CN100541221C - 弱磁场梯度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弱磁场梯度测量的装置及方法，所述的装置包括探头、选频放大电路、含A/D和D/A的单片机系统、升压驱动电路、显示单元，所述探头包括传感器、振动部件和外壳，振动部件为悬臂梁结构的压电双晶片，传感器安装在振动部件的自由端；所述的方法包括采用自相关检测技术，通过传感器的振动将静态的磁场分布调制成恒定频率的微弱交流信号输出，由选频放大电路对该微弱信号进行放大，由单片机系统A/D转换并作自相关运算处理，算出信号的峰峰值电压，该电压正比于被测量的磁场梯度值。本发明测量灵敏度高、成本低；不受工作环境条件限制；本发明尤其应用于金属磁记忆无损检测时，没有微分噪声，对缺陷和应力集中检测准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及磁场参量的测量技术，更具体地说，它涉及一种弱磁场梯度测量的装置及方法。
背景技术
测量磁场梯度的方法一般是测量出空间两点的磁场强度和两点之间的距离，然后将两点的磁场强度相减除以距离，就得到沿该两点所在直线上的磁场梯度。该方法必须先测量出磁场强度，而对微弱磁场强度测量的仪器中都包含直流放大电路，该直流放大电路不可避免地会引入低频闪烁噪声或称为1/f噪声，势必限制放大电路的增益提高，降低磁场梯度测量灵敏度。采用超导量子干涉器件的磁场测量装置测量磁场强度，虽然灵敏度高，但是成本高，而且对使用环境要求也高。
近几年来，金属磁记忆检测技术得到迅速发展，即采用金属磁记忆诊断仪检测铁磁性构件的缺陷或应力集中的位置。该磁记忆诊断仪需要测量磁场梯度，其方法是将测量磁场的霍尔元件安装在带编码盘的测距小车上，随着小车在构件表面运动，同时测量出磁场强度和移动距离，从而得到磁场沿构件表面的分布曲线，该曲线的斜率就是磁场梯度。求斜率的过程是一个微分运算，无论硬件或是软件方法求微分都会引入微分噪声，因为所测量得到的磁场沿构件表面的分布曲线不可避免地含有噪声信号，它们是随机分布的并叠加在真实磁场分布曲线上，使曲线表现出许多小的起伏，当对有噪声位置微分运算时，这种噪声被突现出来成为幅度很大的微分噪声，即磁场梯度分布曲线会包含幅度很大的微分噪声信号。所以，目前的各种磁记忆诊断仪所得到的磁场梯度分布图线中都明显包含大量噪声。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中不足之处，提供一种结构简单、价格低廉、使用灵活、灵敏度高的便携式磁场梯度测量装置，将该装置应用于金属磁记忆检测领域时，由于不产生微分噪声，对缺陷或应力集中的检测更加准确，该测量装置无需测量磁场强度的准确数值。
本发明所述的磁场梯度是这样规定的：设在x轴上坐标为x处相邻两点的坐标增量为dx，垂直于x轴的某方向的磁感应强度分量的增量为dBn，则在点x处沿x方向的磁场梯度定义为Gx＝dBn/dx。
本发明是通过以下技术方案实现的：将自相关检测技术应用于本发明，通过传感器的振动将静态的磁场分布调制成恒定频率的微弱交流信号输出，由选频放大电路对该被调制后的含噪声的微弱信号进行放大，然后由单片机系统A/D转换并作自相关运算处理，进一步消除噪声信号，算出信号的峰峰值电压，该电压正比于被测量的磁场梯度值。图1是本发明的系统组成框图。本发明的弱磁场梯度测量装置包括探头、选频放大电路、单片机系统、升压驱动电路、显示单元；所述单片机系统内部包括A/D转换和D/A转换功能部件，所述探头包括传感器、振动部件和外壳，探头外壳采用非铁磁性金属或塑料制成；所述振动部件为悬臂梁结构的压电双晶片，其固定端被固定在探头外壳内部，所述传感器安装在振动部件的自由端，由振动部件带动传感器作简谐振动，所述传感器通过线缆与选频放大电路输入端连接，选频放大电路输出端与单片机A/D部件连接，所述单片机D/A部件与升压驱动电路输入端连接，升压驱动电路输出端通过线缆与振动部件连接，以驱动振动部件振动，所述单片机I/O端口还与显示单元连接，该显示单元用以接收并显示被测磁场梯度值；所述选频放大电路的带通中心频率等于所述振动部件的振动频率，也等于单片机D/A部件输出信号的频率。
所述的自相关运算，是采用单片机软件编程实现，采用滑动平均值方法，并至少计算连续8个周期的峰峰值，然后取平均值或者求和，用该平均值或和的大小经过标定换算后表示被测量的磁场梯度值。所述传感器最好为集成线性霍尔元件；所述选频放大电路至少包含2级二阶有源带通滤波器，每级最好采用无限增益有源带通放大电路，选频放大电路中最好包含一级50Hz有源陷波器，滤除工频干扰信号；所述传感器检测面法线方向与振动部件振动方向垂直；所述选频放大电路带通中心频率为30Hz～200Hz，避开50Hz，而且应小于在自由端安装了传感器的压电双晶片的自由振动频率；上述装置中升压驱动电路包含升压变压器。
利用该装置测量构件表面沿x方向的磁场梯度时，使传感器沿x方向振动，传感器检测面平行于构件表面，所测磁场为法向磁感应强度分量Bn，在传感器振动范围dx内法向磁感应强度分量的增量为dBn，则沿x方向的磁场梯度Gx＝dBn/dx。
本发明与现有技术相比有如下的积极效果：结构简单、电路可靠、易于制作、成本低廉；体积小，使用方便，可测量任意点的磁场梯度，不受工作环境条件限制；测量灵敏度高，采用交流选频放大电路及自相关检测原理，噪声和干扰对测量影响小；将本发明应用于金属磁记忆无损检测时，没有微分噪声，对缺陷和应力集中检测准确，可靠性高。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图；
图2是本发明的一个实施例的选频放大电路原理图；
图3是本发明的一个实施例的升压驱动电路原理图；
图4是本发明的一个实施例的探头结构示意图；图中：集成线性霍尔元件引出线1，压电双晶片引线2，固定端夹持块3，外壳4，压电双晶片5，集成线性霍尔元件固定电路板6，霍尔元件引脚7，霍尔元件检测面8
图5是本发明的一个实施例的单片机程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。
本发明的弱磁场梯度测量装置采用自相关检测原理。图1是本装置的系统组成框图。由单片机D/A部件产生33.3Hz正弦波信号送图3升压驱动电路放大，通常使信号放大到峰峰值为30V左右，该交流信号通过压电双晶片引线2使压电双晶片5工作，即振动，带动安装在自由端的集成线性霍尔元件作简谐振动，振动方向与霍尔元件检测面8的法线方向垂直，霍尔元件的中心在压电双晶片所在平面内，为此需将霍尔元件引脚7作适当的弯折。被测量的磁场方向垂直于霍尔元件检测面8。霍尔元件引脚被焊接在固定电路板6上，信号引出线1也焊接在固定电路板6上，通过固定电路板6使霍尔元件固定在压电双晶片自由端并完成电气转接。
连接霍尔元件的线缆接入图2选频放大电路的输入插座JP01，将微弱信号送入该选频放大电路进行选频放大，即只放大33.3Hz的信号，选频放大电路带宽为1Hz。在该选频放大电路中，除第二级由U1A、C3、C4、R6、R7、W7、R8、R9、W9和R10等组成50Hz陷波电路外，其余3级电路均为中心频率为33.3Hz的带通放大电路。经选频放大后的正弦波信号峰峰值正比于被测量的磁场梯度，该正弦波信号由插座JP2输出到单片机系统的A/D部件，转化为数字信号，便于计算处理。
图2中的可调电阻W2、W7、W13和W16用来调节各级电路的中心频率；W1、W3、W12和W14用来调节各级电路放大倍数。电容C01和C02为霍尔元件电源滤波电容；电阻W1、R1、R2、W2、R3、W3、R4、R5，电容C1、C2及运放U1B组成第一级带通滤波器；电阻R12、W12、R13、W13、R14、W14，电容C5、C6及运放U1C组成第二级带通滤波器；电阻R15、R16、W16、R17、R20、R21，电容C7、C8及运放U1D组成第三级即最后级带通滤波器。3级带通滤波器在中心频率33.3Hz处的电压放大倍数依次为40、30和10。
图3中的可调电阻W33用来调节晶体管Q31和Q32的偏置电流，能调节由插座JP32输出的信号幅度，使峰峰值为30V左右，这时霍尔元件的振幅约为0.3mm。图3中的两个变压器均采用普通工频电源变压器，功率为1W，220V/12V×2变压器，变压器T31用于降压和阻抗变换，变压器T32用于升压。由单片机合成的33.3Hz正弦波信号经插座JP31输入到本升压驱动电路，电阻R31和R32为限流电阻，保护单片机输出端口；电阻W33、R33、R34为偏置电阻；电阻R35为集电极限流电阻，保护晶体三极管，同时便于测量静态偏置电流。
图4是本实施例的探头结构示意图，本实施例中，压电双晶片外型尺寸为60mm×20mm×0.6mm；传感器为3503型线性集成霍尔元件；探头外壳采用透明塑料制成长方体容器，外形尺寸为75mm×30mm×15mm，壁厚2mm；图中霍尔元件检测面8到外壳内壁的距离为0.5mm左右；固定电路板6被粘接固定在压电双晶片5的自由端；由图3中插座JP32输出的33.3Hz正弦波信号通过压电双晶片引线2对压电双晶片5供电，使其振动；2个固定端夹持块3采用橡胶材料，紧紧地将压电双晶片5的固定端挤压在外壳4内的一端，使压电双晶片成为悬臂梁结构。
单片机采用内带A/D和D/A的8位单片机C8051F005，由它构成一个最小系统。
图5是实施例的单片机程序流程图。在单片机内部通过编程将来自A/D的信号与D/A所产生的信号进行自相关运算，求出被测量信号的峰峰值，并计算最近16个周期的平均值，作为磁场梯度值送显示单元显示。
在对本发明的装置进行标定时，将探头放到已知磁场梯度的空间中，磁场方向垂直于霍尔元件检测面8，通过调节选频放大电路的放大倍数或者调节W33或者通过改变程序中数据比例等，使显示单元所显示数值等于实际磁场梯度值。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本技术领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1、一种弱磁场梯度测量装置，包括探头、单片机系统、显示单元，所述单片机系统内部包括A/D转换和D/A转换功能部件，其特征在于，所述磁场梯度测量装置还包括选频放大电路、升压驱动电路，所述探头包括传感器、振动部件和外壳，探头外壳采用非铁磁性的金属或塑料制成，振动部件为悬臂梁结构的压电双晶片，其固定端被固定在探头外壳内部，所述传感器安装在振动部件的自由端，由振动部件带动传感器作简谐振动，所述传感器通过线缆与选频放大电路输入端连接，选频放大电路输出端与单片机A/D部件连接，所述单片机D/A部件与升压驱动电路输入端连接，升压驱动电路输出端通过线缆与振动部件连接，以驱动振动部件振动，所述单片机I/O端口还与显示单元连接，该显示单元用以接收并显示被测磁场梯度值；所述选频放大电路的带通中心频率等于所述振动部件的振动频率，也等于单片机D/A部件输出正弦波信号的频率；所述的测量装置，其特征还在于，采用自相关检测技术，通过传感器的振动将静态的磁场分布调制成恒定频率的微弱交流信号输出，由选频放大电路对该被调制后的含噪声的微弱交流信号进行放大，然后由单片机系统A/D转换并作自相关运算处理，进一步消除噪声，算出微弱交流信号的峰峰值电压，该电压正比于被测量的磁场梯度值。
2、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述的自相关运算，是采用单片机软件编程实现，采用滑动平均值方法，并至少计算连续8个周期的峰峰值，然后取平均值或者求和，用该平均值或和的大小经过标定换算后表示被测量的磁场梯度值。
3、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述的单片机可以用其他嵌入式系统或DSP替换；所述的传感器为集成线性霍尔元件。
4、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述选频放大电路至少包含2级二阶有源带通滤波器。
5、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述传感器检测面法线方向与振动部件振动方向垂直。
6、根据权利要求1或4所述的测量装置，其特征是，所述选频放大电路带通中心频率为30Hz～200Hz，带宽小于2Hz。
7、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述升压驱动电路包含升压变压器。
8、根据权利要求1所述的测量装置，其特征是，所述选频放大电路包含1级二阶有源50Hz陷波器。
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