xiàn)該功能,使用matlab的fdatool工具箱實現(xiàn)高通濾波器和帶通濾波器設(shè)計,高通濾波器作用是將低頻噪聲消除便于進一步分析[4～5]。在去除直流成分和高通濾波后對信號進行功率譜分析觀察傳感器是否獲取對應(yīng)頻帶的信號,如果沒有對應(yīng)頻率信號則增加輸入信號的幅度繼續(xù)分析,如果有進行帶通濾波獲取對應(yīng)頻率信息,并依據(jù)前面計算得到靈敏度將信號換算為磁場值即為傳感器的最小分辨率,同時與磁環(huán)產(chǎn)生的對應(yīng)頻帶的磁場值對比進一步校正傳感器的靈敏度。

圖7給出了實驗測試得到的波形,在輸入的信號頻率是0.1Hz情況下不同幅值測得的傳感器和磁環(huán)輸出信號,由于格拉斯磁環(huán)產(chǎn)生軸向上的磁場,傳感器的Y軸與磁環(huán)的軸向一致,因此這里只依據(jù)傳感器的Y軸感應(yīng)的磁場大小來分析計算傳感器的最小分辨率。圖7(a)、7(b)和7(c)、7(d)分別給出了傳感器的Y軸和磁環(huán)磁場信號在時域和頻域上的波形,從頻譜分析可以知道兩者能量最高的頻點出現(xiàn)在0.1Hz且磁場強度一致。當繼續(xù)減小輸入信號幅值,頻譜分析得到傳感器輸出信號的頻譜如圖7(e)所示,與圖7(f)磁環(huán)的磁場輸出信號頻譜對比傳感器無法識別出該強度的磁場信號,因此計算得到傳感器的靈敏度6nT。

圖7實驗結(jié)果

6 結(jié)語

利用高精度A/D、D/A卡和磁環(huán)驅(qū)動器構(gòu)建完整的三軸磁傳感器靈敏度和分辨率標定實驗系統(tǒng),得到了傳感器3.52V/Gass的靈敏度和6nT的磁場分辨率。利用濾波、功率譜分析的方法實現(xiàn)了對信號的去噪處理并取得較好效果。該系統(tǒng)有很強的擴展性還可利用光棒作為參考進行更高精度的靈敏度標定,利用格拉斯磁環(huán)對傳感器的三軸靈敏度的一致性進行標定等。測試系統(tǒng)得到的結(jié)果可以用于對磁場測量精度要求不高的場合。

[1]1-and 2-Axis Magnetic Sensor hmc1001-2_1021-2[R].Honeywell

[2]電子設(shè)計技術(shù)[J].EDN,2009

[3]葉平賢,龔沈光.艦船物理場[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1992

[4]劉波,文忠.MATLAB信號處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006

[5]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.MA TLAB7基礎(chǔ)與提高[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007