摘要：為快速有效地對鐵礦漿濃度進行檢測，保證精礦質量，采用了基于磁阻傳感器的新型檢測系統(tǒng)。本文闡明磁阻傳感器檢測礦漿濃度的工作原理，著重介紹了hmc1021芯片置位和復位電路特點，檢測、放大及V／F轉換電路設計方法。對磁阻傳感器在磁選機中的安放位置進行了詳細說明，現(xiàn)場測試證明該系統(tǒng)在使用過程中運行狀況良好，達到了設計要求，提高了生產效率、節(jié)約了大量能源。同時也為Hmc1021磁阻傳感器在礦山其它選礦設備應用打下基礎。
關鍵詞：磁阻傳感器；濃度檢測；置位和復位電路；V／F轉換

0 引言
    能源緊張、環(huán)境惡化已成為全球關注的熱點和焦點。中國是世界第二大能源生產和消費國。國家“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。提高精礦質量、控制尾礦品位，保證回收率是礦企的責任。本文就是在這樣的大背景下，通過應用磁阻傳感器快速準確檢測礦漿濃度，單片機接收檢測信號發(fā)出指令控制排礦閥門達到節(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，它的指標可以提高我們的檢測精度，實現(xiàn)更優(yōu)控制，實際應用過程中效果非常好，典型應用包括汽車檢測、電磁檢漏、電子羅盤、遙控飛機、航空模型等需要二維定位的場合。本次設計中我們用hmc1021傳感器與磁場的線性關系來測量磁選機內部的磁場強度，擴展了磁阻傳感器的應用。

1 HMC磁阻傳感器工作原理
1．1 磁效應
    物質在磁場中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻效應。磁電阻效應有普通與各向異性之分。各向異性磁電阻效應指；當外加磁場偏離強磁性金屬(鐵、鈷、鎳及其合金)內部的磁化方向時，金屬的電阻減小，而平行時基木上沒有變化，玻莫合金薄膜的電阻率ρ依賴于磁化強度M和電流I方向的夾角，即500“this．style．width=500；”>玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁場下電阻變化量比較大，因此，適合于弱磁場條件下使用。
1．2 HMC磁阻傳感器的特點
    整個傳感器最關鍵的部分是其中的惠斯通電橋。當外加磁場后，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單的電阻電橋設備(圖1)，只需要一個供電電壓便可測量磁場。當0-10伏的電壓連接到橋路上時傳感器開始測量軸線內的環(huán)境磁場或施加磁場。除了電橋電路外傳感器的芯片上有兩個磁耦合的電流帶一偏置電流帶和置位／復位電流帶。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薄層鎳鐵(或稱坡莫合金或鎳鐵導磁合金)薄膜制成，并布置成一個電阻帶，存在施加磁場時，電橋電阻的變化使電壓輸出產生相應的變化。

    通常施加在薄膜側的外部磁場使磁力線產生旋轉并改變其角度，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，它直接與電流的方向和磁化矢量有關。制造過程中，敏感軸(磁場方向)被設置為沿薄膜長度的方向，這樣可使施加在鎳鐵薄膜的磁場導致電阻值的最大變化。但是沿敏感軸的強磁場(大于10高斯)的影響，會擾亂或翻轉薄膜磁化的極性，改變傳感器的特性。針對這樣的擾動磁場，為了恢復位后的響應或置位傳感器的特性，必須短暫地施加一個強的恢復磁場，這種做法被稱作施加置位脈沖或復位脈沖。電橋輸出信號的極性取決于此內部薄膜的磁化方向并且與零磁場輸出相對稱。置位和復位電流帶用來修正傳感器靈敏度。在外場超過10×10-4T的磁場會打亂傳感器內部磁疇的極化方向，改變傳感器的輸出特性，降低靈敏度。利用置位和復位電流帶上施加脈沖，使內部磁疇的極化方向統(tǒng)一，提高靈敏度。

2 傳感器電路設計
    電路設計以芯片和元件為基礎，由數(shù)據(jù)采集、儀表放大器、V／F轉換組成

2．1 hmc1021傳感器電路設計
    在磁選機現(xiàn)場大多數(shù)低磁場傳感器會受到大的磁場干擾(>4-20Gause)的影響，可能導致輸出信號的衰變，為了減少這種影響和最大化信號輸出可以在磁阻電橋上應用磁開關切換技術來消除過去磁歷史的影響。置位／復位電流帶的目的就是把磁阻傳感器恢復到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。這可以通過將大電流脈動通過S／R電流帶實現(xiàn)。S／R電流帶看起來像加在SR+和SR-引腳之間的一個電阻，此電流帶與偏置電流帶不同，因為它是以垂直軸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(或復位)可實現(xiàn)低噪音和高靈敏度的磁場測量。當磁阻傳感器暴露于干擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區(qū)域(圖3A)從而導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／復位電流帶將生成一個強磁場，此磁場

    芯片內的S／R應通過脈沖電流來重新對準或翻轉傳感器內的磁區(qū)域，此脈寬可短至2微秒連續(xù)脈沖時平均耗電少于1mA(DC)?？蛇x定為每50 ms有一個2 μs脈寬的脈沖或者更長以節(jié)電，唯一的要求是每個脈沖只在一個方向上施加。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的存在而導致信號輸出的丟失。

    圖4所示的電路是采用555計時器設計一個典型的多諧振蕩器電路，R1、R2、C6構成充放電回路。二極管D1、D2可調整脈沖的占空比。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，該信號控制繼電器觸點的閉合。由10 μF的電容產生置位電流脈沖送給傳感器的SR+管腳進行置位，為了減少噪音應在電源上串聯(lián)一個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轉換為電壓信號輸出。磁阻傳感器安裝的方向將直接影響到測試的結果，安裝時要調好位置與方向，安裝后不要隨意改動，方向應取測的數(shù)據(jù)最敏感方向，即顯示數(shù)據(jù)值最大的方向，位置應該根據(jù)磁選機深度進行合適選取。根據(jù)現(xiàn)場試驗，全長1000mm的傳感器傾斜放入槽內200mm為最佳。

2．2 放大及V／F轉換電路
    在信號檢測、控制系統(tǒng)中，敏感元件的輸出信號往往都比較小，不能直接進行A／D轉換、記錄、顯示或用于控制。所以一般都需要將這些信號放大或標準化處理。目前放大電路大部分采用集成運算放大器。
    AD623儀表放大器的驅動能力比較小，它是為驅動10kΩ以上負載阻抗而設計的。實際電路中負載阻抗低于10kΩ，它的輸出端應該再加一級精密單電源緩沖器(例如OP191)來提高驅動能力。AD623對磁阻傳感器傳遞來的檢測信號放大100倍及進行標準化處理，然后通過OP191傳送給V／F轉換器件。
    目前，A／D轉換技術得到了廣泛應用，利用A／D轉換技術制成的各種測試儀器其測量結果準確而受歡迎。但在某些要求數(shù)據(jù)長距離傳輸，精度高和精度要求高、資金有限的場合，采用一般的A／D轉換技術就有許多不便，這時可使用V／F轉換器代替A／D器件。V／F轉換器是把電壓信號轉變?yōu)轭l率信號的器件，有良好的精度、線性和積分輸入特點，此外，它的應用電路簡單，外圍元件性能要求不高，適應環(huán)境能力強，轉換速度不低于一般的雙積分型A／D器件，且價格低，因此V／F轉換技術廣泛用于非快速A／D過程中。這是我們這次設計采用AD654而不用C8051的A／D的原因。
    設計采用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把VIN轉換成一個驅動電流IT=VIN／R9，該驅動電流同時向定時電容CT充電，多諧振蕩器的振蕩頻率(輸出頻率)與這個充電電流成正比。輸出頻率由VIN、R9和C共同確定，其關系為：f_{out}={V_{in}}＼over{{10V}{R{2}}{C_{T}}}。NPN管跟隨器的最大驅動電流為2mA，但為獲得最佳性能，應使?jié)M度輸入電壓時的驅動電流為1mA。因此，當滿度輸入電壓時，R8應取1k，C1=0．1 μF，則輸出頻率為0～10kHz。OP191輸出的信號經過電阻R9送入AD654的4腳，經過V／F轉換后送入單片機。

    在磁選機的工作環(huán)境下，當V／F轉換器與單片機之間距離較遠時需要采用驅動電路以提高傳輸能力。一般可采用串行通信的驅動器和接收器來實現(xiàn)。電源干擾大，模擬電路部分容易對單片機產生電氣干擾，可采用光電隔離的方法使V／F轉換器與單片機無電信號聯(lián)系。

3 結語
    設計了一種基于hmc1021磁阻傳感器的鐵礦漿濃度檢測系統(tǒng)。結果表明，此裝置運行平穩(wěn)，故障率低，達到了快速準確測量的目的，使精礦品位提高，尾礦品位降低，大大提高了選礦廠的經濟效益。