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引言：传统的位置测量多采用接触式，由于大多是机械式移动的部件，常常会发生磨损，这样会在已磨损的位置出现局部信号的丢失。另外，还对冲击和振动等较敏感。如果采用非接触测量，可以大大改善这个问题。本文将介绍一种基于磁阻传感器的非接触测量方案。当角度或线性运动物体配有传感器或固定磁铁，再附装上传感元件，就可以定量确定合成磁场的相关方向，进而通过数据采集电路实现角度或线形位移测量。
1、ARM传感器原理
磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器，为了便于信号处理，需要磁传感器能将磁信号转换为电信号输出。磁传感器主要是利用一些物质的磁电效应、磁阻效应、磁光效应、热敏效应等原理制造而成，其分类主要有霍尔器件、半导体磁敏电阻、磁敏二极管、磁通门等很多种类，可以应用于线性位移测量、角位移测量、刹车防抱死系统、马达测量等方面。本文磁位置传感器选用Honeywell公司的ARM传感器。ARM传感器通常采用坡莫合金的含铁材料，图1为外加磁场和电流情况的坡莫合金元件，θ为磁矩矢量M和电流I的夹角。在铁磁性材料中，当沿着一条长而薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值发生变化。将其制成四个电阻元件构成的慧斯顿电桥传感器，即ARM桥，如图2所示。每个带状磁阻都具有以COS2θ关系改变电阻的能力。
图1 ARM元件 图2 ARM电桥
2、方案设计
2.1电路设计方案
利用多个Honeywell公司的ARM传感器进行对磁场位置的测量，将磁场信息转换为电压信号，经过信号处理对信号放大、选择，进行数模转换成数字信号，利用单片机进行数据采集及相应控制，输出转换后的数据信息。为了便于显示，输出采用数码管显示。该方案的电路设计主要有以下内容。
2.2磁测量电路的设计
对磁场的感应采用磁组传感器HMC1512，含有两个ARM电桥。具有尺寸小、低功耗、表面贴装、非接触、超低偏差、高灵敏度、大动态反应等特点。
HMC1512角度范围为±90°，分辨率<0.07度，两个电桥A、B差分输出电压分别为：
（1）
（2）
其中，VS为供电电压；S为材料常数；θ为磁场参考角度。
由于正弦（传感器电桥A）和余弦（传感器电桥B），减去偏置误差后成比例，所以电桥A与电桥B的比将产生一个tgθ函数，并消去了幅值。因此，角度θ可以这样计算：
（3）
根据角度范围对三角函数进行修订，完成±180°或0°～360°角度解算。利用多个传感器排列成线性或圆状，确定出传感器与传感器的距离，调整好磁铁与传感器的距离，将磁场转换为电压信号方便进行信号处理。
2.3放大电路的设计
磁阻传感器HMC1512额定峰峰值范围在120mV以内，因此需要设计信号放大电路，电路图如图3所示列举传感器A的放大电路。增益设计为25。为了抵消电桥上的零点偏置电压，设置电位器进行微调。
图3 信号放大电路
2.4通道选择电路的设计
由于单个传感器与磁铁测试的距离较小，线性距离通常为8mm。因此需要研究如何利用多个传感器排列，解决转换距离短的问题，扩大位置范围。本方案以选用8个ARM传感器为例，利用通道选择电路设计，确定各通道选择的边界条件。根据实际通道，电路采用模拟开关实现。选取原则是要满足电路的通道数量、供电以及具有低导通电阻，如采用ADG526（8/16通道模拟开关）实现。
2.5模数转换电路的设计
该电路设计主要采用专用A/D转换芯片。综合考虑精度和通道数量，选用16位串行接口的AD7705。
2.6通讯RS232接口硬件设计
RS232是目前最常用的一种串行通讯接口。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。电路设计如
图4。
图4 RS232硬件设计
2.7 数码显示电路设计
为了直观显示输出值，采用5个数码管显示。图5为一个数码显示电路。
图5 数码显示电路
2.8数据处理及控制的软件设计
采用单片机进行数据采集及电路控制，其流程图如图4所示。
否
是
每个通道边界确定条件为：
通道1：0≤通道采集值<0.5
通道2：0.5≤通道采集值<1.0
通道3：1.0≤通道采集值<1.5
通道4：1.5≤通道采集值<2.0
通道5：2.0≤通道采集值<2.5
通道6：2.5≤通道采集值<3.0
通道7：3.0≤通道采集值<3.5
通道8：3.5≤通道采集值
串口数据发送采用中断发送，主循环判断发送结束标志是否为1，如果为1，发送结束，清标志。
3、总结
常用的单个传感器和磁铁之间的线性距离较小，如果多个传感器排列起来使用，线形距离可能会增加。通过多个传感器排列并进行数据处理，理论上可以进行长距离测试。
该方案采用高分辨率、低功耗的磁阻传感器完成对磁信号到电信号转换，在外磁场的作用下磁阻的变化引起输出电压的变化并直接表示磁场的强度，可以测量从以磁铁发出的磁场方向角。具有以下优势：
a. 可以承受传感器和磁铁之间间隙较大变化；
b. 与增量式的“编码器”类的传感器不同，不需要分度来提供相应位置的输出；
c. 没有可移动的部件，不会发生磨损；不会像传统的接触式的旋转变压那样，在已磨损的位置出现信号的丢失。
另外，为了获得最佳性能，在传感器位置上要求满足一定的磁场强度。同时，还需进行不同磁场环境的研究。一个简单的偶极磁铁通常在接近其极点初具有最强的磁场强度，且磁场强度随着距离的加大而逐渐减小。不同磁铁材料或不同的距离均对转换有影响。典型线性位移测量的分辨率为2密尔，精度为0.1%，但这在很大程度上取决于辅助接口电子设备。因此后续还需对磁铁的材料（铝镍钴磁铁或陶瓷烧结磁铁）及装配方式、磁场方向角等进行技术研究，确定最佳装配位置。
参考文献
[1] 磁位置传感器的应用. Honeywell.
[2] HMC1501/1502.PDF.
[3]张海峰，刘晓为，王喜莲，等.电磁阻效应及其应用[J].哈尔滨工业大学学报，2008.
[4]张培仁；孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]计算机控制技术与系统 /林敏，薛红主编.-北京：中国轻工业出版社，1999.6（2001.6重印）.
作者简介
周晶（1981-）女，陕西人，工程师，现主要从事混合集成电路研究工作。
1、ARM传感器原理
磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器，为了便于信号处理，需要磁传感器能将磁信号转换为电信号输出。磁传感器主要是利用一些物质的磁电效应、磁阻效应、磁光效应、热敏效应等原理制造而成，其分类主要有霍尔器件、半导体磁敏电阻、磁敏二极管、磁通门等很多种类，可以应用于线性位移测量、角位移测量、刹车防抱死系统、马达测量等方面。本文磁位置传感器选用Honeywell公司的ARM传感器。ARM传感器通常采用坡莫合金的含铁材料，图1为外加磁场和电流情况的坡莫合金元件，θ为磁矩矢量M和电流I的夹角。在铁磁性材料中，当沿着一条长而薄的铁磁合金带的长度方向施加一个电流，在垂直电流的方向施加一个磁场，合金带自身的阻值发生变化。将其制成四个电阻元件构成的慧斯顿电桥传感器，即ARM桥，如图2所示。每个带状磁阻都具有以COS2θ关系改变电阻的能力。
图1 ARM元件 图2 ARM电桥
2、方案设计
2.1电路设计方案
利用多个Honeywell公司的ARM传感器进行对磁场位置的测量，将磁场信息转换为电压信号，经过信号处理对信号放大、选择，进行数模转换成数字信号，利用单片机进行数据采集及相应控制，输出转换后的数据信息。为了便于显示，输出采用数码管显示。该方案的电路设计主要有以下内容。
2.2磁测量电路的设计
对磁场的感应采用磁组传感器HMC1512，含有两个ARM电桥。具有尺寸小、低功耗、表面贴装、非接触、超低偏差、高灵敏度、大动态反应等特点。
HMC1512角度范围为±90°，分辨率<0.07度，两个电桥A、B差分输出电压分别为：
（1）
（2）
其中，VS为供电电压；S为材料常数；θ为磁场参考角度。
由于正弦（传感器电桥A）和余弦（传感器电桥B），减去偏置误差后成比例，所以电桥A与电桥B的比将产生一个tgθ函数，并消去了幅值。因此，角度θ可以这样计算：
（3）
根据角度范围对三角函数进行修订，完成±180°或0°～360°角度解算。利用多个传感器排列成线性或圆状，确定出传感器与传感器的距离，调整好磁铁与传感器的距离，将磁场转换为电压信号方便进行信号处理。
2.3放大电路的设计
磁阻传感器HMC1512额定峰峰值范围在120mV以内，因此需要设计信号放大电路，电路图如图3所示列举传感器A的放大电路。增益设计为25。为了抵消电桥上的零点偏置电压，设置电位器进行微调。
图3 信号放大电路
2.4通道选择电路的设计
由于单个传感器与磁铁测试的距离较小，线性距离通常为8mm。因此需要研究如何利用多个传感器排列，解决转换距离短的问题，扩大位置范围。本方案以选用8个ARM传感器为例，利用通道选择电路设计，确定各通道选择的边界条件。根据实际通道，电路采用模拟开关实现。选取原则是要满足电路的通道数量、供电以及具有低导通电阻，如采用ADG526（8/16通道模拟开关）实现。
2.5模数转换电路的设计
该电路设计主要采用专用A/D转换芯片。综合考虑精度和通道数量，选用16位串行接口的AD7705。
2.6通讯RS232接口硬件设计
RS232是目前最常用的一种串行通讯接口。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。电路设计如
图4。
图4 RS232硬件设计
2.7 数码显示电路设计
为了直观显示输出值，采用5个数码管显示。图5为一个数码显示电路。
图5 数码显示电路
2.8数据处理及控制的软件设计
采用单片机进行数据采集及电路控制，其流程图如图4所示。
否
是
每个通道边界确定条件为：
通道1：0≤通道采集值<0.5
通道2：0.5≤通道采集值<1.0
通道3：1.0≤通道采集值<1.5
通道4：1.5≤通道采集值<2.0
通道5：2.0≤通道采集值<2.5
通道6：2.5≤通道采集值<3.0
通道7：3.0≤通道采集值<3.5
通道8：3.5≤通道采集值
串口数据发送采用中断发送，主循环判断发送结束标志是否为1，如果为1，发送结束，清标志。
3、总结
常用的单个传感器和磁铁之间的线性距离较小，如果多个传感器排列起来使用，线形距离可能会增加。通过多个传感器排列并进行数据处理，理论上可以进行长距离测试。
该方案采用高分辨率、低功耗的磁阻传感器完成对磁信号到电信号转换，在外磁场的作用下磁阻的变化引起输出电压的变化并直接表示磁场的强度，可以测量从以磁铁发出的磁场方向角。具有以下优势：
a. 可以承受传感器和磁铁之间间隙较大变化；
b. 与增量式的“编码器”类的传感器不同，不需要分度来提供相应位置的输出；
c. 没有可移动的部件，不会发生磨损；不会像传统的接触式的旋转变压那样，在已磨损的位置出现信号的丢失。
另外，为了获得最佳性能，在传感器位置上要求满足一定的磁场强度。同时，还需进行不同磁场环境的研究。一个简单的偶极磁铁通常在接近其极点初具有最强的磁场强度，且磁场强度随着距离的加大而逐渐减小。不同磁铁材料或不同的距离均对转换有影响。典型线性位移测量的分辨率为2密尔，精度为0.1%，但这在很大程度上取决于辅助接口电子设备。因此后续还需对磁铁的材料（铝镍钴磁铁或陶瓷烧结磁铁）及装配方式、磁场方向角等进行技术研究，确定最佳装配位置。
参考文献
[1] 磁位置传感器的应用. Honeywell.
[2] HMC1501/1502.PDF.
[3]张海峰，刘晓为，王喜莲，等.电磁阻效应及其应用[J].哈尔滨工业大学学报，2008.
[4]张培仁；孙力.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2007.
[5]计算机控制技术与系统 /林敏，薛红主编.-北京：中国轻工业出版社，1999.6（2001.6重印）.
作者简介
周晶（1981-）女，陕西人，工程师，现主要从事混合集成电路研究工作。