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关于隧道磁阻传感器在自动直读式流量计中的应用分析和研究

多维科技 来源:djl 2019-10-25 18:09 次阅读

传感器广泛用于现代工业电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数

在现有技术中,有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数,例如采用霍尔( Hall)元件,各向异性磁电阻(AMR)元件或巨磁电阻(GMR)元件为敏感元件的磁传感器。TMR ( Tunnel MagnetoResistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器,其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应,比之前所发现并实际应用的AMR 元件和 GMR 元件具有更大的电阻变化率。我们通常也用磁隧道结来代指 TMR 元件, TMR元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更好的线性度,不需要额外的聚磁环结构;相对于 AMR 元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更宽的线性范围,不需要额外的 set/reset 线圈结构;相对于 GMR 元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更宽的线性范围.

综上所述TMR作为最新一代磁传感器技术,尤其在功耗和灵敏度上,优势非常明显,参数对比如下图所示。多维科技正是TMR技术在磁传感器应用领域的开创者和引领者。

关于隧道磁阻传感器在自动直读式流量计中的应用分析和研究

自动读表的需求简介

自动读表技术,是一种将水表、能量表(气表和电表) 等流量计中数据自动地传输到控制中心的技术, 其中数据包括用户的流量(水、气、电)使用量数据、 系统运行健康情况数据,以及流量计的状态数据。 利用这些数据,供应商可以进行用户费用的计算, 系统的排查检修,流量使用情况的分析。 自动读表技术的主要贡献在于:避免流量供应商到每个用户所在地去记录流量计中的用户消费数据。另外,采用自动读表技术后,供应商可以根据用户的实时使用情况,实时地计算出用户的费用,而用传统的方法,供应商只能获取用户在过去的一段时间内的使用量。通过分析这种“实时”的信息,供应商可以根据用户需求量控制水、电、气的生产量和存储量。同时, 用户可以分析并控制自己的使用量。

目前使用的大多数流量计是多年前安装在用户端的, 当时还未出现自动读表技术。在将自动读表技术应用到实际中时, 需要解决一个问题:需要将流量计中的计数单元进行修改,甚至完全被替换。 本方案提出了一种不用改变原有的计数单元的自动读表流量计,在不改变原有的流量计机械结构的基础上,添加若干元件即可。本方案提出的自动读表流量计,保留了肉眼观察字轮上数字的功能,增加了智能化自动读表的功能。江苏多维科技采用 TMR 技术生产的传感器体积小,精度高,工作状态稳定,可以胜任该方案中的传感元件。

TMR传感器在自动直读式流量计中的应用演示板说明
1.演示板特点
• 两颗 Z 轴传感器测量每一个字轮的磁场;
• 不改变水表的传动结构;
• 传感器只须微安级电流就能正常工作,功耗低;
• 当磁攻击时,发出报警信号

图 1 是 TMR 传感器在燃气表中的应用,燃气表有 8 个字轮,每个字轮上有 0~9,均匀分布的九个数字,图中为方便,只画出了三个字轮。 每个字轮中镶嵌有径向磁化的永磁铁,其中位置“ 0”对应一个磁极,该磁极产生的磁场垂直于字轮表面,并且方向向外。每个字轮需要两个 TMR 传感器与之对应,两个传感器呈 90°安装。例如,对于第一个字轮,有传感器 X1 和 Y1 与之对应。在该结构中,不需要改变流量计本身的机械结构,特别是传动结构,只需要在字轮中镶嵌永磁铁,并另外安装两块 PCB

2.演示板使用说明
图 2 是演示板的实物图和原理框图,供电电压为 5V。传感器的模拟输出电压通过选通器,输入到 MCU 中进行模数转换和相应计算, MCU 再将计算后的数字信号输入到显示器的芯片中,使得字轮上的数字实时显示在显示器上。程序通过烧写接口写入到 MCU 中。 演示板可以使用开源的 Arduino 进行编程

关于隧道磁阻传感器在自动直读式流量计中的应用分析和研究

通过长按“ SW mode”按钮,可以改变显示器的显示模式,图 3 详细显示了第一个字轮的详细信息。图中 Ang 为校正后的字轮的角度。在该模式下,长按“ SW wheel”可以切换不同的字轮,以查看不同字轮的详细信息。

关于隧道磁阻传感器在自动直读式流量计中的应用分析和研究

通过内部算法,可以实现流量计的报警功能,即显示“ Tamper detected”,如图 4 所示。当有一个磁铁靠近字轮或者传感器时,传感器模拟输出电压会超出正常范围。通过设定阈值,可以实现“正常运行”还是“收到攻击”的判断。当外加磁场消失后,系统会自动恢复到正常运行的状态,即显示“ Status normal”。

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