磁阻傳感器在鐵礦濃度檢測(cè)中應(yīng)用

摘要：為快速有效地對(duì)鐵礦漿濃度進(jìn)行檢測(cè)，保證精礦質(zhì)量，采用了基于磁阻傳感器的新型檢測(cè)系統(tǒng)。本文闡明磁阻傳感器檢測(cè)礦漿濃度的工作原理，著重介紹了hmc1021芯片置位和復(fù)位電路特點(diǎn)，檢測(cè)、放大及V／F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方法。對(duì)磁阻傳感器在磁選機(jī)中的安放位置進(jìn)行了詳細(xì)說明，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明該系統(tǒng)在使用過程中運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了大量能源。同時(shí)也為Hmc1021磁阻傳感器在礦山其它選礦設(shè)備應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：磁阻傳感器；濃度檢測(cè)；置位和復(fù)位電路；V／F轉(zhuǎn)換

0 引言
    能源緊張、環(huán)境惡化已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。中國(guó)是世界第二大能源生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。國(guó)家“十一五”發(fā)展規(guī)劃更是明確了節(jié)能減排的約束性指標(biāo)。提高精礦質(zhì)量、控制尾礦品位，保證回收率是礦企的責(zé)任。本文就是在這樣的大背景下，通過應(yīng)用磁阻傳感器快速準(zhǔn)確檢測(cè)礦漿濃度，單片機(jī)接收檢測(cè)信號(hào)發(fā)出指令控制排礦閥門達(dá)到節(jié)能減排的目的。
    新型的磁密度hmc1021傳感器(HMC1021S是一種8pin SOIC封裝的單軸磁阻傳感器。磁場(chǎng)范圍是+／-6高斯，分辨率為85微高斯，靈敏度為1mV／V／高斯)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，它的指標(biāo)可以提高我們的檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)控制，實(shí)際應(yīng)用過程中效果非常好，典型應(yīng)用包括汽車檢測(cè)、電磁檢漏、電子羅盤、遙控飛機(jī)、航空模型等需要二維定位的場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)中我們用hmc1021傳感器與磁場(chǎng)的線性關(guān)系來測(cè)量磁選機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，擴(kuò)展了磁阻傳感器的應(yīng)用。

1 HMC磁阻傳感器工作原理
1．1 磁效應(yīng)
    物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)。磁電阻效應(yīng)有普通與各向異性之分。各向異性磁電阻效應(yīng)指；當(dāng)外加磁場(chǎng)偏離強(qiáng)磁性金屬(鐵、鈷、鎳及其合金)內(nèi)部的磁化方向時(shí)，金屬的電阻減小，而平行時(shí)基木上沒有變化，玻莫合金薄膜的電阻率ρ依賴于磁化強(qiáng)度M和電流I方向的夾角，即500“this．style．width=500；”>玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁場(chǎng)下電阻變化量比較大，因此，適合于弱磁場(chǎng)條件下使用。
1．2 HMC磁阻傳感器的特點(diǎn)
    整個(gè)傳感器最關(guān)鍵的部分是其中的惠斯通電橋。當(dāng)外加磁場(chǎng)后，電橋的電阻變化，引起傳感器輸出電壓Uout變化：Uout=(△R／R)Ub，式中Ub為傳感器工作電壓。
    霍尼韋爾磁阻傳感器是簡(jiǎn)單的電阻電橋設(shè)備(圖1)，只需要一個(gè)供電電壓便可測(cè)量磁場(chǎng)。當(dāng)0-10伏的電壓連接到橋路上時(shí)傳感器開始測(cè)量軸線內(nèi)的環(huán)境磁場(chǎng)或施加磁場(chǎng)。除了電橋電路外傳感器的芯片上有兩個(gè)磁耦合的電流帶一偏置電流帶和置位／復(fù)位電流帶。這些電流帶是霍尼韋爾的專利，它省去了外部加裝線圈的需要。磁阻傳感器是由在硅圓片上電積的一個(gè)薄層鎳鐵(或稱坡莫合金或鎳鐵導(dǎo)磁合金)薄膜制成，并布置成一個(gè)電阻帶，存在施加磁場(chǎng)時(shí)，電橋電阻的變化使電壓輸出產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

    通常施加在薄膜側(cè)的外部磁場(chǎng)使磁力線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并改變其角度，這又使電阻值發(fā)生變化(△R／R)，并造成惠斯通電橋的電壓輸出的變化。這種鎳鐵電阻的變化被稱作磁阻效應(yīng)，它直接與電流的方向和磁化矢量有關(guān)。制造過程中，敏感軸(磁場(chǎng)方向)被設(shè)置為沿薄膜長(zhǎng)度的方向，這樣可使施加在鎳鐵薄膜的磁場(chǎng)導(dǎo)致電阻值的最大變化。但是沿敏感軸的強(qiáng)磁場(chǎng)(大于10高斯)的影響，會(huì)擾亂或翻轉(zhuǎn)薄膜磁化的極性，改變傳感器的特性。針對(duì)這樣的擾動(dòng)磁場(chǎng)，為了恢復(fù)位后的響應(yīng)或置位傳感器的特性，必須短暫地施加一個(gè)強(qiáng)的恢復(fù)磁場(chǎng)，這種做法被稱作施加置位脈沖或復(fù)位脈沖。電橋輸出信號(hào)的極性取決于此內(nèi)部薄膜的磁化方向并且與零磁場(chǎng)輸出相對(duì)稱。置位和復(fù)位電流帶用來修正傳感器靈敏度。在外場(chǎng)超過10×10-4T的磁場(chǎng)會(huì)打亂傳感器內(nèi)部磁疇的極化方向，改變傳感器的輸出特性，降低靈敏度。利用置位和復(fù)位電流帶上施加脈沖，使內(nèi)部磁疇的極化方向統(tǒng)一，提高靈敏度。

2 傳感器電路設(shè)計(jì)
    電路設(shè)計(jì)以芯片和元件為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)采集、儀表放大器、V／F轉(zhuǎn)換組成

2．1 hmc1021傳感器電路設(shè)計(jì)
    在磁選機(jī)現(xiàn)場(chǎng)大多數(shù)低磁場(chǎng)傳感器會(huì)受到大的磁場(chǎng)干擾(>4-20Gause)的影響，可能導(dǎo)致輸出信號(hào)的衰變，為了減少這種影響和最大化信號(hào)輸出可以在磁阻電橋上應(yīng)用磁開關(guān)切換技術(shù)來消除過去磁歷史的影響。置位／復(fù)位電流帶的目的就是把磁阻傳感器恢復(fù)到測(cè)量磁場(chǎng)的高靈敏度狀態(tài)。這可以通過將大電流脈動(dòng)通過S／R電流帶實(shí)現(xiàn)。S／R電流帶看起來像加在SR+和SR-引腳之間的一個(gè)電阻，此電流帶與偏置電流帶不同，因?yàn)樗且源怪陛S或不敏感的方向磁耦合到磁阻傳感器上的，一旦傳感器被置位(或復(fù)位)可實(shí)現(xiàn)低噪音和高靈敏度的磁場(chǎng)測(cè)量。當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場(chǎng)中，傳感器元件會(huì)分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域(圖3A)從而導(dǎo)致靈敏度衰減峰值電流高于最低要求電流的脈沖電流(置位)通過置位／復(fù)位電流帶將生成一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)

    芯片內(nèi)的S／R應(yīng)通過脈沖電流來重新對(duì)準(zhǔn)或翻轉(zhuǎn)傳感器內(nèi)的磁區(qū)域，此脈寬可短至2微秒連續(xù)脈沖時(shí)平均耗電少于1mA(DC)?？蛇x定為每50 ms有一個(gè)2 μs脈寬的脈沖或者更長(zhǎng)以節(jié)電，唯一的要求是每個(gè)脈沖只在一個(gè)方向上施加。利甩S／R電流帶可以消除或減少許多影響，包括溫度漂移和由于高磁場(chǎng)的存在而導(dǎo)致信號(hào)輸出的丟失。

    圖4所示的電路是采用555計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)典型的多諧振蕩器電路，R1、R2、C6構(gòu)成充放電回路。二極管D1、D2可調(diào)整脈沖的占空比。555的2、6管腳觸發(fā)電位隨電容充放電而變化，在3管腳輸出脈沖信號(hào)，該信號(hào)控制繼電器觸點(diǎn)的閉合。由10 μF的電容產(chǎn)生置位電流脈沖送給傳感器的SR+管腳進(jìn)行置位，為了減少噪音應(yīng)在電源上串聯(lián)一個(gè)200 Ω的降壓電阻。HMC傳感器在保證高靈敏度的前提下可將礦粒的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。磁阻傳感器安裝的方向?qū)⒅苯佑绊懙綔y(cè)試的結(jié)果，安裝時(shí)要調(diào)好位置與方向，安裝后不要隨意改動(dòng)，方向應(yīng)取測(cè)的數(shù)據(jù)最敏感方向，即顯示數(shù)據(jù)值最大的方向，位置應(yīng)該根據(jù)磁選機(jī)深度進(jìn)行合適選取。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，全長(zhǎng)1000mm的傳感器傾斜放入槽內(nèi)200mm為最佳。

2．2 放大及V／F轉(zhuǎn)換電路
    在信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)中，敏感元件的輸出信號(hào)往往都比較小，不能直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、記錄、顯示或用于控制。所以一般都需要將這些信號(hào)放大或標(biāo)準(zhǔn)化處理。目前放大電路大部分采用集成運(yùn)算放大器。
    AD623儀表放大器的驅(qū)動(dòng)能力比較小，它是為驅(qū)動(dòng)10kΩ以上負(fù)載阻抗而設(shè)計(jì)的。實(shí)際電路中負(fù)載阻抗低于10kΩ，它的輸出端應(yīng)該再加一級(jí)精密單電源緩沖器(例如OP191)來提高驅(qū)動(dòng)能力。AD623對(duì)磁阻傳感器傳遞來的檢測(cè)信號(hào)放大100倍及進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后通過OP191傳送給V／F轉(zhuǎn)換器件。
    目前，A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，利用A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)制成的各種測(cè)試儀器其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確而受歡迎。但在某些要求數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸，精度高和精度要求高、資金有限的場(chǎng)合，采用一般的A／D轉(zhuǎn)換技術(shù)就有許多不便，這時(shí)可使用V／F轉(zhuǎn)換器代替A／D器件。V／F轉(zhuǎn)換器是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號(hào)的器件，有良好的精度、線性和積分輸入特點(diǎn)，此外，它的應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，外圍元件性能要求不高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換速度不低于一般的雙積分型A／D器件，且價(jià)格低，因此V／F轉(zhuǎn)換技術(shù)廣泛用于非快速A／D過程中。這是我們這次設(shè)計(jì)采用AD654而不用C8051的A／D的原因。
    設(shè)計(jì)采用AD654系列(見圖5)，模擬輸入電壓VIN由放大器的同相端4腳輸入，由輸入放大器和NPN管跟隨器組成的輸入級(jí)把VIN轉(zhuǎn)換成一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流IT=VIN／R9，該驅(qū)動(dòng)電流同時(shí)向定時(shí)電容CT充電，多諧振蕩器的振蕩頻率(輸出頻率)與這個(gè)充電電流成正比。輸出頻率由VIN、R9和C共同確定，其關(guān)系為：f_{out}={V_{in}}＼over{{10V}{R{2}}{C_{T}}}。NPN管跟隨器的最大驅(qū)動(dòng)電流為2mA，但為獲得最佳性能，應(yīng)使?jié)M度輸入電壓時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流為1mA。因此，當(dāng)滿度輸入電壓時(shí)，R8應(yīng)取1k，C1=0．1 μF，則輸出頻率為0～10kHz。OP191輸出的信號(hào)經(jīng)過電阻R9送入AD654的4腳，經(jīng)過V／F轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。

    在磁選機(jī)的工作環(huán)境下，當(dāng)V／F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)之間距離較遠(yuǎn)時(shí)需要采用驅(qū)動(dòng)電路以提高傳輸能力。一般可采用串行通信的驅(qū)動(dòng)器和接收器來實(shí)現(xiàn)。電源干擾大，模擬電路部分容易對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生電氣干擾，可采用光電隔離的方法使V／F轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)無電信號(hào)聯(lián)系。

3 結(jié)語
    設(shè)計(jì)了一種基于hmc1021磁阻傳感器的鐵礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果表明，此裝置運(yùn)行平穩(wěn)，故障率低，達(dá)到了快速準(zhǔn)確測(cè)量的目的，使精礦品位提高，尾礦品位降低，大大提高了選礦廠的經(jīng)濟(jì)效益。