Датчики магнитного поля от Honeywell
Магниторезистивные датчики магнитного поля от honeywell. Примеры подключений и особенности работы.
Датчики магнитного поля серии hmc10xx состоят из 4-элекментного моста Уинстона. Магниторезистивные датчики преобразуют магнитное поле в дифференциальный сигнал, способный уловить изменение поля в 30 uG. Основное применение - недорогие измерители слабого магнитного поля: компасы, магнетометры.
Основа датчика
В основе датчика - простой резистивный мост, требующий только напряжения питания (0 - 10 Вольт) для измерения магнитного поля. В дополнение к измерительному мосту датчик имеет две магнитозависимых цепи - цепь смещения и цепь установки/сброса.
Магниторезистивный датчик состоит из тонкой пленки сплава никеля с железом на кремниевой подложке. Изменение магнитного поля создает изменение изменение оммического сопротивления на выходе датчика. Приложенное сбоку от пленки внешнее магнитное поле разворачивает вектор намагниченности чувствительного элемента. Изменение направления вектора намагниченности создает разность потенциалов на выходе моста Уинстона.
При производстве датчиков выбирается одна магнитная ось для всей полученной пленки, это позволяет создавать наилучшую чувствительность сопротивления от приложенного внешнего магнитного поля. Если вдоль выбранного направления будет приложено большое магнитное поле (порядка 10 Гс), то характеристики датчика значительно ухудшаться. Для того чтобы восстановить датчик в прежнее состояние, его необходимо перемагнитить высоким магнитным полем, т.е. установить базовые характеристики.
Цепь сброса/установки позволяет восстановить характеристики датчика после сильных магнитных полей, это необходимо для точного измерения малых магнитных полей. В цепи сброса/установки для восстановления вектора намагниченности необходимо подавать импульсный высокий ток.
Для того чтобы восстановить измерительные свойства датчика необходимо создать короткий импульс (около 2 микросекунд) экспоненциальной формы с максимальной амплитудой в несколько ампер (см. тип датчика, для hmc100x около 4 А, для hmc102x около 1 А). В приведенной схеме сброса конденсатор С1 (10 микрофарад) заряжается 8-вольтовым источником через сопротивление R1 (которое служит для того, чтобы не создавать помехи в питающую сеть, что особенно важно в измерительной цепи), образуя RC-фильтр для сети питания. Цепь Vsource и Rsource дают управляющий импульс на схему сброса, открывая таким образом транзисторный ключ X1-X2 и разряжая конденсатор С1 на нагрузку цепи сброса/установки. Чтобы создать короткий экспоненциальный импульс в цепь нагрузки последовательно включены конденсаторы C2 и C3, фильтрующие постоянную составляющую. К выбору этих конденсаторов стоит подойти очень внимательно, следует выбирать емкости с низким ESR, чтобы пропустить через себя высокий импульсный ток. Следует учесть, что увеличивая емкость мы увеличиваем длительность импульса. Рекомендуемые значения конденсаторов от 0.1 микроФ до 1 микроФ, танталовые. Цепь R2 и C4 служить в качестве RC-фильтра для управляющего сигнала и установки исходного положения высокого уровня транзистора X1.
Цепь смещения датчика позволяет создать некоторое "дополнительное" или "компенсирующее" магнитное поле для датчика. Если на цепь смещения подать определенный ток, то цепь будет создавать дополнительное магнитное поле. С помощью этого метода можно калибровать магнитные датчики, повышать точность измерений и компенсировать постоянную составляющую.
В приведенном примере для датчика hmc1002 сигнал с мостовой схемы поступает на усилители X1B и X1A для различных осей соответственно. Рассмотрим работу усилительного каскада для одной оси, для усилителя X1B. Усилитель включен по схеме дифференциального усиления, т.е. усиление разности напряжения на инвертирующем и неинвертирующим каскадах. Согласно схеме включения, R13 и R14, как и R16 R15 должны быть максимально одинаковыми чтобы усилитель работал в нужном режиме и хорошей точностью. Отношение величин сопротивлений R13 и R15 определяет коэффициент усиления схемы. Конденсатор C2 используется в качестве фильтра высоких частот, необходим для стабильности и правильной работы схемы. Резистор R16 обеспечивает подтяжку к напряжению смещения Vref, составляющую половину напряжения питания (для того чтобы можно было проводить измерения положительного и отрицательного магнитных полей). Vref формируется при помощи стандартной цепочки из резистивного делителя R19 R20, буферизированного операционным усилителем X1C для согласования нагрузки на Vref и большей стабильности схемы. С3 используется для фильтрации помех по питанию. В схеме Используется однополярное питание, что позволяет ее применять во встраиваемых приложениях, работающих от АКБ, где особо важно однополярное питание.
Схема является базовой и простейшей. Главные достоинства схемы в том, что используются популярные доступные и недорогие компоненты, соответственно очень низкая цена устройства на выходе. Большой плюс схемы и в том, что используется однополярное питание.
Недостатки стандартны для используемой схемтохники. Во-первых при использовании однополярного питания и измерения отрицательного напряжения необходимо использовать цепь смещения (резистор R8), таким образом если присутствую какие-либо помехи в цепи Vref (соответственно цепи питания), то они усилятся вместе с полезным сигналом. Формирование Vref тоже не самое "идеальное", т.к. для формирования напряжения смещения используется резистивный делитель, поэтому необходимо тщательно отбирать сопротивления. Узел формирования Vref можно заменить более дорогостоящим вариантом - бандгапом, в котором нет необходимости во внешних компонентах. еще одна проблема схемы - измерения напряжения на операционных усилителях X1A и X1B. При дифференциальном включении необходимо использовать очень качественные сопротивления, но даже в этом случае номиналы будут отличаться. Этот узел целесообразно заменить инструментальным усилителем с лазерной подгонкой сопротивлений, практически не требующий внешних компонентов. Да и сам усилитель lm324n ( и соответственно более низковольтный вариант lmv324n) не является прецизионным.
При подключении более дешевого датчика hmc1021 или hmc1022 стоит учесть некоторые особенности. Во-первых, амплитуда импульса должна быть ниже, чем у hmc1001, поэтому цепь сброса/установки немного упрощается. Во-вторых номиналы сопротивлений, задающих усиления надо пересчитать, т.к. чувствительность датчика немного ниже. Плечи моста также имеют немного большие сопротивления.
При разработке устройства на основе датчика магнитного поля необходимо учитывать условия эксплуатации прибора: значения сопротивлений плеч моста и соответственно выходного сигнала значительно меняется от температуры (разница в показаниях может отличаться более чем на 100% при различных температурах).
