CN103064049B - 一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置 - Google Patents

一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置 Download PDF

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Abstract

一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，它是由变频电源模块、电容匹配模块、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成；首先变频电源模块根据要求设置电压及其频率，然后通过电容匹配模块选择对应的电容值以减小线圈电感对磁感应强度的影响，接着将调整后的三相电源信号一方面接至相位检测模块，根据相位检测结果调整变频电源的起始角度，保证三维磁场的相位同步；另一方面接至三维亥姆霍兹线圈，使其产生动态交变磁场；本发明可产生任意方向、高均匀度的交直流磁场，为磁敏传感器的特性测试提供了磁场环境；它在电子测量技术领域里具有较好的实用价值和应用前景。

Description

一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置
技术领域
本发明涉及一种基于三相电源相位同步的三维标准磁场发生装置，属于电子测量技术领域。
背景技术
随着磁敏传感器的开发和广泛应用，其特性测试越来越受到关注，但由于对其机理研究的不透彻以及所需测试条件的苛刻性，使得当前的测试手段远远落后于传感器的发展。而具有宽幅、宽频特性的标准磁场发生装置是实现对磁敏传感器特性全面测试的前提。作为磁敏传感器的标准磁场发生环境，对磁场的要求主要体现在磁场强度、磁场均匀度和磁场空间这三个方面。
目前现有的磁场发生装置中，亥姆霍兹线圈可产生均匀度高、磁场空间大、磁感应强度较高的磁场，因此被广泛地使用在磁敏传感器的测试及应用场合。但是传统的一维或二维亥姆霍兹线圈只产生一维或二维的直流磁场，现有的三维亥姆霍兹线圈虽可以产生任意方向的交直流磁场，但由于受线圈电感的影响，线圈产生的磁感应强度将受到限制，此外，由于三个线圈的电阻电感比值不同，相位相同的电源产生的电流相位不同，进而导致产生的动态磁场相位不同，这将不利于三维磁场的合成。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，为磁敏传感器特性的全面测试提供了静动态磁场环境。
本发明的技术解决方案：基于动态磁场环境的考虑，采用变频电源模块分别给每对线圈单独提供交变电源；当电源产生交变电流时，基于线圈电感对磁感应强度的影响，提供了电容匹配模块以降低线圈电感的影响；基于三维线圈电阻电感比值的不同导致产生的动态磁场相位不同，设计了相位检测电路，根据检测的相位差调节电源的起始角度。
本发明一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，是由变频电源模块、电容匹配模块、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成。其间关系是：首先变频电源模块根据要求设置电压及其频率，然后通过电容匹配模块选择对应的电容值以减小线圈电感对磁感应强度的影响，接着将调整后的三相电源信号一方面接至相位检测模块，根据相位检测结果调整变频电源的起始角度，保证三维磁场的相位同步；另一方面接至三维亥姆霍兹线圈，使其产生动态交变磁场。
所述变频电源模块，是一种三相线性可编程交流变频电源，分两档输出，一档电压范围是0-300伏，最大输出电流为8.4安；另一档电压范围是0-150伏，最大输出电流是4.2安。电源频率三相统一设定，以步长0.1Hz在范围为40-500Hz内可调，其中三相电压和起始角度独立可调。该变频电源模块为三维亥姆霍兹线圈提供变频电源信号，以产生动态变化的磁场。
所述电容匹配模块，包括串联电容、开关控制电路和液晶显示模块，其间的关系是：开关控制电路根据设定的三相电源频率值，分别选择三维线圈对应的串联电容，以减小线圈电感对磁感应强度的影响，并将各相设定的电压值和匹配电容值通过液晶显示模块显示。该串联电容选用频率特性优异的聚丙烯电容，它具有无极性、绝缘阻抗高、介质损伤小的特点，适于在高电流高电压的交流环境下工作。该开关控制电路是：以单片机为核心，首先根据设定的电源频率和各线圈的电感值计算所需的匹配电容值，然后由单片机控制固态交流开关通断，分别选择需要接入电路的电容值，最后将选择的三相匹配电容值通过液晶显示模块显示。该液晶显示模块采用320×240的图形点阵式液晶，其功能是显示交流电源频率、磁场强度、匹配电容值和需要调节的电源电压值，通过液晶显示的这些参数，可以了解线圈电路的总体状况，并根据显示的电源参数调节三相电源的频率和各相电压。
所述相位检测模块，包括前级整形电路、相位差测量电路和相位极性判别电路。其间关系是：三路正弦波信号首先经前级整形电路输出为方波信号，然后经过相位差测量电路，分析计算出其中两路信号之间的相位差，同时通过相位极性判别电路判断这两路信号波形的超前或滞后，最后根据显示的相位差和相位极性调整三相电源的起始角度，使其相位保持同步。该前级放大整形电路是将正弦信号转换成方波信号，作为后续相位差测量电路的输入。该相位差测量电路是通过相关计数法检测三路正弦波的相位，分别通过测试三路信号间其中两路的相位差，得出三相之间的相位关系。该相关计数法是：首先将两路方波信号进行异或操作后，并和有源晶振输出的高频脉冲信号进行与操作，然后在相同时间内对异或操作后的信号脉冲和与操作后的信号脉冲计数，最后通过对这两个脉冲个数换算可得出两路信号之间的相位差。该相位极性判别电路是通过D触发器判别相位差测量电路中两路信号波形的超前或滞后，便于调整三相电源信号的起始角度。
所述三维亥姆霍兹线圈是由两两相互垂直的三对空心圆柱线圈组成，每对线圈是由一对半径都为R，同轴放置且间距为R的空心圆柱线圈构成，三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中X轴、Y轴和Z轴。该三维亥姆霍兹线圈的功能是：可产生设定大小和任意三维方向的交变磁场，为磁敏传感器特性的全面测试提供均匀度高的磁场环境。
其中，该变频电源模块即线性可编程交流变频电源的外形尺寸为430mm×700mm×700mm，型号为APS8003LS；
其中，该电容匹配模块中的开关控制电路中固态交流开关的型号是ACST8-8CFP;
其中，该三维亥姆霍兹线圈的型号是3H1Y6-100。外形几何尺寸为：X轴线圈内径为100mm、外径为140mm，厚度为20mm；Y轴线圈内径为180mm、外径为230mm，厚度为25mm；Z轴线圈内径为272mm、外径为332mm，厚度为30mm；可产生的磁场均匀区为30mm×30mm×30mm。
该装置的工作原理流程如下：首先线性可编程交流变频电源根据动态磁场要求设置电压及其频率，然后将三相电源信号经电容匹配模块选择对应的电容值以减小线圈电感对磁感应强度的影响，接着将调整后的三相电源信号传输至相位检测模块，根据相位检测结果调整变频电源的起始角度，同时该三相电源信号连接三维亥姆霍兹线圈，使其产生动态交变磁场。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1）采用一种三维亥姆霍兹线圈磁场发生装置，可产生任意方向、高均匀度的交直流磁场，为磁敏传感器的特性测试提供了磁场环境；
2）设计了电容匹配模块，抵消了交流情况下线圈电感对磁感应强度的影响，使电路达到或接近谐振状态，解决磁场功率损耗过大的问题，使磁感应强度达到期望值；
3）设计了相位检测电路，通过检测三相线圈间的电流相位，调整电源的起始角度，确保三维磁场的合成。
附图说明
图1为三维标准磁场发生装置结构示意图。
图2为三维标准磁场发生装置整体框图。
图3为相关计数法测量相位差原理时序图。
图中符号说明如下：
X0、Y0表示三相电源信号中的其中两路正弦信号，fx、fy表示由两路正弦信号经整形电路得到的方波信号，fxy表示两路方波信号fx和fy异或操作得到的信号，f0表示有源晶振产生的高频脉冲信号，f1表示出f0与方波信号fxy与操作后的信号。
具体实施方式
本发明一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，是由变频电源模块、电容匹配模块、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成。其间关系是：首先变频电源模块根据要求设置电压及其频率，然后经电容匹配模块选择对应的电容串联至电路中，以减小线圈电感对磁感应强度的影响，接着将调整后的三相电源信号一方面传输至相位检测模块，根据相位检测结果调整变频电源的起始角度，保证三维磁场的相位同步；另一方面接至三维亥姆霍兹线圈，使其产生动态交变磁场。
图1为本发明三维标准磁场发生装置结构示意图。该装置是由变频电源模块、电容匹配模块、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成。首先通过变频电源模块设置各相所需的电压及其频率值，然后将三相电源信号传输至电容匹配模块，选择各相线圈对应的电容值，并将选择好的电容串联至电源信号传输电路中，接着将调整好的电源信号一方面传输至相位检测模块，经该模块的相位检测确保三相电源的相位同步，以便于三维磁场的合成，另一方面该电源信号接至三维亥姆霍兹线圈，使线圈产生交变磁场，为磁敏传感器的特性测试提供测试环境。
图2为本发明三维标准磁场发生装置整体框图。该标准磁场发生装置由变频电源模块、电容匹配模块、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成。具体实现方法是：首先根据测试要求设置变频电源模块中各相的电压值及频率，其中频率可调范围为40Hz-500Hz，调节步长为0.1Hz，然后将输出的三相电源信号连接至电容匹配模块，由开关控制电路计算出每相电路需匹配的电容值，进而通过控制固态交流开关选择通断将对应的电容串联到电路中，同时将之前设置的各相电源频率、电压及匹配电容值通过液晶屏显示，接着将串联电容之后的各相电源信号分两方面处理，一方面连接至相位检测模块，由该模块中的相位相关计数法计算出三相电路中任意两路之间的相位差，将相位差值通过LED数码管显示，同时将这两路信号连接D触发器来判别相位的极性以确认两路波形的超前或滞后，结合相位差值及相位的极性，调整变频电源电压的起始角度，以保证三相电源的相位同步；一方面连接至三维亥姆霍兹线圈，使线圈中心位置产生均匀的三维磁场。
图3为相关计数法测量相位差原理时序图。将两路正弦波转换为同频率的方波fx、fy，将两路方波信号进行异或操作得到信号fxy，并利用有源晶振产生的高频脉冲信号f0，求出脉冲信号f0与方波信号fxy与操作后的信号f1，在相同时间内对f0、f1信号脉冲个数计数，设脉冲个数分别为n0、n1，则可得出两路信号的相位差为（n1/n0）*180°。基于上述原理，分别检测三路信号中任意两路之间的相位差，由显示结果调整变频电源的起始角度，使三相电源信号相位同步，从而确保三维磁场的合成。
其中，该变频电源模块即线性可编程交流变频电源的外形尺寸为430mm×700mm×700mm，型号为APS8003LS；
其中，该电容匹配模块中的开关控制电路中固态交流开关的型号是ACST8-8CFP;
其中，该三维亥姆霍兹线圈的型号是3H1Y6-100。外形几何尺寸为：X轴线圈内径为100mm、外径为140mm，厚度为20mm；Y轴线圈内径为180mm、外径为230mm，厚度为25mm；Z轴线圈内径为272mm、外径为332mm，厚度为30mm；可产生的磁场均匀区为30mm×30mm×30mm。

Claims (4)

1.一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于：它是由变频电源模块、电容匹配模块、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成；首先变频电源模块根据要求设置电压及其频率，然后通过电容匹配模块选择匹配电容值以减小线圈电感对磁感应强度的影响，接着将调整后的变频电源信号一方面接至相位检测模块，根据相位检测结果调整变频电源模块的起始角度，保证三维磁场的相位同步；另一方面接至三维亥姆霍兹线圈，使其产生动态交变磁场；
所述变频电源模块，是一种三相线性可编程交流变频电源，分两档输出，一档电压范围是0-300伏，最大输出电流为8.4安；另一档电压范围是0-150伏，最大输出电流是4.2安；电源频率三相统一设定，以步长0.1Hz在范围为40-500Hz内可调，其中三相电压和起始角度独立可调，该变频电源模块为三维亥姆霍兹线圈提供变频电源信号，以产生动态变化的磁场；
所述电容匹配模块，包括匹配电容、开关控制电路和液晶显示模块，开关控制电路根据设定的三相电源频率值，分别选择三维亥姆霍兹线圈对应的匹配电容，以减小线圈电感对磁感应强度的影响，并将各相设定的电压值和匹配电容值通过液晶显示模块显示；该匹配电容选用频率特性优异的聚丙烯电容，适于在高电流高电压的交流环境下工作；该开关控制电路是以单片机为核心，首先根据设定的电源频率和各线圈的电感值计算所需的匹配电容值，然后由单片机控制固态交流开关通断，分别选择需要的匹配电容值，最后将选择的三相匹配电容值通过液晶显示模块显示；该液晶显示模块采用320×240的图形点阵式液晶，其功能是显示交流电源频率、磁场强度、匹配电容值和需要调节的电源电压值，通过液晶显示的这些参数，了解线圈电路的总体状况，并根据显示的电源参数调节三相电源的频率和各相电压；
所述相位检测模块，包括前级整形电路、相位差测量电路和相位极性判别电路；三路正弦波信号首先经前级整形电路输出为方波信号，然后经过相位差测量电路，分析计算出其中两路信号之间的相位差，同时通过相位极性判别电路判断这两路信号波形的超前或滞后，最后根据显示的相位差和相位极性调整三相电源的起始角度，使其相位保持同步；该前级整形电路是将正弦信号转换成方波信号，作为后续相位差测量电路的输入；该相位差测量电路是通过相关计数法检测三路正弦波的相位，分别通过测试三路信号间其中两路的相位差，得出三相之间的相位关系；该相关计数法是：首先将两路方波信号进行异或操作后，并和有源晶振输出的高频脉冲信号进行与操作，然后在相同时间内对异或操作后的信号脉冲和与操作后的信号脉冲计数，最后通过对这两个脉冲个数换算可得出两路信号之间的相位差；该相位极性判别电路是通过D触发器判别相位差测量电路中两路信号波形的超前或滞后，便于调整变频电源信号的起始角度；
所述三维亥姆霍兹线圈是由两两相互垂直的三对空心圆柱线圈组成，每对线圈是由一对半径都为R，同轴放置且间距为R的空心圆柱线圈构成，每一对空心圆柱线圈的半径及间距均相同，然而三对空心圆柱线圈之间取不同的R值；三对空心圆柱线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中X轴、Y轴和Z轴；该三维亥姆霍兹线圈的功能是产生设定大小和任意三维方向的交变磁场，为磁敏传感器特性的全面测试提供均匀度高的磁场环境；
将两路正弦波转换为同频率的方波fx、fy，将两路方波信号进行异或操作得到信号fxy，并利用有源晶振产生的高频脉冲信号f0，求出脉冲信号f0与方波信号fxy与操作后的信号f1，在相同时间内对f0、f1信号脉冲个数计数，设脉冲个数分别为n0、n1，则得出两路信号的相位差为(n1/n0)*180°；基于上述原理，分别检测三路信号中任意两路之间的相位差，由显示结果调整变频电源的起始角度，使三相电源信号相位同步，从而确保三维磁场的合成。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于：该变频电源模块即线性可编程交流变频电源的外形尺寸为430mm×700mm×700mm，型号为APS8003LS。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于：该电容匹配模块中的开关控制电路中固态交流开关的型号是ACST8-8CFP。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于：该三维亥姆霍兹线圈的型号是3H1Y6-100，外形几何尺寸为：X轴线圈内径为100mm、外径为140mm，厚度为20mm；Y轴线圈内径为180mm、外径为230mm，厚度为25mm；Z轴线圈内径为272mm、外径为332mm，厚度为30mm；可产生的磁场均匀区为30mm×30mm×30mm。
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