CN101477182B - 基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量技术领域的基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，其中：至少一根磁致伸缩合金棒通过弹性体接在压电片上，导电片接合在压电片的下面，磁致伸缩合金棒暴露在空气中，接触环固定在测量仪外壳底部，导电片的引出端分别和测量仪外壳底部的导线连接导通，而导线分别与两个接触环接触，接触环上引出电压信号线接入测量显示电路；测量显示电路由电压放大器、控制器组成，电压放大器的输入端连接接触环，电压放大器的输出端连接到控制器，控制器上连接有A/D转换模块、电源管理模块、液晶显示模块以及按键模块。本发明可以将尺寸降低到毫米级的、既有很好的灵敏度，又有很好的温度稳定性和大的测量范围。

Description

基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量技术领域的仪器，具体地说，涉及的是一种基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪。

背景技术

现有的测量交变磁场的方法基本有两种。一种是利用感应法测量交变磁场(线圈式)。在亥姆霍兹线圈上通以交变电流，利用亥姆霍兹线圈中的探测线圈所产生的感应电动势，通过计算求得在亥姆霍兹线圈某点的磁场强度。探测线圈法线方向与亥姆霍兹线圈轴线的夹角不同时，其感应电动势的幅值ε_m也不同，其大小与cosθ成正比。其测量范围可达到7.96～7.96×10⁴A/m。另一种是利用霍尔元件测量交变磁场(霍尔式)。根据霍尔效应可知，若霍尔元件灵敏度和控制电流一定，霍尔电压和所在磁场成正比。通过测量霍尔元件上的电压来计算霍尔元件所在磁场的磁场强度。其测量范围为79.6～7.96×10⁴A/m。但线圈式和霍尔式都有很大的不足之处。线圈式尺寸不能做到很小，而且讯号的灵敏度和所测频率相关，不容易线性显示；霍尔式的温度稳定性很差，而且测量范围较小，价格也相对较高。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利名称为“无源固态磁场传感器”，专利号为ZL99239314.0的发明专利，该专利中提出：用磁致伸缩材料的面和压电陶瓷的面相互接合组成磁场传感器单元，以若干个上述传感器单元重叠地组成磁场传感器组件，以一层压电元件层其二面复合磁致伸缩元件为佳，可测量转速、流量，电流强度及磁成像、磁记录和磁记录介质。其不足在于：所用的磁致伸缩材料产生的形变太小，理论上来讲对压电片的挤压也很小，产生的信号非常微弱，不利于测量；所用的压电材料PZP跟现有的压电材料相比，不论是相对介电常数还是压电常数，都已经不能满足现在的需要；所用的结构不容易产品化，按其结构，由于磁致伸缩产生的应力可能会很大，必须由一个弹性装置来平稳地传导应力，如果直接装在盒子里很容易把盒子的端面顶坏。而且现有专利仅仅是一个传感器部件，并不能直接测量和显示磁传感器所在交变磁场的磁场强度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，可以将尺寸降低到毫米级的、既有很好的灵敏度，又有很好的温度稳定性和大的测量范围，克服了现有线圈式尺寸和讯号灵敏度不足的问题，同时解决霍尔式温度稳定性差和测量范围小的缺陷，而且解决了一般的交变磁场测量仪必须通过电缆供电或不能随身携带的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括磁致伸缩合金棒、测量仪外壳、弹性体、压电片、导电片、接触环、测量显示电路。至少一根磁致伸缩合金棒通过弹性体接在压电片上，导电片接合在压电片的下面，然后一起设置在测量仪外壳中，但磁致伸缩合金棒暴露在空气中。接触环固定在测量仪外壳底部。导电片的引出端和测量仪外壳底部的导线连接导通，而导线与两个接触环可靠地接触，且互不导通，接触环上引出电压信号线接入测量显示电路。

所述的测量显示电路由电压放大器、控制器组成，电压放大器的输入端连接接触环，电压放大器的输出端连接到控制器。控制器上连接有A/D转换模块、电源管理模块、液晶显示模块以及按键模块，接触环传出的电荷通过电压放大器进行放大并转换为电压值，然后输入控制器，控制器的A/D转换模块对电压值进行模数转换，转换的数值通过液晶显示模块显示，按键模块控制整个装置的开关和显示数值的设置，电源管理模块对控制器进行复位，同时给控制器提供电压，原始电压由24V电池提供。

所述电压放大器的电路构成和连接方式为：导电片的其中一根信号线接地，另一根信号线与电容C1一端连接，电容C1的另一端与二极管D1正极、MOS管(3D01E)的栅极、电阻R1的一端、二极管D2的负极连接，二极管D1的负极与变阻器Rb的一端、三极管(3AX31B)的基极、MOS管(3D01E)的漏极连接，二极管D2的正极与电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端连接，MOS管(3D01E)的源极与电阻R4的一端、电阻R2的另一端、MOS管(3D01E)的衬底连接，变阻器Rb的另一端与电阻R5的一端连接，三极管(3AX31B)的发射极与电阻R4的另一端、正输出口连接，电阻R3的另一端与负输出、地线连接，电阻R5的另一端与24V电源的正极连接。然后将正输出口和负输出口分别接到MSP430的AD模块的引脚。

所述弹性体和磁致伸缩合金棒粘合固定好后装入测量仪外壳。

所述的弹性体与压电片通过强力胶粘结。

所述磁致伸缩合金棒一端顶住测量仪外壳端面，另一端通过弹性体顶在压电片上。

从功能上讲，压电片实际上相当于一个电荷发生器，从性质上讲，压电片实质上又是一个自源电容器。因此它存在着和电容传感器一样的高阻抗、小功率问题。压电片输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声等干扰将严重影响输出特性，必须进行前置放大；而且，高内阻使得压电片难以直接使用一般的放大器，而必须进行前置阻抗变换。因此，如果直接从压电片两端测量电压是不可能测出的。压电片可输出电荷也可输出电压，根据其测量电路的不同有两种测量电路：电压放大器和电荷放大器。由于电压放大器电路简单、成本低、工作稳定可靠，且输出电压便于测量，所以选择电压放大器作为其放大电路。

由于本发明整个装置需要独立稳定的电源供给、不间断测量、转换数据、按键和显示结果，所以必须有一个低功耗的核心的控制器来实现上述功能。因为测量到电压值以后要进行模数转换且显示结果，所以需要相应的功能模块。首先，独立供电的只能是电池，但用一般的单片机的话功耗太大，这样对测量仪的持续测量没有保证；其次，最好控制器有相应的功能模块，这样就可以避免使用很多专门的控制芯片来完成功能，从而集成化、小型化；最后，其形状要小，避免占用太大空间。所以可以采用摩托罗拉公司的MSP430系列单片机作为控制器，它能够完成上述的所有功能。

本发明属于利用磁致伸缩的原理对现有测量交变磁场测量仪的改进，与现有测量仪相比，具有结构小而方便，可以将尺寸降低到毫米级的，安全可靠，能测得各个角度的交变磁场强度；同时它还有：1、克服了线圈式测量时讯号灵敏度随频率而变的缺点；2、克服了霍尔式温度稳定性差的缺点；3、无需输入，无源测量；4、测量范围广。该测量测量仪的测量范围可达到7.96×10^-2～7.96×10⁴A/m。5、携带方便，可轻易带到现场测量且无需外部电源供电。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1为磁致伸缩合金棒，2为测量仪外壳，3为弹性体，4为压电片，5为导电片，6为接触环，7为测量显示电路。

图2为本发明的测量显示电路模块图。

图3为本发明的电压放大器电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-2所示，本实施例包括磁致伸缩合金棒1，测量仪外壳2，弹性体3，压电片4，导电片5，接触环6，测量显示电路7。

至少一根磁致伸缩合金棒1通过弹性体3接在压电片4上，导电片5接合在压电片4的下面，然后一起安装在测量仪外壳2中，但磁致伸缩合金棒1要暴露在空气中。接触环6通过螺钉固定在测量仪外壳2底部。导电片5的引出端分别和测量仪外壳2底部的导线连接导通，而导线分别与两个接触环6可靠地接触，且互不导通，接触环6上引出电压信号线接入测量显示电路7。

如图3所示，本实施例测量显示电路的功能模块图，由电压放大器、MSP430单片机及其外围模块(包括A/D转换模块、电源管理模块、液晶显示模块以及按键模块)组成。电压放大器的输入端连接接触环7，电压放大器的输出端连接到MSP430的A/D模块的引脚。

当整个测量仪放入交变磁场中时，磁致伸缩合金棒1产生轴向形变，形变应力通过弹性体均匀地压在压电片5上，产生的电荷通过导电片6和地线连到接触环7上，接触环7传出的电荷首先进入电压放大器进行电荷-电压转换，同时放大电压并输出到MSP430的A/D转换模块的引脚，转换成相应数值后由连接在MSP430上的液晶模块显示其数值，MSP430的按键模块可控制整个装置的开关和显示数值的设置，MSP430的电源管理模块可对MSP430进行复位，同时给MSP430和其他外围芯片提供电压，原始电压由24V电池提供。

所述弹性体3为40CrNiMo，并在其表面均匀镀上中磷涂层，一端与磁致伸缩合金棒1粘合好，另一端与压电片4用强力胶固定以后装入测量仪外壳2

所述的磁致伸缩合金棒1与压电片2利用强力胶粘结，使之可靠固定，在放入测量仪外壳2中时磁致伸缩合金棒1一端顶住测量仪外壳2端面，另一端通过弹性体3顶在压电片4上。

如图3所示，电压放大器的电路构成和连接方式为：导电片的其中一根信号线接地，另一根信号线与电容C1一端连接，电容C1的另一端与二极管D1正极、MOS管(3D01E)的栅极、电阻R1的一端、二极管D2的负极连接，二极管D1的负极与变阻器Rb的一端、三极管(3AX31B)的基极、MOS管(3D01E)的漏极连接，二极管D2的正极与电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端连接，MOS管(3D01E)的源极与电阻R4的一端、电阻R2的另一端、MOS管(3D01E)的衬底连接，变阻器Rb的另一端与电阻R5的一端连接，三极管(3AX31B)的发射极与电阻R4的另一端、正输出口连接，电阻R3的另一端与负输出、地线连接，电阻R5的另一端与24V电源的正极连接。然后将正输出口和负输出口分别接到MSP430的A/D模块的引脚。

本实施例中：电容C1为1000皮法，二极管D1、D2为2CP，变阻器Rb的范围为0-10千欧，电阻R1为100兆欧，电阻R2为50千欧，电阻R3为7.5千欧，电阻R4为200千欧，电阻R5为510千欧。

在单片机系统中，为了保证系统上电时进行初始化，同时也为了保证对电源的监控，需要采用复位芯片。本实施例采用MAX809STR作为其复位芯片。单片机本身需要3.3V的供电，而电压放大器需要12V的电压，而本实施例选用12V电池供电，所以必须利用电源芯片对其进行降压，采用TPS70633作为其降压芯片，此芯片可将5V的电压降到3.3V。采用4-mu 7.1数码LCD，SBLCDA4作为其LCD模块。

用一块标准的钕铝硼磁钢(B＝0.1T)贴在磁致伸缩合金棒1的端面上，利用按键调节LCD显示值为1V即可使用。然后根据LCD显示电压值的变化来标定磁场的变化，进而得到测得的磁场强度。

本实施例中，测量显示电路集成在一块小型电路板上，整个电路和电池结合在一起后装入一个圆柱装置，该装置有螺纹，且有开口保证不影响液晶屏读数，可与测量仪外壳对接。

本实施例中，选用铽镝铁稀土超磁致伸缩功能合金棒(REMA-CN)，REMA-CN是一类能显示巨大磁致伸缩性能的功能材料，把它放到磁场中，其室温下磁致伸缩应变量之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。它比传统的Ni-Co等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，达到电致伸缩材料的五倍以上。可高效地实现磁能转换成机械能，传输出巨大的能量。因此可以灵敏的输出其伸缩量。

利用REMA-CN伸缩时加在弹性体的力转化为弹力，一方面缓冲磁致伸缩材料在伸缩过程中产生的巨大推力，以免损坏盒子，另一方面可有效地将力加载在压电片上。加在压电片上的力可转换为电压值。由于交变磁场的不停变化，所以使得合金棒的应变量也在不停得变化，压电片上的力也就是动态力，而压电片正是适用于动态力的测量。

本实施例中，选用40CrNiMo作为弹性体，并在其表面涂有中磷的化学镀层。一方面降低了成本，如果选用不锈钢材料的话整个装置的的造价会很高；另一方面也满足了实际应用的要求，可以很好的将磁致伸缩合金棒产生的应力均匀地加在应电片上。

本实施例中，选用锆钛酸铅(PZT)作为压电片的核心部件，并进行多层叠加以使信号累积从而提高灵敏度。根据压电效应的原理，在受到外力作用时可将外力直接转化为电压信号来测量。

本实施例中，选用电压放大器作为压电片的测量电路，输入阻抗可达到2000MΩ，输出阻抗小于100Ω，可保证输出电压与输入电压成正比，频率范围为2Hz-100kHz，完全可以满足测量交变磁场的需要。

本实施例中，选用MSP430及其外围模块作为压电片的转换和显示电路，不仅可以实现整个电路电源的统一管理，而且使产品小型化，更利于开发，且通过A/D转换并用液晶模块显示起来更加精确。

Claims (5)

1.一种基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，包括磁致伸缩合金棒、测量仪外壳、弹性体、压电片、导电片、接触环、测量显示电路，其特征在于其中：至少一根磁致伸缩合金棒通过弹性体接在压电片上，导电片接合在压电片的下面，然后一起设置在测量仪外壳中，磁致伸缩合金棒暴露在空气中，接触环固定在测量仪外壳底部，导电片的引出端和测量仪外壳底部的导线连接导通，该导线与两个接触环接触，接触环上引出电压信号线接入测量显示电路；

所述的测量显示电路由电压放大器、控制器组成，电压放大器的输入端连接接触环，电压放大器的输出端连接到控制器，控制器上连接有A/D转换模块、电源管理模块、液晶显示模块以及按键模块，接触环传出的电荷通过电压放大器进行放大并转换为电压值，然后输入控制器，控制器的A/D转换模块对电压值进行模数转换，转换的数值通过液晶显示模块显示，按键模块控制整个装置的开关和显示数值的设置，电源管理模块对控制器进行复位，同时给控制器提供电压；

所述磁致伸缩合金棒为铽镝铁稀土超磁致伸缩功能合金棒；

所述压电片为锆钛酸铅压电片。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，其特征是，所述电压放大器的电路为：导电片的其中一根信号线接地，另一根信号线与电容(C1)一端连接，电容(C1)的另一端与第一二极管(D1)正极、MOS管的栅极、第一电阻(R1)的一端、第二二极管(D2)的负极连接，第一二极管(D1)的负极与变阻器(Rb)的一端、三极管的基极、MOS管的漏极连接，第二二极管(D2)的正极与第一电阻(R1)的另一端、第二电阻(R2)的一端、第三电阻(R3)的一端连接，MOS管的源极与第四电阻(R4)的一端、第二电阻(R2)的另一端、MOS管的衬底连接，变阻器(Rb)的另一端与第五电阻(R5)的一端连接，三极管的发射极与第四电阻(R4)的另一端、正输出口连接，第三电阻(R3)的另一端与负输出、地线连接，第五电阻(R5)的另一端与24V电源的正极连接，然后将正输出口和负输出口分别接到MSP430单片机的A/D模块的引脚。

3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，其特征是，所述弹性体由40CrNiMo和其表面的中磷化学涂层构成。

4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，其特征是，所述的磁致伸缩合金棒与弹性体粘结连接。

5.根据权利要求1或4所述的基于磁致伸缩原理的便携式交变磁场测量仪，其特征是，所述磁致伸缩合金棒一端顶住测量仪外壳端面，另一端通过弹性体顶在压电片上。

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