CN103235031A - 基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一采样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量。本发明采用多个具有三维磁场信号输出的传感器，并在多路选择器和模数转换器的配合下实现多点位、三维磁场检测，易于控制，易于实施，精度高。

Description

基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法。

背景技术

研究表明，有缺陷的高聚物以一定的速度拉伸时，会在裂口周围产生一定的温升，同时伴生一定强度的磁场。为了进一步研究该磁场与拉伸时产生的温升之间的关系，需要在自动控制拉伸速度的同时，对试件的温升与磁感应强度进行同步测量，并以时间同步方式保存所有的测量数据：拉力、位移量、磁感应强度、温度(图像数据)，以研究并确定它们之间的关系。

公开号为CN101261245A的专利，其名称为含缺陷流变体热致磁效应采集与测试系统(申请号为200810031098)，提出了一种磁场检测方案，是基于霍尔传感器阵列采集磁场数据，这种方案存在的最大问题是结构复杂，需要构造传感器阵列，而且需要复杂的供电电路和控制电路为传感器服务；另外这种传感器只能测量一个方向的磁场数据，无法检测三维磁感应数据，因此局限性大。

因此，有必要设计一种全新的磁场测量方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，该基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法采用多个具有三维磁场信号输出的传感器，并在多路选择器和模数转换器的配合下实现多点位、三维磁场检测，易于控制，易于实施。

发明的技术解决方案如下：

一种基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一采样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量。

在所述的测量过程中，单片机通过磁滞效应消除电路产生正反向极化脉冲并输出给磁传感器，以消除在磁场测量过程中磁传感器被磁化；测量步骤为：

步骤1：依次循环完成对5个点位的磁场测量；

每一个点位的磁场测量包括依次测量x、y和z方向的磁场；

步骤2：当5个点位的三维磁场测量全部完成以后，就完成了一帧数据的测量，并返回步骤1进行下一次循环；

每一个点位处的磁传感器单方向的磁场测量过程为：

A/D转换开始前，单片机先输出一个置位信号SET使传感器获得正向极化，接着启动模数转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值AVG1，接着单片机输出一个复位信号RESET使磁传感器获得反向极化，然后启动模数转换器再获得100个采样值，并求得平均值AVG2，然后将两次获得的平均值AVG1和AVG2经过数值计算V_OUT＝(AVG1+AVG2)/2，得到一个数值作为一个该单方向的磁场测量值；

所述的和的单方向指x、y或z方向。

采用五点位三维磁场测量装置实施测量；

所述的五点位三维磁场测量装置包括单片机、磁传感器、多路选择器、模数转换器、磁滞效应消除电路和串口通信电路；

所述的磁传感器为5个，对称设置于PCB正面的5个点位上，且4个设置在PCB板的四角处，另一个设置在PCB板的中央；每一个磁传感器具有3个信号输出通道，分别输出X、Y、Z三方向的磁感应信号；

磁传感器依次通过多路选择器和模数转换器与单片机的输入接口连接；多路选择器的通道选择端接单片机的输出端口；

磁滞效应消除电路的两个输入端分别接单片机的复位端和置位端(set8和reset8)；复位端和置位端均为单片机的IO端口；磁滞效应消除电路的输出端与磁传感器中的脉冲极化电路相连；

单片机通过所述的串口通信电路与上位机连接；

所述的磁传感器采用HMC2003芯片，所述的多路选择器包括3个多路开关：即第一多路开关、第二多路开关和第三多路开关，模拟多路开关采用具有8路信号输入通道和1个信号输出通道的74HC4051芯片；模数转换器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯片具有四个模拟信号输入端：IN0，IN1，IN2，IN3；

5个磁传感器的X信号输出通道分别与第一多路开关的5个信号输入通道相接；

5个磁传感器的Y信号输出通道分别与第二多路开关的5个信号输入通道相接；

5个磁传感器的Z信号输出通道分别与第三多路开关的5个信号输入通道相接；

3个多路开关的3个信号输出通道分别与模数转换器的3个模拟信号输入端相接；

3个多路开关的三个数字选择端(即A、B、C)对应并联。

磁滞效应消除电路为基于功率MOSFET管的脉冲产生电路，功率MOSFET管采用IRF7106芯片；

IRF7106芯片的5-8脚短接后通过第一电容(C83)与磁传感器中的脉冲极化电路相接；

IRF7106芯片的1脚和3脚分别接地和直流电源正端VCC1；

IRF7106芯片的2脚(G1)接所述的复位端(reset8)；

单片机的另一个IO端口作为置位端(set8)，置位端(set8)通过第一电阻(R81)接NPN型的三极管(Q18)的基极；三极管(Q18)的射极接地，三极管(Q18)的集电极通过第二电阻(R82)接VCC1；三极管(Q18)的集电极还通过第二电容(C81)接IRF7106芯片的4脚(G2端)；IRF7106芯片的4脚与VCC1之间接有第三电阻(R83)；VCC1与地之间接有第三电容(C82)；V_CC1＝20V；

串口通信电路采用专用通信器件MAX232，单片机采用STC89C54RD芯片。

有益效果：

本发明的基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，采用分布在不同点位处的5个三维磁传感器(HMC2003芯片)检测磁场信号，并采用基于74HC4051芯片的多路模拟多路开关实现数据切换，再采用模数转换器将模拟信号转换成数字信号输出到单片机中，完成多点位三维磁场数据的采集。

其中，采用多路开关能有效简化电路设计，且充分利用单片机的端口，而且控制方便，一次能同步采集一个磁传感器输出的一组三维磁场数据。

另外，本发明还设计了磁滞效应消除电路以消除磁滞、提高磁场检测精度。

综上所述，本发明采用多个具有三维磁场信号输出的传感器，并在多路选择器和模数转换器的配合下实现多点位、三维磁场检测，结构简单，易于控制，易于实施，且采用磁滞效应消除电路后，能进一步提高装置的检测精度。

附图说明

图1是五点位三维磁场测量装置的总体原理框图；

图2是五个磁传感器布置在PCB板上的位置示意图；

图3是五点位三维磁场测量装置的多路选择及模数转换电路的原理图；

图4是多通道采样流程图；

图5是恒流源电路图；

图6是置位/复位脉冲示意图；

图7是置位/复位脉冲电路原理图。

图8为偏置电流带外围电路(之一)；

图9为偏置电流带外围电路(之二)。

图10为含有实验系统的各检测量的曲线的实验结果界面。

图11为20mm/min速率下试件表面的热致磁感应强度-时间关系曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-9所示，

一种基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一采样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量。

在所述的测量过程中，单片机通过磁滞效应消除电路产生正反向极化脉冲并输出给磁传感器，以消除在磁场测量过程中磁传感器被磁化；测量步骤为：

步骤1：依次循环完成对5个点位的磁场测量；

每一个点位的磁场测量包括依次测量x、y和z方向的磁场；

步骤2：当5个点位的三维磁场测量全部完成以后，就完成了一帧数据的测量，并返回步骤1进行下一次循环；

每一个点位处的磁传感器单方向的磁场测量过程为：

A/D转换开始前，单片机先输出一个置位信号SET使传感器获得正向极化，接着启动模数转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值AVG1，接着单片机输出一个复位信号RESET使磁传感器获得反向极化，然后启动模数转换器再获得100个采样值，并求得平均值AVG2，然后将两次获得的平均值AVG1和AVG2经过数值计算V_OUT＝(AVG1+AVG2)/2，得到一个数值作为一个该单方向的磁场测量值；

所述的和的单方向指x、y或z方向。

基于该方法的五点位三维磁场测量装置，包括单片机、磁传感器、多路选择器、模数转换器、磁滞效应消除电路和串口通信电路；

所述的磁传感器为5个，对称设置于PCB正面的5个点位上，且其中的4个设置在PCB板的四角处，另一个设置在PCB板的中央；每一个磁传感器具有3个信号输出通道，分别输出X、Y、Z三个方向的磁感应信号；

磁传感器依次通过多路选择器和模数转换器与单片机的输入接口连接；多路选择器的通道选择端接单片机的输出端口；

磁滞效应消除电路的两个输入端分别接单片机的复位端和置位端(set8和reset8)；复位端和置位端均为单片机的IO端口；磁滞效应消除电路的输出端与磁传感器中的脉冲极化电路相连；

单片机通过所述的串口通信电路与上位机连接。

所述的磁传感器采用HMC2003芯片，所述的多路选择器包括3个多路开关：即第一多路开关、第二多路开关和第三多路开关，模拟多路开关采用具有8路信号输入通道和1个信号输出通道的74HC4051芯片；模数转换器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯片具有四个模拟信号输入端；

5个磁传感器的X信号输出通道分别与第一多路开关的5个信号输入通道相接；

5个磁传感器的Y信号输出通道分别与第二多路开关的5个信号输入通道相接：

5个磁传感器的Z信号输出通道分别与第三多路开关的5个信号输入通道相接；

3个多路开关的3个信号输出通道分别与模数转换器的3个模拟信号输入端相接；

3个多路开关的三个数字选择端(即A、B、C)对应并联【即3个多路开关的A端并联，3个多路开关的B端并联，3个多路开关的C端并联】。

74HC4051是8通道模拟多路选择器/多路分配器，带有3个数字选择端(S0至S2，也即A、B、C端)，1个低有效使能端(E)，8个独立输入/输出端(Y0至Y7)和1个公共输入/输出端(Z)。E为低时，8个开关的其中之一将被S0至S2选中(低阻态)。E为高时，所有开关都进入高阻态，直接无视S0至S2。

磁滞效应消除电路为基于功率MOSFET管的脉冲产生电路，功率MOSFET管采用IRF7106芯片；

IRF7106芯片的5-8脚短接后通过第一电容(C83)与磁传感器中的脉冲极化电路相接；

IRF7106芯片的1脚和3脚分别接地和直流电源正端VCC1；

IRF7106芯片的2脚(G1)接所述的复位端(reset8)；

单片机的另一个IO端口作为置位端(set8)，置位端(set8)通过第一电阻(R81)接NPN型的三极管(Q18)的基极；三极管(Q18)的射极接地，三极管(Q18)的集电极通过第二电阻(R82)接VCC1；三极管(Q18)的集电极还通过第二电容(C81)接IRF7106芯片的4脚(G2端)；IRF7106芯片的4脚与VCC1之间接有第三电阻(R83)；VCC1与地之间接有第三电容(C82)。

V_CC1＝20V。

串口通信电路采用专用通信器件MAX232，单片机采用STC89C54RD芯片。

实施例1：

基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法由五点传感器测量板和多路数据采集板两部分层叠而成，五点传感器测量板传感器布置如图2所示，采用这种布置方案是根据PVC板材在拉伸过程中最大热致磁场产生的位置确定的。即五个三维传感器布置在聚合物板材在拉伸过程中最有可能出现磁场强度最大的位置；五点三维传感器电原理框图如图1所示。

图中HMC2003(1-5)是由5个HMC2003组成的五点三维微弱磁场传感器组，这是整个传感器的核心单元，其排列方式如图2所示；多路选择器由三个74HC4051模拟多路开关组成，三个74HC4051模拟多路开关分别选通5个HMC2003的X，Y，Z三维输出信号，进入模数转换器的三个输入端IN0，IN1，IN2，三个74HC4051模拟多路开关的选择控制端A，B，C是并联的，其选择控制由单片机执行，单片机采用STC89C54RD+八位单片机，改变A，B，C的状态，可以实现任意一个传感器X，Y，Z信号的同时切换，即每一个传感器X，Y，Z输出信号是同时到达模数转换器的，模数转换器是ADS7825十六位A/D转换器，有四个输入端IN0，IN1，IN2，IN3，只要分时选通四个通道，就可以实现输入模拟量的转换，本系统选用IN0，IN1，IN2三个输入端分别作为X，Y，Z三维微弱磁场的信号输入端。

磁滞效应消除外围电路是为了消除在磁场测量过程中传感器被磁化而降低测量灵敏度而设置的正反向极化脉冲产生电路，能够产生正、反向峰值电流达4A的瞬态尖峰脉冲，该脉冲作用于HMC2003内部的脉冲极化电路，实现巨磁电阻的瞬间极化，以提高巨磁电阻的测量灵敏度，正反向极化脉冲是由单片机发出的SET，RESET信号控制的。

A/D转换开始前，先输出一个SET信号，使传感器获得正向极化，接着启动A/D转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值的方法进行数字滤波，接着单片机输出一个RESET信号，使传感器获得反向极化，接着启动A/D转换器再进行100次A/D转换，并求平均值，然后将两次获得的平均值经过数值计算V_OUT＝(AVG1+AVG2)/2得到一个数值作为一个测量值，当一个传感器的三维信号全部处理完毕，则完成了一个点的三维磁场测量，当5个传感器的三维磁场全部完成以后，就完成了一帧数据的测量。当单片机完成一帧数据采集以后，检查串口通信有无上位机发来的数据请求信号，如果有上位机发来的请求信号，则按照约定格式将一帧数据发出，完成数据传输以后，单片机进入下一个采用周期。串口通信由专用通信器件MAX232构成。

图中HMC2003为三维高灵敏度磁场测量传感器，5个HMC2003按照图2所示排列，磁滞效应消除外围电路与HMC2003内部脉冲消磁电路配合，完成巨磁电阻正反向极化，使传感器具有最高测量灵敏度；数据采集板由多路选择器，模数转换器和单片机构成，多路开关为三维传感器通道选择开关，将5个三维传感器的X，Y，Z分别分时选通至A/D转换器ADS7825的三个输入通道，ADS7825是16位A/D转换器，单片机为8位STC单片机。

HMC2003芯片内部包括三维巨磁电阻测量桥，桥路恒流供电电源，精密基准电压源，三维精密仪表放大器，脉冲消磁电路和背景磁场对消线圈，它的作用是在零磁场状态将微弱磁场的变化量转化为输出电压的变化量，根据磁场与电压的对应关系推算出微弱磁场的变化量值。

其中三维巨磁电阻测量桥是测量微弱磁场的最基本单位，微弱磁场就是由巨磁电阻测量桥转换为差分输出电压。

桥路恒供电电源为三维磁场测量提供恒定的电流源，以减小电源波动对信号源的影响，降低了系统误差。

精密基准电压源是为背景磁场对消线圈提供一个基准电压。

三维精密仪表放大器将微弱差分电压信号放大输出，以便于电压信号的传输与转换。

脉冲消磁电路和磁滞效应外围电路二者结合组成磁滞效应消除电路，使巨磁电阻测量桥始终处于无磁滞效应的最高灵敏状态，用来消除磁滞效应对测量灵敏度的影响。

背景磁场对消线圈电路和背景磁场外围电路组成背景磁场消除电路，用来消除工作环境背景磁场，使传感器实际工作于零磁场环境，实现微弱磁场的精密测量。

多路选择器的作用是将5个测量点共15个单元测量传感器输出的模拟信号电压传输到一个A/D转换器，实现由一个A/D转换器完成15路模拟信号的转换。

单片机作为系统控制单元，完成数据采集与各种功能的协调。

GMR传感器是一种测量磁场强度的元件，与很多其他器件不同的是，它直接测量磁场强度而并非感应磁场的变化速率，所以测量微弱磁场是十分方便的。GMR传感器具有体积小、灵敏度高、线性范围宽，使用温度高、成本低等优点

本设计中的巨磁电阻传感器选用的是HMC2003，这类磁阻传感器按4元件惠斯顿电桥配置，具有集成置位/复位带，可降低温度漂移效应、非线性误差和由于高磁场的存在，导致的输出信号的丢失。并且具有集成偏置带，可消除硬铁干扰的影响。三维磁场传感器HMC2003，可以测出微弱磁场的三维(x，y，z)方向。

HMC2003外围的放大电路为现有技术，在此不做详细说明。

背景磁场对消技术

在巨磁电阻周围通电线圈以及地磁场的影响下，巨磁电阻周围有很强的背景磁场，背景磁场严重影响了巨磁电阻对微弱磁场的测量，为提高巨磁电阻传感器检测磁场微弱变化场的分辩力，在巨磁电阻上绕上一匝线圈，通过线圈给巨磁电阻传感器一个大小相同、方向相反的“补偿磁场”与背景磁场对消，使巨磁电阻工作于零磁场状态。

施加补偿磁场消除背景磁场是通过偏置电流带来进行补偿的，偏置电流带还可以驱动电流通过电流带，精确地抵消测量磁场，这被称作闭环结构。磁场偏置带(偏置+和偏置-)能够生成一个与正被测量的施加磁场相同方向的磁场。HMC2003的电流带每通过50mA电流可提供10e的磁场，HMC2003的电流带每通过5mA电流可提供10e的磁场。(空气中1高斯＝10e)。偏置电流带看起来像是一个在偏置+和偏置-引脚间的标称电阻。

偏置电流带可以用作闭环电路内的反馈元件。利用电流反馈环路内的偏置电流带可以测到期望值。若要达到此目的，要将电桥放大器的输出端连接到驱动偏置电流带的电流源。利用环路内的高增益和反向反馈。这将使磁阻桥路输出为0(输出+＝输出-)。这种方法可以给出极佳的线性度和温度特性，始终以平衡的电阻模式操作磁阻电桥。即，无论测量什么样的磁场，通过偏置电流带的电流都会将之消除。电桥始终“看到”一个零磁场条件，用来消除施加磁场的合成电流是此磁场强度的一个直接试题，并且可以被转换成磁场值。

正向极化与反向极化消除磁滞效应

大多数低磁场传感器会受到大的磁场干扰(＞4～20高斯)的影响，可能导致输出信号的衰变。为了减少这种影响和最大化信号输出，可以在磁阻电桥上应用磁开关切换技术，消除过去磁历史的影响。置位/复位电流带的目地就是把磁阻传感器恢复到测量磁场的高灵敏度状态。这可以通过将大电流脉动通过S/R电流带实现。S/R电流带看起来像加在SR+和SR-引脚之间的一个电阻。此电流带与偏置电流带不同，因为它是以垂直轴或不敏感的方向磁耦合到磁阻传感器上的。一旦传感器被置位(或复位)，可实现低噪音和高灵敏度的磁场测量。

当磁阻传感器暴露于干扰磁场中，传感器元件会分成若干方向随机的磁区域，从而导致灵敏度衰减。峰值电流高于最低要求电流的脉冲电流(置位)通过置位/复位电流带将生成一个强磁场，此磁场可以重新将磁区域对准统一到一个方向上，这样将确保高灵敏度和可重复的读数。反向脉冲(复位)可以以相反的方向旋转磁区域的方向，并改变传感器输出的极性。如果不出现干扰磁场，这种磁区域的状态可以保持数年。

芯片内的S/R应通过脉冲电流来重新对准，或“翻转”传感器内的磁区域。此脉宽可短至2微秒，连续脉冲时平均耗电小于1mA(DC)。可选定为每50ms有一个2μs脉宽的脉冲，或者更长，以节电。唯一的要求是每个脉冲只在一个方向上施加。即，如果+3.5A的脉冲被用来“置位”传感器，则脉冲衰减不应低于0电流。任何负(低于额定电流)电流脉冲信号都会导致“无法置位”传感器，并且不会得到最佳的灵敏度。

利用S/R电流带，可以消除或减少许多影响，包括：温度漂移、非线性错误、交叉轴影响和由于高磁场的存在而导致信号输出的丢失。

三维微弱磁场的原理便是利用巨磁电阻阻值随着磁场的变化而变化，而要测得电阻阻值的变化，可以给电阻一个特定的电流然后测其输出电压的变化，因为我们测的是电压，所以电流最好是一个恒定值，如此才能不影响电压与电阻之间的线性变化关系，而给电阻一个恒流源，便可避免电流受电阻变化的影响，从而避免了电源波动对信号源的影响.图5是利用运算放大器组成的恒流源电路。

因为理想的运算放大器输入两端电压相等，而A点电压不受影响，所以恒定，相应的B点电压也恒定，所以明显可得电流I_C恒定输出。电路中的场效应管起到一个固定压降的作用。

置位/复位脉冲电路(即磁滞效应消除电路)

为了消除背景磁场，必须由外围电路为磁场效应消除电路提供一个置位/复位脉冲，要求其波形图如图6所示。

在本设计中的置位/和复位信号是由单片机控制输出，然后要由外围电路将其转换为脉冲信号。如图7所示就是利用IRF7106产生的置位/复位脉冲电路。

IRF7106里面有两个场效应管，一个是N沟道增强型场效应管，一个是P沟道增强型场效应管，如图7，当set端【即图中的set8】为低电平时，三极管Q18截止，电容C81两端都是高电平，IRF7106的4引脚也是高电平，s2和G2之间无电压，所以D2端无电流输出，当reset端【即图中的reset8】为低电平时，s1和G1之间无电压，所以D1端也无电流输出。综上所述，因为当set端和reset端是低电平时，D1端和D2端均无电流输出，且set端和reset端是交替性的置位/复位，所以我们分析时只需要分析set端和reset端置高电平的那个场效应管。

当set【即图中的set8】置1时(高电平)，三极管Q18导通，电容C81的左端突变为低电平，在这突变的瞬间，电容C81还未充电，所以电容C81右端(IRF7106的4引脚)也是低电平，P沟道场效应管导通，D2端有反向电流输出，当电容C81充电完毕时，IRF7106的4引脚又变为高电平，P沟道场效应管截止，无电流输出，所以当set置1时，SR+8有反向脉冲电流输出。

当reset【即图中的reset8】置1时(高电平)，N沟道场效应管导通，D1端有正向电流输出(假设为1)，又因为输出端有电容C83，所以只有当电流从0跳变为1时，SR+8有正向脉冲电流输出。

综中所述，此电路满足了磁滞效应消除电路对置位/复位脉冲的要求。

磁场对消偏置电流控制电路设计

偏置电流带的作用就是消除背景磁场，三维磁场传感器中有三个巨磁电阻传感器，在这里只分析一个巨磁电阻传感器的外围电路。

当直流电流在偏置电流带内通过时偏置电流带可以有多种工作模式。

(1)平衡掉外部不需要的磁场。

(2)将电桥偏置设置为零。

(3)电桥输出可驱动偏置电流带来消除闭环回路内的磁场。

(4)接到命令时桥路增益可以系统内自动校准。

特定大小的电流渡过偏置电流带时偏置电流带将产生一个与被测磁场方向相反的磁场，所以可以消除任何环境磁场。偏置电流带每通过50m电流可提供10e的磁场。

基于以上偏置电流带的特性，偏置带可以用作闭环电路内的反馈元件。此种应用中，将电桥放大器的输出端连接到偏置带的驱动电流源上，利用一路内的高增益和负反馈使电桥的输出为零。无论测量什么样的磁场，通过偏置电流带的电流都会将之消除，电桥始终看到一个零磁场条件。这种方法具有很好的线性度和温度特性。用来消除外部磁场的电流是此磁场的一个直接度量，而且可以直接转换成磁场值。

偏置电流带还可以用来自动校准磁阻电桥，它对偶尔校对电桥增益或在大温度摆范围内作调整是非常有用的。可以在上电或正常操作期间的任何时候进行。其原理是：沿一线路取两点，并确定该线的斜度，即增益。当电桥正在测量稳定的外部磁场时，输出交保持恒定。记录稳定磁场的读数，记为H1.此时施加特定电流通过偏置电流带，然后记录该读数，记为H2。导致磁阻传感器测量的磁场的变化称之为施加磁场增量(ΔHa)，磁阻传感器增益可如下计算：

Gain＝(H2-H1)/ΔHa.

除了以上所述外，偏置电流带还有许多其它用途，关键是外部环境磁场和偏置磁场可以简单地相互叠加，被磁阻传感器作为单一磁场进行测量。

如图8和图9所示就是偏置电流带的外围电路，这两个电压跟随器主要是起到缓冲隔离的作用。

这两个电压跟随器的输出端口分别接到HMC2003背景磁场对消线圈的两端Xoff+1与Xoff-1。其中一个电压跟随器输入口接精密基准电压源，另一个电压跟随器输入由单片机进行控制，因为电压跟随器的主要作用便是缓冲隔离，所以背景磁场对消线圈两端的电压可以不受电路影响，如此便可以给巨磁电阻传感器提供一个稳定的“补偿磁场”。

数据采集系统说明

本设计主要完成传感器及外围电路设计，但传感器检验必须有外围电路的配合，而外围电路的控制由单片机数据采集系统实现，为了说明单片机对传感器的控制原理和工作时序，现对数据采集与控制部分进行简要介绍，使设计的思路更加清晰明了。

本设计中的数据采集系统是一个以单片机为核心的集控制、A/D转换和通信的小系统。

在数据采集系统中需要将模拟量转换为数据量，而A/D是将模拟量转换为数字量的器件，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而单片机是该系统的基本的微处理系统，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系统中我们采用89C52系列的单片机。。

该数据采集电路图包括以下三个部分。

A/D模数转换器

在本设计中选用ADS7825作为模数转换器。ADS7825是美国B-B公司生产的4通道，16位模数转换器。它由单-5V电源供电，数据采样及转换时间不超过25μs，可输入-10V～10V的模拟电压。A/D转换后的数据可并行输出，也可串行输出，数据转换模式还可设置为4通道间连续循环转换，使用极其方便。

使用ADS7825芯片时，将

置0，然后给

脚加一下降沿即可以启动AD转换。此时，

脚的输出保持低电平，直至数据转换完毕且内部输出寄存器的内容被更新。在此期间，ADS7825不再响应新的转换命令。必须注意，在

脚输出为高电平前，

必须置为高电平，否则会导致数据尚未读完，新的转换就已开始，从而使数据丢失。

由于ADS7825转换的数据即可并行输出，也可串行输出，所以数据的读取也须分并行和串行两种方式来讨论。本设计中是将置为高电平，选用并行输出方式，所以在数据读取时将

脚置低电平，即选中ADS7825芯片后，给

脚输入一负脉冲，启动AD转换。AD转换及数据锁存时间为25μs。检测

脚的输出电平可以判断数据转换状态，当状态标志位

时，数据转换仍在进行，此时不可读取数据。

时，表明数据转换已结束且数据已进入输出寄存器，此时方可读取数据。令并行数据输出选择位BYTE＝0，即可读出高8位数据，BYTE＝1，读出低8位数据。

模拟信号分别从IN0、IN1、IN2引脚输入，由ADR0、ADR1和CONTC引脚确认转换的方式和地址，当CONTC＝1时，选择连续转换模式，当

和PWRD端均为低电平时，AD转换和读数将在IN0～IN3四个通道间连续循环进行。当

在本次转换结束转为高电平后，A0和A1脚将输出下次采样所用的通道地址，究竟从哪个输入通道开始进行循环转换，取决于CONTC置为高电平之前，A0和A1脚的输入值。A0和A1脚的输出和被采样通道之间的关系如表5.1.1所列。

CONTC置为低电平时，采用间歇转换模式。A0和A1脚作为输入端，其输入值和采样通道关系如表5.1.2所列

本设计中，ADR0、ADR1、CONTC、

引脚都是由单片机输出信号控制，所以它的转换方式应该也是由单片机来控制。

表5.1.1连续转换时的通道选择

表5.1.2间歇转换时的通道选择

本次设计要求转换方式应该是在IN0、IN1、IN2三个通道间连续循环进行。所以应选择连续转换模式，且在每次循环之前将A1、A0的初始值设置为01，以使循环开始时，数据从AIN0通道开始转换。当AIN2通道转换结束时，立即将

置低，停止转换，并开始下一次的循环。如此便实现了将所有数据分时分组转换存储。

单片机

单片机是一种面向大规模的集成电路芯片，是微型计算机中的一个重要的分支。此系统是由CPU、随即存取数据存储器、只读程序存储器、输入输出电路(I/O口)，还有可能包括定时/计数器、串行通信口、显示驱动电路(LCD和LED驱动电路)、脉宽调制电路、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一个单块芯片上，构成了一个最小但完善的计算机任务。单片机要使用特定的组译和编译软件编译程序，在用keiluvision2把程序下载到单片机内。

而本设计选用的是P89C52X2BN单片机，P89C52X2BN是低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大，P89C52X2BN单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

其中P0是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。在这里作为数字信号采集口。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。在本设计中，P1口是作为控制输出口，其中P1.0～P1.5是用来对模数转换的控制，P1.6和P1.7用来对置位/复位脉冲电路的控制，而P2.0～P2.2用来控制数据的分时选通。P3.0和P3.1口是作为串行输入输出口，

RST为复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

程序储存允许

输出是外部程序存储器的读选通信号，当单片机由外部程序存储器取指令时，每个机器周期两次

有效，即输出两个脉冲。

为外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器，

端必须保持低电平。

XTAL1为振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。

XTAL2为振荡器反相放大器的输出端。

串行口通信

该串行口我选用了标准RS-232接口，它是电平与TTL电平转换驱动电路。常用的芯片是MAX232，MAX2321的优点是：

(1)一片芯片可以完成发送转换和接收转换的双重功能。

(2)单一电源+5V供电

(3)它的电路设计与连接比较简单而且功能齐全。

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电，可以实现TTL电平与RS-232电平相互转换的IC芯片。

其中引脚1-6(C1+、V+、C1、C2+、C2-、V-)用于电源电压转换，只要在外部接入相应电解电容即可；引脚7-10和引脚11-14构成两组TTL信号电平与RS-232信号电平的转换电路，对应引脚可直接与单片机串行口的TTL电平引脚和PC的RS-232C电平引脚相连。

本设计是采集三维方向的数据，所以在采样时，应分别采集X、Y、Z轴方向的数据，在A/D转换器中的四个转换输入通道中，通道1采样X方向数据，通道2采样Y方向数据，通道3采样Z方向数据。所以模数转换时，应分别对通道1、通道2、通道3选通转换。采样程序实现框图如图4所示.

因为本设计使用8个三维微弱磁场传感器测量了8个点的数据，所以要设置一个循环，使一个A/D转换器能够转换8个三维传感器测量的数据。由于是8次循环，所以要由单片机输出ABC三个字节加以控制。

四角的4个传感器，其横向，纵向间距理论上应该位于板材拉伸过程中变形最大的区域，本设计根据实验总结获得，取横向＝40mm，纵向＝35mm

图10-11给出了实验系统的数据曲线，如图10，曲线下方依次设定了需要4个采集数据的不同的显示颜色，(图10中选择了C点的温度、拉伸过程中的位移量、拉伸过程中的拉力以及第二个磁感应强度传感器Y方向的数值(即磁场2Y)，右上角显示整个试验过程中的红外温度图像，用户可以在这个图像中任意选择4个温度观察点，并以曲线形式显示。从上图的曲线中可以看出：位移与时间基本成正比，也就是拉伸速度基本匀速，拉力达到某个值时开始下降，表明试件开始断裂，C点的温度在开始断裂时急剧上升，在温度上升时磁感应强度也比较明显地上升。

图10和11表明：采用本实施例的方案，能实现五点三维磁场的精确检测，为研究多场耦合条件下的热致磁效应提供了一个优秀的实验平台。

Claims (4)

1.一种基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，其特征在于，在检测区域的5个点位分别设置5个能输出三维磁感应信号的磁传感器；磁传感器输出的15路信号经多路选择器选择后，每一采样周期内输出一个磁传感器的三维磁感应信号，再通过模数转换器形成数字信号送入单片机中；最后由单片机对采集的所有数据处理后上传至上位机，完成三维磁场的测量。

2.根据权利要求1所述的基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，其特征在于，在所述的测量过程中，单片机通过磁滞效应消除电路产生正反向极化脉冲并输出给磁传感器，以消除在磁场测量过程中磁传感器被磁化；测量步骤为：

步骤1：依次循环完成对5个点位的磁场测量；

每一个点位的磁场测量包括依次测量x、y和z方向的磁场；

步骤2：当5个点位的三维磁场测量全部完成以后，就完成了一帧数据的测量，并返回步骤1进行下一次循环；

每一个点位处的磁传感器单方向的磁场测量过程为：

A/D转换开始前，单片机先输出一个置位信号SET使传感器获得正向极化，接着启动模数转换器进行A/D转换，为了防止随机干扰造成A/D转换误差，采用100个采样值求平均值AVG1，接着单片机输出一个复位信号RESET使磁传感器获得反向极化，然后启动模数转换器再获得100个采样值，并求得平均值AVG2，然后将两次获得的平均值AVG1和AVG2经过数值计算V_OUT=(AVG1+AVG2)/2，得到一个数值作为一个该单方向的磁场测量值；

所述的和的单方向指x、y或z方向。

3.根据权利要求2所述的基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，其特征在于，采用五点位三维磁场测量装置实施测量；

所述的五点位三维磁场测量装置包括单片机、磁传感器、多路选择器、模数转换器、磁滞效应消除电路和串口通信电路；

所述的磁传感器为5个，对称设置于PCB正面的5个点位上，且4个设置在PCB板的四角处，另一个设置在PCB板的中央；每一个磁传感器具有3个信号输出通道，分别输出X、Y、Z三方向的磁感应信号；

磁传感器依次通过多路选择器和模数转换器与单片机的输入接口连接；多路选择器的通道选择端接单片机的输出端口；

磁滞效应消除电路的两个输入端分别接单片机的复位端和置位端（set8和reset8）；复位端和置位端均为单片机的IO端口；磁滞效应消除电路的输出端与磁传感器中的脉冲极化电路相连；

单片机通过所述的串口通信电路与上位机连接；

所述的磁传感器采用HMC2003芯片，所述的多路选择器包括3个多路开关：即第一多路开关、第二多路开关和第三多路开关，模拟多路开关采用具有8路信号输入通道和1个信号输出通道的74HC4051芯片；模数转换器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯片具有四个模拟信号输入端：IN0,IN1,IN2,IN3；

5个磁传感器的X信号输出通道分别与第一多路开关的5个信号输入通道相接；

5个磁传感器的Y信号输出通道分别与第二多路开关的5个信号输入通道相接；

5个磁传感器的Z信号输出通道分别与第三多路开关的5个信号输入通道相接；

3个多路开关的3个信号输出通道分别与模数转换器的3个模拟信号输入端相接；

3个多路开关的三个数字选择端对应并联。

4.根据权利要求3所述的基于板材拉伸热致磁效应的五点位三维磁场测量方法，其特征在于，磁滞效应消除电路为基于功率MOSFET管的脉冲产生电路，功率MOSFET管采用IRF7106芯片；

IRF7106芯片的5-8脚短接后通过第一电容（C83）与磁传感器中的脉冲极化电路相接；

IRF7106芯片的1脚和3脚分别接地和直流电源正端VCC1；

IRF7106芯片的2脚（G1）接所述的复位端（reset8）；

单片机的另一个IO端口作为置位端（set8），置位端（set8）通过第一电阻（R81）接NPN型的三极管（Q18）的基极；三极管（Q18）的射极接地，三极管（Q18）的集电极通过第二电阻（R82）接VCC1；三极管（Q18）的集电极还通过第二电容（C81）接IRF7106芯片的4脚（G2端）；IRF7106芯片的4脚与VCC1之间接有第三电阻（R83）；VCC1与地之间接有第三电容（C82）；V_CC1=20V；

串口通信电路采用专用通信器件MAX232，单片机采用STC89C54RD芯片。

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