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隧道磁阻傳感器( TMR)在自動直讀式流量計中的應用

   日期:2018-10-15     來源:多維科技    瀏覽:280    評論:0    
核心提示:磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。
 TMR 傳感器概述
  磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。
在現(xiàn)有技術中,有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù),例如采用霍爾( Hall)元件,各向異性磁電阻(AMR)元件或巨磁電阻(GMR)元件為敏感元件的磁傳感器。TMR ( Tunnel MagnetoResistance)元件是近年來開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器,其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應,比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應用的AMR 元件和 GMR 元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結來代指 TMR 元件, TMR 元件相對于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更好的線性度,不需要額外的聚磁環(huán)結構;相對于 AMR 元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,更高的靈敏度,更寬的線性范圍,不需要額外的 set/reset 線圈結構;相對于 GMR 元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更寬的線性范圍.
  綜上所述TMR作為最新一代磁傳感器技術,尤其在功耗和靈敏度上,優(yōu)勢非常明顯,參數(shù)對比如下圖所示。多維科技正是TMR技術在磁傳感器應用領域的開創(chuàng)者和引領者。

自動讀表的需求簡介  
  自動讀表技術,是一種將水表、能量表(氣表和電表) 等流量計中數(shù)據(jù)自動地傳輸?shù)娇刂浦行牡募夹g, 其中數(shù)據(jù)包括用戶的流量(水、氣、電)使用量數(shù)據(jù)、 系統(tǒng)運行健康情況數(shù)據(jù),以及流量計的狀態(tài)數(shù)據(jù)。 利用這些數(shù)據(jù),供應商可以進行用戶費用的計算, 系統(tǒng)的排查檢修,流量使用情況的分析。 自動讀表技術的主要貢獻在于:避免流量供應商到每個用戶所在地去記錄流量計中的用戶消費數(shù)據(jù)。另外,采用自動讀表技術后,供應商可以根據(jù)用戶的實時使用情況,實時地計算出用戶的費用,而用傳統(tǒng)的方法,供應商只能獲取用戶在過去的一段時間內的使用量。通過分析這種“實時”的信息,供應商可以根據(jù)用戶需求量控制水、電、氣的生產(chǎn)量和存儲量。同時, 用戶可以分析并控制自己的使用量。
  目前使用的大多數(shù)流量計是多年前安裝在用戶端的, 當時還未出現(xiàn)自動讀表技術。在將自動讀表技術應用到實際中時, 需要解決一個問題:需要將流量計中的計數(shù)單元進行修改,甚至完全被替換。 本方案提出了一種不用改變原有的計數(shù)單元的自動讀表流量計,在不改變原有的流量計機械結構的基礎上,添加若干元件即可。本方案提出的自動讀表流量計,保留了肉眼觀察字輪上數(shù)字的功能,增加了智能化自動讀表的功能。江蘇多維科技采用 TMR 技術生產(chǎn)的傳感器體積小,精度高,工作狀態(tài)穩(wěn)定,可以勝任該方案中的傳感元件。
TMR 傳感器在自動直讀式流量計中的應用演示板說明
1. 演示板特點
• 兩顆 Z 軸傳感器測量每一個字輪的磁場;
• 不改變水表的傳動結構;
• 傳感器只須微安級電流就能正常工作,功耗低;
• 當磁攻擊時,發(fā)出報警信號。

  圖 1 是 TMR 傳感器在燃氣表中的應用,燃氣表有 8 個字輪,每個字輪上有 0~9,均勻分布的九個數(shù)字,圖中為方便,只畫出了三個字輪。 每個字輪中鑲嵌有徑向磁化的永磁鐵,其中位置“ 0”對應一個磁極,該磁極產(chǎn)生的磁場垂直于字輪表面,并且方向向外。每個字輪需要兩個 TMR 傳感器與之對應,兩個傳感器呈 90°安裝。例如,對于第一個字輪,有傳感器 X1 和 Y1 與之對應。在該結構中,不需要改變流量計本身的機械結構,特別是傳動結構,只需要在字輪中鑲嵌永磁鐵,并另外安裝兩塊 PCB。

2. 演示板使用說明
  圖 2 是演示板的實物圖和原理框圖,供電電壓為 5V。傳感器的模擬輸出電壓通過選通器,輸入到 MCU 中進行模數(shù)轉換和相應計算, MCU 再將計算后的數(shù)字信號輸入到顯示器的芯片中,使得字輪上的數(shù)字實時顯示在顯示器上。程序通過燒寫接口寫入到 MCU 中。 演示板可以使用開源的 Arduino 進行編程。

  通過長按“ SW mode”按鈕,可以改變顯示器的顯示模式,圖 3 詳細顯示了第一個字輪的詳細信息。圖中 Ang 為校正后的字輪的角度。在該模式下,長按“ SW wheel”可以切換不同的字輪,以查看不同字輪的詳細信息。

  通過內部算法,可以實現(xiàn)流量計的報警功能,即顯示“ Tamper detected”,如圖 4 所示。當有一個磁鐵靠近字輪或者傳感器時,傳感器模擬輸出電壓會超出正常范圍。通過設定閾值,可以實現(xiàn)“正常運行”還是“收到攻擊”的判斷。當外加磁場消失后,系統(tǒng)會自動恢復到正常運行的狀態(tài),即顯示“ Status normal”。
 
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