高性能三分量磁阻磁强计

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1、第二十四届全国空间探测学术交流会论文高性能三分量磁阻磁强计葛丽丽王劲东（中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190）摘要：随着科学技术的发展，人们在磁场测量方面作了大量的工作，设计出了各种不同的磁场传感器，并广泛的应用于磁场测量中。本论文的研究目的是利用HMC1001磁阻传感器研制高性能三分量磁场传感器，推进磁阻磁强计在空间磁场探测任务中的应用。本文介绍的高性能三分量磁阻磁强计体积小，重量轻，采用交流耦合+闭环的工作模式，能够有效的消除外界强磁场的干扰以及磁阻传感器的历史影响，抑制温漂和非线形失真，提高传感器的灵敏度和分辨率。测试结果表明，三分量磁阻

2、磁强计在灵敏度，线性度，非线性失真等方面的性能良好，达到了国际领先水平。关键词：磁阻磁强计，磁阻传感器，HMC1001，闭环测量1.引言在科技工作中，研究和测定磁场及其随时间变化的仪器、测定磁异常及研究磁性的仪器、测定磁场强度的仪器等统称磁强计。目前磁场探测仪器主要包括磁通门、质子旋进、光泵、霍尔效应、磁阻等原理的磁强计。其中磁阻磁强计的体积小，成本低，灵敏度高，对弱磁场测量具有很高的可靠性，分辨率和准确度高，测量范围广。在探测磁场的大小、方向以及在探矿、地下钻孔、位置检测、航海系统等方面得到了广泛的应用，国际上已有国家将磁阻磁强计应用于空间磁场探测任务当

3、中。本文利用HMC1001磁阻传感器设计高性能三分量磁阻磁强计。文中详细介绍了三分量磁阻磁强计的设计和性能测试。2.系统设计与实现单轴磁阻磁强计的研制已经完成，并通过测试。测试结果表明，单轴磁阻磁强计在灵敏度，线性度，抑制温漂和非线性失真等方面的性能良好，达到了国际领先水平，并且体积小重量轻。在实际应用中，对三分量磁阻磁强计的需求很大。系统的研制目标是在单轴磁阻磁强计的研制基础上研制高性能三分量磁阻磁强计，推进磁阻磁强计在空间磁场探测任务中的应用。所以，加快研制高性能的三分量磁阻磁强计是非常急迫的。系统采用美国霍尼韦尔Honeywell公司生产的HMC10

4、01/2一轴/二轴基本传感器芯片，HMC1001/2传感器的工作原理是利用各向异性磁阻效应，磁阻传感器是以硅作为衬底，在其上制作四个相同的铁镍合金带形成惠斯通电桥。当通电磁性薄膜置于外加磁场中时，薄膜电阻将会发生变化。电桥供电电源驱动薄膜中的电流，当空间磁场为零时，四片薄膜电阻均为R，当外界施加磁场时，薄膜的磁化状态发生变化，磁化方向顺着电流方向，相当放置的两片薄膜的电阻减小，另外两片薄膜的磁化方向与电流方向相反，电阻增大。在线性范围内，输出电压与被测磁场成正比。通过实验测试可知，HMC1002两轴传感器的性能比HMC1001一轴传感器的性能差，所以选用三

5、片HMC1001一轴传感器来实现。1第二十四届全国空间探测学术交流会论文2.1HMC1001简介HMC1001有三个重要组成部分：1）惠斯通电桥：由四个相同坡莫合金带形成的，被测磁场会引起电阻的变化，最终引起输出电压的变化。2）磁场偏置电流带(offsetstrap)：通过调整偏置电流带可以消除任何一个周围的磁场，并可以使传感器工作在闭环模式下。3）置位/复位电流带(S/Rstrap)：消除强磁场对磁阻传感器的历史影响，提高信号输出。有效地消除温漂、非线形失真等影响，大大提高了磁阻式传感器的灵敏度。HMC1001封装尺寸大约为11mm*7mm*1.5mm。

6、2.2系统设计本文所设计的磁阻磁强计的优势在于：采用交流耦合+闭环工作模式。交流耦合模式有效的消除强磁场对磁阻传感器的历史影响和外界强磁场的干扰，提高灵敏度和线性度，并可以有效的抑制温漂的影响。闭环工作模式能够稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，扩展频带。具体实现如下：1）利用offsetstrap(磁场偏置电流带)设计反馈电路，使传感器工作在闭环模式下。将磁阻输出的模拟信号经过前级放大，交流耦合，相敏解调，积分电路后得到的信号通过U/I转换电路。将U/I转换得到的电流作为负反馈接到磁场偏置电流带，形成闭环回路。2）设计置位/复位电路模块产生置位

7、/复位脉冲电流，并采用串联的方式，依次流经三个HMC1001芯片的置位/复位电流带（S/Rstrap），如图1所示。串联的好处在于：大大降低了所需电流值。图1S/R脉冲Fig.1S/RPulse系统由磁阻传感器和电子学两部分组成，两部分之间通过数据接口连接。电子学部分包括数字电路板和模拟电路板。磁阻传感器由三片HMC1001组成。模拟电路板由S/R激励电路、电源模块和三分量的信号处理电路组成，毎分量的信号处理电路依次包括前级放大2第二十四届全国空间探测学术交流会论文电路、交流耦合电路、相敏解调电路、积分电路、Offset反馈电路和低通滤波电路。模拟输出在数

8、字电路板进行AD转换，通过RS232接口，在PC机上实时显示和检测