摘 要：介绍了薄膜磁阻传感器的结构与工作原理，及其用于微弱磁场测量仪的硬件设计方法。该测量仪选用philips公司的磁阻传感器kmz51进行设计，不仅能够测量地磁场，而且能够实时测量其他恒定或缓慢变化的微弱磁场。
关键词：微弱磁场测量；薄膜磁阻传感器；地磁场；kmz51
随着科学技术的发展，微弱磁场的测量在军事、航空、海洋、地质、考古、生物以及医学等领域获得了越来越多的应用。这些学科领域的不断发展，对微弱磁场测量仪灵敏度等参数的要求越来越高，进一步促进了微弱磁场测量技术的发展。本文介绍了philips公司的薄膜磁阻传感器kmz51及基于此传感器的一种弱磁场测量仪的硬件设计。微弱磁场测量仪主要由三部分构成，即信号的获取传感器；信号的调理放大、滤波等；信息的处理数据采集、记录等。
1 薄膜磁阻传感器
薄膜磁阻传感器是20世纪70年代中期出现的新型磁阻传感器［1］。他是利用铁磁材料坡莫合金的各项异性磁电阻效应制作的，能够测量磁场的大小和方向［2］。这种传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高、可靠性高、抗干扰能力强、温度稳定性好、耐恶劣环境能力强、工作频带宽、易于与数字电路匹配以及便于安装等优点［1，2］，还具有可以不经物理接触就能测出磁场的存在、强弱和方向等特性的优势，因此成为许多领域控制系统的“眼睛”。他在测量弱磁场和基于弱磁场的地磁导航、数字智能罗盘、交通检测、流程控制、位置测量、伪钞鉴别以及干扰磁场的补偿电路等方面具有广泛的应用前景［2］。目前，国外已大批量生产坡莫合金集成磁阻传感器，并广泛应用于工业、交通、航天、航海、医疗器械等多种领域［2］。我国对于薄膜磁阻传感器的应用研究与国外相比还有很大差距，因而他在国内有着广阔的应用前景。
物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。对于强磁性金属（铁、钴、镍及其合金），当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场而变；当外加磁场偏离内磁化方向时，金属的电阻变化，这就是各项异性磁电阻效应［2］。
本仪器选用philips公司的磁阻传感器kmz51进行微弱磁场的测量。kmz51的核心部分是惠斯通电桥。他由4个磁敏感元件组成的磁阻桥臂组成。磁敏感元件由长而薄的坡莫合金薄膜制成。在外加磁场的作用下，磁阻的变化引起输出电压的变化。如图1所示，r1，r2，r3，r4的阻值均为r，供电电源为u。在外加偏置磁场h的作用下，r1和r4的磁化方向背向电流方向转动，引起阻值减小，而r2和r3的磁化方向朝向电流方向转动，引起阻值增大δr，计算得δuout＝（δr／r）u。在线性区域，输出电压和外加磁场的大小成正比［3，4］。
除了磁阻电桥以外，传感器内集成了补偿线圈和触发线圈，如图2所示。
补偿线圈的作用是减小系统的灵敏度温漂。从图3可看出，随着环境温度的变化，传感器的灵敏度变化很大，而在零点处，灵敏度不随环境温度的改变而改变。以补偿线圈为核心的电磁反馈所形成的闭环控制电路将传感器输出电压的变化量转化为电流来驱动补偿线圈产生一个补偿磁场，该磁场与外界磁场大小相等，方向相反，恰好与之抵消，使传感器工作在零点附近，从而尽可能地减小了测量系统的灵敏度温漂。
应用触发线圈结合外围电路既可以极大地减小传感器和前置放大器的偏置电压，又可以置位传感器，使传感器受强磁影响后保持稳定状态。传感器有正负2个稳定的输出状态。如图4（a）所示，在触发线圈中通以正反向交替的周期性脉冲电流（脉宽几个μs），他会产生一个正反向交替的周期性脉冲磁场（脉宽几μs），使传感器的输出呈现正负2个稳定状态交替出现的周期性交流波形。如图4（b）所示，传感器和前置放大器的偏置电压均为恒定的直流量，叠加于传感器的交流输出信号上。如图4（c），（d）所示，前置放大器的输出信号经过高通滤波器滤除直流偏置电压，再经过整流电路，就可以得到对应于被测磁场的输出信号。
2 系统构成
图5中前置放大器选用低噪声放大器，对放大器的负反馈回路进行低通滤波，起到高通滤波器的作用，结合整流电路，可以同时动态消除传感器和前置放大器的偏置电压。
这里需注意保证触发线圈驱动电路和整流电路在时序上的一致性。若采用在前置放大器后加电容的滤波方法，只能消除传感器的偏置，无法消除前置放大器的偏置。这样，为了保证仪器的精度，必须使用超低偏置前置放大器，势必增加了仪器的造价。选用12位高精度数据采集卡，带一路12位d／a和多路数字i／o口。当有测量环境磁场以外的其他磁场时，d／a用于动态调零，即消除环境磁场的影响；数字i／o口可用于控制低通滤波器的截止频率及放大器增益等参数。
3 结 语
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