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传感器磁场电流磁阻传感器在铁矿浓度检测中应用

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0 引言
能源紧张、环境恶化已成为全球关注的热点和焦点。中国是世界第二大能源生产和消费国。国家“十一五”发展规划更是明确了节能减排的约束性指标。提高精矿质量、控制尾矿品位,保证回收率是矿企的责任。本文就是在这样的大背景下,通过应用磁阻传感器快速准确检测矿浆浓度,单片机接收检测信号发出指令控制排矿阀门达到节能减排的目的。
新型的磁密度hmc1021传感器(HMC1021S是一种8pin SOIC封装的单轴磁阻传感器。磁场范围是+/-6高斯,分辨率为85微高斯,灵敏度为1mV/V/高斯)灵敏度高、抗干扰能力强,它的指标可以提高我们的检测精度,实现更优控制,实际应用过程中效果非常好,典型应用包括汽车检测、电磁检漏、电子罗盘、遥控飞机、航空模型等需要二维定位的场合。本次设计中我们用hmc1021传感器与磁场的线性关系来测量磁选机内部的磁场强度,扩展了磁阻传感器的应用。

1 HMC磁阻传感器工作原理
1.1 磁效应
物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应有普通与各向异性之分。各向异性磁电阻效应指;当外加磁场偏离强磁性金属(铁、钴、镍及其合金)内部的磁化方向时,金属的电阻减小,而平行时基木上没有变化,玻莫合金薄膜的电阻率ρ依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角,即500“this.style.width=500;”>玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁场下电阻变化量比较大,因此,适合于弱磁场条件下使用。
1.2 HMC磁阻传感器的特点
整个传感器最关键的部分是其中的惠斯通电桥。当外加磁场后,电桥的电阻变化,引起传感器输出电压Uout变化:Uout=(△R/R)Ub,式中Ub为传感器工作电压。
霍尼韦尔磁阻传感器是简单的电阻电桥设备(图1),只需要一个供电电压便可测量磁场。当0-10伏的电压连接到桥路上时传感器开始测量轴线内的环境磁场或施加磁场。除了电桥电路外传感器的芯片上有两个磁耦合的电流带一偏置电流带和置位/复位电流带。这些电流带是霍尼韦尔的专利,它省去了外部加装线圈的需要。磁阻传感器是由在硅圆片上电积的一个薄层镍铁(或称坡莫合金或镍铁导磁合金)薄膜制成,并布置成一个电阻带,存在施加磁场时,电桥电阻的变化使电压输出产生相应的变化。

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通常施加在薄膜侧的外部磁场使磁力线产生旋转并改变其角度,这又使电阻值发生变化(△R/R),并造成惠斯通电桥的电压输出的变化。这种镍铁电阻的变化被称作磁阻效应,它直接与电流的方向和磁化矢量有关。制造过程中,敏感轴(磁场方向)被设置为沿薄膜长度的方向,这样可使施加在镍铁薄膜的磁场导致电阻值的最大变化。但是沿敏感轴的强磁场(大于10高斯)的影响,会扰乱或翻转薄膜磁化的极性,改变传感器的特性。针对这样的扰动磁场,为了恢复位后的响应或置位传感器的特性,必须短暂地施加一个强的恢复磁场,这种做法被称作施加置位脉冲或复位脉冲。电桥输出信号的极性取决于此内部薄膜的磁化方向并且与零磁场输出相对称。置位和复位电流带用来修正传感器灵敏度。在外场超过10×10-4T的磁场会打乱传感器内部磁畴的极化方向,改变传感器的输出特性,降低灵敏度。利用置位和复位电流带上施加脉冲,使内部磁畴的极化方向统一,提高灵敏度。

2 传感器电路设计
电路设计以芯片和元件为基础,由数据采集、仪表放大器、V/F转换组成

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2.1 hmc1021传感器电路设计
在磁选机现场大多数低磁场传感器会受到大的磁场干扰(>4-20Gause)的影响,可能导致输出信号的衰变,为了减少这种影响和最大化信号输出可以在磁阻电桥上应用磁开关切换技术来消除过去磁历史的影响。置位/复位电流带的目的就是把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。这可以通过将大电流脉动通过S/R电流带实现。S/R电流带看起来像加在SR+和SR-引脚之间的一个电阻,此电流带与偏置电流带不同,因为它是以垂直轴或不敏感的方向磁耦合到磁阻传感器上的,一旦传感器被置位(或复位)可实现低噪音和高灵敏度的磁场测量。当磁阻传感器暴露于干扰磁场中,传感器元件会分成若干方向随机的磁区域(图3A)从而导致灵敏度衰减峰值电流高于最低要求电流的脉冲电流(置位)通过置位/复位电流带将生成一个强磁场,此磁场

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芯片内的S/R应通过脉冲电流来重新对准或翻转传感器内的磁区域,此脉宽可短至2微秒连续脉冲时平均耗电少于1mA(DC)。可选定为每50 ms有一个2 μs脉宽的脉冲或者更长以节电,唯一的要求是每个脉冲只在一个方向上施加。利甩S/R电流带可以消除或减少许多影响,包括温度漂移和由于高磁场的存在而导致信号输出的丢失。

图4所示的电路是采用555计时器设计一个典型的多谐振荡器电路,R1、R2、C6构成充放电回路。二极管D1、D2可调整脉冲的占空比。555的2、6管脚触发电位随电容充放电而变化,在3管脚输出脉冲信号,该信号控制继电器触点的闭合。由10 μF的电容产生置位电流脉冲送给传感器的SR+管脚进行置位,为了减少噪音应在电源上串联一个200 Ω的降压电阻。HMC传感器在保证高灵敏度的前提下可将矿粒的浓度信号转换为电压信号输出。磁阻传感器安装的方向将直接影响到测试的结果,安装时要调好位置与方向,安装后不要随意改动,方向应取测的数据最敏感方向,即显示数据值最大的方向,位置应该根据磁选机深度进行合适选取。根据现场试验,全长1000mm的传感器倾斜放入槽内200mm为最佳。

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2.2 放大及V/F转换电路
在信号检测、控制系统中,敏感元件的输出信号往往都比较小,不能直接进行A/D转换、记录、显示或用于控制。所以一般都需要将这些信号放大或标准化处理。目前放大电路大部分采用集成运算放大器。
AD623仪表放大器的驱动能力比较小,它是为驱动10kΩ以上负载阻抗而设计的。实际电路中负载阻抗低于10kΩ,它的输出端应该再加一级精密单电源缓冲器(例如OP191)来提高驱动能力。AD623对磁阻传感器传递来的检测信号放大100倍及进行标准化处理,然后通过OP191传送给V/F转换器件。
目前,A/D转换技术得到了广泛应用,利用A/D转换技术制成的各种测试仪器其测量结果准确而受欢迎。但在某些要求数据长距离传输,精度高和精度要求高、资金有限的场合,采用一般的A/D转换技术就有许多不便,这时可使用V/F转换器代替A/D器件。V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件,有良好的精度、线性和积分输入特点,此外,它的应用电路简单,外围元件性能要求不高,适应环境能力强,转换速度不低于一般的双积分型A/D器件,且价格低,因此V/F转换技术广泛用于非快速A/D过程中。这是我们这次设计采用AD654而不用C8051的A/D的原因。
设计采用AD654系列(见图5),模拟输入电压VIN由放大器的同相端4脚输入,由输入放大器和NPN管跟随器组成的输入级把VIN转换成一个驱动电流IT=VIN/R9,该驱动电流同时向定时电容CT充电,多谐振荡器的振荡频率(输出频率)与这个充电电流成正比。输出频率由VIN、R9和C共同确定,其关系为:f_{out}={V_{in}}\over{{10V}{R{2}}{C_{T}}}。NPN管跟随器的最大驱动电流为2mA,但为获得最佳性能,应使满度输入电压时的驱动电流为1mA。因此,当满度输入电压时,R8应取1k,C1=0.1 μF,则输出频率为0~10kHz。OP191输出的信号经过电阻R9送入AD654的4脚,经过V/F转换后送入单片机。

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在磁选机的工作环境下,当V/F转换器与单片机之间距离较远时需要采用驱动电路以提高传输能力。一般可采用串行通信的驱动器和接收器来实现。电源干扰大,模拟电路部分容易对单片机产生电气干扰,可采用光电隔离的方法使V/F转换器与单片机无电信号联系。

3 结语
设计了一种基于hmc1021磁阻传感器的铁矿浆浓度检测系统。结果表明,此装置运行平稳,故障率低,达到了快速准确测量的目的,使精矿品位提高,尾矿品位降低,大大提高了选矿厂的经济效益。

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