一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统及其校准方法技术方案

本发明专利技术提供一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统及其校准方法，采用了新型TMR磁探测技术，在弱磁探测领域对比其他磁探测技术有高动态范围和高灵敏度的优势；本发明专利技术简化了电路结构，采用各类低功耗元件和合理的设计降低了系统功耗，相比传统磁探测系统大大减小了体积，减小了功耗，以适应产品微型化的趋势；本发明专利技术采用了高分辨率ADC，再配合传感器校准方法，可以大大提高测量精度，并输出通用数字信号方便使用。号方便使用。号方便使用。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统及其校准方法


[0001]本专利技术属于磁传感器系统设计领域，具体涉及一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统。

技术介绍

[0002]地磁场是地球产生的一种客观存在的物质，虽然我们无法感知，但却时刻影响着我们的生活。人类关于地磁场的应用更是可以追溯到几千年前，我国古代的四大专利技术之一——司南(又名指南针)，就是人类利用地磁场的早期成就之一。随着人类文明的发展，到了近代，地磁场的应用更是得到了长足的发展，在军事、地质勘探、地震预报、传感应用、医疗等众多领域都可以看到磁场的身影。已经与人类的生活息息相关。
[0003]基于此，地磁场的测量就是不可避免的一个工作，针对不同大小的磁场，主要的测量方法包括：电磁感应法、磁通门法、霍尔效应法、磁光效应法、磁共振法、超导量子干涉器件法、磁阻效应法等。
[0004]基于不同磁探测原理的磁传感器的理论性能有很大区别，相较于其他传感器，TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻)传感器具有更大的弱磁探测范围和更高的精度。虽然光泵磁力仪和超导量子干涉仪的精度相较TMR传感器更高，但它们的体积和功耗太大，应用场景十分有限。而TMR传感器的体积极小，且工作电流不到1mA，适用性更广。
[0005]目前已有基于TMR传感器的地磁探测系统，如专利《一种基于三轴TMR传感器的惯性/地磁组合导航系统低噪声测量电路》(专利号CN111964672A)，在功能上实现了地磁探测功能，但精度不高，受干扰影响大。在已有专利《一种数字化三轴TMR磁传感系统》(申请号202011459206.2)中，采用正交锁相放大器对精度进行了优化，但所需计算能力较高，体积和功耗过高。随着电子技术和制造工艺的发展，各类电子产品或无人探测平台都趋于小型化，低功耗、小体积和高精度的TMR传感器有着更广阔的发展和应用前景。例如在水下磁场探测中，无线缆的水下探测器对传感器的功耗有很高的要求，低功耗的TMR传感器能保证更长的续航时间，采集更多的数据，极大提升探测效率。

技术实现思路

[0006]针对上述内容，本专利技术针对已有磁探测方法在地磁场这类弱磁探测领域中探测范围、精度和体积功耗上的不足，提供一种基于TMR传感器的弱磁探测系统和校准方法，以满足低功耗高精度弱磁探测需求。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：所述系统包括：三轴TMR传感器，由三个相同的单轴TMR传感器组成，用于测量某处磁场的大小及方向，并将测量值转换为模拟电压信号输出；
[0008]信号调理模块，与所述三轴TMR传感器连接，用于对三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行滤波和放大处理；
[0009]AD转换模块，主体采用高分辨率ADC，与所述信号调理模块连接，用于对调理后的模拟电压信号进行三路同步采集，量化编码转换为数字信号；
[0010]微处理器模块，与所述AD转换电路连接，用于对AD转换电路输出的数字信号进行算法处理，并通过串口输出；
[0011]TTL转RS422模块，将微处理器串口输出信号转化为RS422信号输出，供外部使用；
[0012]电源模块，用于为所述三轴TMR传感器、信号调理模块、AD转换模块、微处理器模块和TTL转RS422模块供电。
[0013]可选的，所述信号调理模块包括：依次连接的滤波电路和差分放大电路；
[0014]所述滤波电路，用于去除所述模拟电压信号的高频噪声；
[0015]所述差分放大电路，主体为低功耗精密仪表放大器，用于放大所述模拟电压信号的幅值、抑制信号共模噪声和提高信号驱动能力；
[0016]可选的，所述电源电路包括：输入电源电路、与所述输入电源电路相连的输出电源电路和与输出电源电路相连的基准电压电路；
[0017]所述输入电源电路的输入电压为+6V～+9V；
[0018]所述输出电源电路主体为低噪声线性稳压器，将输入点压转换为3.3V输出，用于所述信号调理模块、AD转换模块、微处理器模块和TTL转RS422模块供电；
[0019]所述基准电压电路为所述三轴TMR传感器供电及为AD转换模块提供基准电压，经计算分析，传感器的供电电压和ADC的基准电压使用相同的基准电压源，有出色的电路噪声抵制效果；
[0020]所述输出电源电路包括模拟电路电源和数字电路电源，防止数字电路的高频干扰；
[0021]可选的，所述装置还包括信息存储模块，与TTL转RS422模块连接，将处理后的测量数据保存起来。
[0022]所述校准方法为通过磁屏蔽筒和亥姆霍兹线圈对传感器输出结果进行校准，具体步骤为：
[0023]步骤1：将所述系统置于磁屏蔽筒内，测得每个轴传感器的零偏误差，分别记为e
x
、e
y
和e
z
。
[0024]步骤2：将亥姆霍兹线圈置于磁屏蔽筒中，将所述系统置于霍姆霍兹线圈中，使X轴与线圈均匀磁场方向一致。给线圈通电，调整输入电流大小，记录不同电流下电压输出(mV)。以输出电压为横轴、输入电流为纵轴进行直线拟合，得到斜率k
x
和截距e
x
。
[0025]步骤3：Y轴和Z轴的操作步骤同步骤2中X轴，得到Y轴参数k
y
和e
y
，Z轴参数k
z
和e
z
。
[0026]步骤4：将校准公式编入微处理器中，即可输出校准后的磁场信号，其校准公式特征为：
[0027]y＝k
·
x
·
1.2/8388608/PGA+e
[0028]其中：k为对应轴斜率参数，e为对应轴截距参数，x为对应轴电压输出，PGA为ADC设置中的开环增益。1.2为AD转换芯片参考电压，2
23
中23为所采用的AD转换芯片的位数减1，因为只用到了量程的正半部分，可根据所选AD芯片自行调整。
[0029]与现有弱磁探测系统相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用了新型TMR磁探测技术，在弱磁探测领域对比其他磁探测技术有高动态范围和高灵敏度的优势；2.本专利技术简化了电路结构，采用各类低功耗元件和合理的设计降低了系统功耗，相比传统磁探测系统大大减小了体积，减小了功耗，以适应产品微型化的趋势；3.本专利技术采用了高分辨率ADC，再
配合传感器校准方法，可以大大提高测量精度，并输出通用数字信号方便使用。
附图说明
[0030]图1是本申请公开的三轴TMR地磁探测系统详细结构图，展示了各模块内部组成及连接方式；
[0031]图2是本申请公开的三轴TMR传感器校准方法示意图。
具体实施方式
[0032]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。
[0033]如图1所示，是本专利技术申请的低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统整体结构框图。
[0034]在该实例中，所述三轴TMR地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统，其特征在于：包括：三轴TMR传感器，由三个相同的单轴TMR传感器组成，测量某处磁场的大小及方向，并将测量值转换为模拟电压信号输出；信号调理模块，与所述三轴TMR传感器连接，对三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行滤波和放大处理；AD转换模块，主体采用高分辨率ADC，与所述信号调理模块连接，用于对调理后的模拟电压信号进行三路同步采集，量化编码转换为数字信号；微处理器模块，与所述AD转换电路连接，用于对AD转换电路输出的数字信号进行算法处理，并通过串口输出；TTL转RS422模块，将微处理器串口输出信号转化为RS422信号输出，供外部使用；电源模块，为三轴TMR传感器、信号调理模块、AD转换模块、微处理器模块和TTL转RS422模块供电。2.根据权利要求1所述的一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统，其特征在于：所述信号调理模块包括：依次连接的滤波电路和差分放大电路；所述滤波电路，用于去除所述模拟电压信号的高频噪声；所述差分放大电路，主体为低功耗精密仪表放大器，用于放大所述模拟电压信号的幅值、抑制信号共模噪声和提高信号驱动能力。3.根据权利要求1所述的一种低功耗高精度微型三轴TMR地磁探测系统，其特征在于：所述电源电路包括：输入电源电路、与所述输入电源电路相连的输出电源电路和与输出电源电路相连的基准电压电路；所述输出电源电路主体为低噪声线性稳压器，用于所述信号调理模块、AD转换模块、微处理器模块和TTL转RS422模块供电；所述基准电压电路为所述三轴TMR传感器供电及为AD转换模块提供基准电压，经计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓峻，章贤，王锋，刘思雨，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：