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(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電流、位置、方向等物理參數(shù)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)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(lái)開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)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(jié)來(lái)代指 TMR 元件， TMR 元件相對(duì)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(jié)構(gòu)；相對(duì)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(jié)構(gòu)；相對(duì)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(shù)，尤其在功耗和靈敏度上，優(yōu)勢(shì)非常明顯，參數(shù)對(duì)比如下圖所示。多維科技正是TMR技術(shù)在磁傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的開創(chuàng)者和引領(lǐng)者。
自動(dòng)讀表的需求簡(jiǎn)介
自動(dòng)讀表技術(shù)，是一種將水表、能量表（氣表和電表） 等流量計(jì)中數(shù)據(jù)自動(dòng)地傳輸?shù)娇刂浦行牡募夹g(shù)， 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(yùn)行健康情況數(shù)據(jù)，以及流量計(jì)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。 利用這些數(shù)據(jù)，供應(yīng)商可以進(jìn)行用戶費(fèi)用的計(jì)算， 系統(tǒng)的排查檢修，流量使用情況的分析。 自動(dòng)讀表技術(shù)的主要貢獻(xiàn)在于：避免流量供應(yīng)商到每個(gè)用戶所在地去記錄流量計(jì)中的用戶消費(fèi)數(shù)據(jù)。另外，采用自動(dòng)讀表技術(shù)后，供應(yīng)商可以根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)使用情況，實(shí)時(shí)地計(jì)算出用戶的費(fèi)用，而用傳統(tǒng)的方法，供應(yīng)商只能獲取用戶在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)的使用量。通過(guò)分析這種“實(shí)時(shí)”的信息，供應(yīng)商可以根據(jù)用戶需求量控制水、電、氣的生產(chǎn)量和存儲(chǔ)量。同時(shí)， 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(jì)是多年前安裝在用戶端的， 當(dāng)時(shí)還未出現(xiàn)自動(dòng)讀表技術(shù)。在將自動(dòng)讀表技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)， 需要解決一個(gè)問(wèn)題：需要將流量計(jì)中的計(jì)數(shù)單元進(jìn)行修改，甚至完全被替換。 本方案提出了一種不用改變?cè)械挠?jì)數(shù)單元的自動(dòng)讀表流量計(jì)，在不改變?cè)械牧髁坑?jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加若干元件即可。本方案提出的自動(dòng)讀表流量計(jì)，保留了肉眼觀察字輪上數(shù)字的功能，增加了智能化自動(dòng)讀表的功能。江蘇多維科技采用 TMR 技術(shù)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(dòng)直讀式流量計(jì)中的應(yīng)用演示板說(shuō)明
1. 演示板特點(diǎn)
• 兩顆 Z 軸傳感器測(cè)量每一個(gè)字輪的磁場(chǎng)；
• 不改變水表的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；
• 傳感器只須微安級(jí)電流就能正常工作，功耗低；
• 當(dāng)磁攻擊時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
圖 1 是 TMR 傳感器在燃?xì)獗碇械膽?yīng)用，燃?xì)獗碛?8 個(gè)字輪，每個(gè)字輪上有 0~9，均勻分布的九個(gè)數(shù)字，圖中為方便，只畫出了三個(gè)字輪。 每個(gè)字輪中鑲嵌有徑向磁化的永磁鐵，其中位置“ 0”對(duì)應(yīng)一個(gè)磁極，該磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直于字輪表面，并且方向向外。每個(gè)字輪需要兩個(gè) TMR 傳感器與之對(duì)應(yīng)，兩個(gè)傳感器呈 90°安裝。例如，對(duì)于第一個(gè)字輪，有傳感器 X1 和 Y1 與之對(duì)應(yīng)。在該結(jié)構(gòu)中，不需要改變流量計(jì)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，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(shuō)明
圖 2 是演示板的實(shí)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(guò)選通器，輸入到 MCU 中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)計(jì)算， MCU 再將計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)輸入到顯示器的芯片中，使得字輪上的數(shù)字實(shí)時(shí)顯示在顯示器上。程序通過(guò)燒寫接口寫入到 MCU 中。 演示板可以使用開源的 Arduino 進(jìn)行編程。
通過(guò)長(zhǎng)按“ SW mode”按鈕，可以改變顯示器的顯示模式，圖 3 詳細(xì)顯示了第一個(gè)字輪的詳細(xì)信息。圖中 Ang 為校正后的字輪的角度。在該模式下，長(zhǎng)按“ SW wheel”可以切換不同的字輪，以查看不同字輪的詳細(xì)信息。
通過(guò)內(nèi)部算法，可以實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的報(bào)警功能，即顯示“ Tamper detected”，如圖 4 所示。當(dāng)有一個(gè)磁鐵靠近字輪或者傳感器時(shí)，傳感器模擬輸出電壓會(huì)超出正常范圍。通過(guò)設(shè)定閾值，可以實(shí)現(xiàn)“正常運(yùn)行”還是“收到攻擊”的判斷。當(dāng)外加磁場(chǎng)消失后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行的狀態(tài)，即顯示“ Status normal”。
