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

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
技术领域
1.本发明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。

背景技术：

2.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，我国古代的四大发明之一——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。
3.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。
4.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。
5.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。

技术实现要素：

6.针对上述内容，本发明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。
7.本发明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；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.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。
13.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；
14.所述滤波电路，用于去除所述模拟电压信号的高频噪声；
15.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；
16.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；
17.所述输入电源电路的输入电压为+6v～+9v；
18.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；
19.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，有出的电路噪声抵制效果；
20.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；
21.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。
22.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：
23.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
、ey和ez。
24.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
。
25.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ky和ey，z轴参数kz和ez。
26.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：
27.y＝k
·
x
·
1.2/8388608/pga+e
28.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。
29.与现有弱磁探测系统相比，本发明的有益效果是：1.本发明采用了新型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.本发明简化了电路结构，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.本发明采用了高分辨率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
30.图1是本技术公开的三轴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；
31.图2是本技术公开的三轴tmr传感器校准方法示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
33.如图1所示，是本发明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。
34.在该实例中，所述三轴tmr地磁探测系统包括以下模块：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；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；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，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。
35.上述三轴tmr传感器有三个相同的高精度单轴tmr传感器组成，具体可以采用tmr2901传感器，tmr2901采用了一个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计，包含四个高灵敏度tmr传感器元件，具有高灵敏度、低本底噪声、低功耗和优越的温度稳定性等诸多优点。
36.三个单轴tmr传感器在pcb上按正交摆放，并尽可能靠近，组成一个三轴tmr传感器。
37.相应的，信号调理模块由三个相同的部分组成，分别连接三轴tmr传感器的三个轴，如图2所示。每个部分由一个滤波电路和一个放大电路组成。
38.滤波电路滤除三轴tmr传感器输出的差分模拟电压信号中的高频噪声。所述滤波电路可以采用有源滤波中的巴特沃斯滤波器，这种滤波器的特点是在通频带内的频率响应曲线平坦度很大，起伏很小，并且在阻频带下降至零，因此当通带的边界处满足指标要求时，通带内肯定会有裕量。放大电路将滤波后的差分模拟电压信号进行放大，并提高信号驱动能力。
39.放大电路用于放大滤波后的差分模拟信号，并提高信号的驱动能力。所述放大电路可以选用ti公司的ina333仪表放大器，ina333是一款低功耗的精密仪表放大器，具有出的精度。该器件采用通用的三运算放大器设计，并且拥有小巧尺寸和低功耗特性，非常适合各类低功耗小体积应用。
40.如图2所示，经信号调理模块后，三轴的模拟电压信号共同输入ad转换模块中，经由高分辨率adc转换为数字信号。所述ad转化电路可以选用ti公司的ads131m03芯片，ads131m03是一款三通道、同步采样、24位δ-σ模数转换器(adc)，具有宽动态范围、低功耗和电能测量特定功能，十分适用于低功耗高精度测量领域。该adc集成了通道间相位校准、
偏移和增益校准寄存器，有助于消除信号链误差。在使用中，需将adc的osr参数设置为8192，提高adc的过采样率，提高输出信号的平稳性。
41.如图2所示，信号经ad转换模块后，输入微处理器模块。微处理器模块将转换后的数字信号进行算法处理后，转化为满足ieee-754格式的浮点数进行输出。所述微处理器模块可以选用意法半导体公司的stm32f072cbt6芯片。在满足设计需求的同时，还具有低功耗的优点。
42.由微处理器经算法处理后的数字信号经ttl转rs422模块后，通过rs422接口向外输出。rs-422使用差分信号，使用两根线发送和接收信号，对比rs-232，它能更好的抗噪声和有更远的传输距离，在工业环境中更好的抗噪性和更远的传输距离。所述模块可选用max3490芯片，集成度高，减小设备体积。
43.参照图2，所述电源模块包括：输入电源电路、模拟电路电源、数字电路电源和基准电压电路。其中所述输入电源电路的输入电压为+6v～+9v。
44.如图2所示，所述模拟电路电源由输入电源电路供电，将电压转化为+3.3v，用于基准电压电路、放大电路和ad转换电路供电。所述模拟电源电路可以选用adi公司的lt3042电源芯片，lt3042是一款高性能低压差线性稳压器，该线性稳压器具有0.8μvrms的超低rms噪声，十分适用于高精度仪表领域。
45.所述数字电路电源与模拟电路电源在设计和用料上一致，但在pcb布置时需注意采用不同的地平面，最后用磁珠连接工地，有利于防止数字电路的高频噪声影响模拟电路部分。由于adc芯片既需要模拟供电又需要数字供电，为保证最低噪声，磁珠置于adc芯片背面，尽量靠近adc芯片为最佳。
46.所述基准电压电路由模拟电路电源供电，将+3.3v电压转化为2.5v和1.25v供电，其中2.5v用于传感器供电，1.25v用于放大电路中仪表放大器和ad转换电路中adc芯片的参考电压。经计算分析，将高精度基准电压同时作为adc芯片参考电压和传感器供电，有利于降低adc采样时的电路噪声，进一步提高精度。所述基准电压电路可以选用ti公司的ref2025芯片，ref2025具有优异的温度漂移(最大8ppm/℃)特性和初始精度(0.05％)，同时可保持静态工作电流低于430μa，满足该系统低功耗高精度的设计需求。
47.所述校准方法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：
48.首先，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
、ey和ez。
49.然后，如图2所示，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
。y轴和z轴的操作步骤同步骤2中x轴，得到y轴参数ky和ey，z轴参数kz和ez。
50.最后将校准公式编入微处理器中，即可输出校准后的磁场信号。校准公式为：
51.y＝k
·
x
·
1.2/8388608/pga+e
52.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转换芯片的位数减一，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。
53.本发明提供的低功耗高精度微型三轴tmr地磁探测系统，采用三轴tmr传感器获得磁场强度及方向信息。考虑到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，本发明提供的低功耗高精度微型三轴tmr地磁探测系统，通过对三轴tmr传感器输出信号进行滤波、放大和校准等处理，有效地消除了其中的噪声，从而得到丰富、准确的数据。
54.三轴tmr传感器相比于amr(各向异性磁阻)、gmr(巨磁电阻)等传感器，磁场灵敏度高、磁阻变化率大、线性度好、温度稳定性好、性能稳定、无层间耦合效应、无需额外的聚磁环结构和set/reset线圈结构，从而外围电路少，从而可以使本发明提供的组合式导航信息处理装置电路简单、功耗低、并且具有较高的集成度。
55.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
56.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
57.以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

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，有出的电路噪声抵制效果；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。4.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。5.一种低功耗高精度微型三轴tmr地磁探测系统的校准方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：将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
；步骤2：将亥姆霍兹线圈置于磁屏蔽筒中，将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；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
；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
；步骤4：将校准公式编入微处理器中，输出校准后的磁场信号，其校准公式特征为：y＝k
·
x
·
1.2/8388608/pga+e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。

技术总结

本发明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。