CN103777152A - 一种交变磁场三维分布测量装置 - Google Patents

Abstract

一种交变磁场三维分布测量装置，属于中频强交变磁场检测的设备领域，包括由一组三维磁场探头组成的三维磁场探头阵列，进行信号采集、处理、模数转换和参数计算的信号采集处理单元和信号模数转换单元，控制探头按照操作指令运动、实时反馈探头位置信息的探头运动装置和探头运动控制单元，以及实现人机交互的人机界面，本发明可以测量的磁场频率范围为10kHz～1MHz，可测量的磁场强度范围为1～100kA/m，可测量的空间范围由运动装置的尺寸决定，一般为200mm×200mm×200mm的立方体区域；可测量得到测量点的磁场频率、三维磁场强度分量、合成的总磁场强度和磁场方向，以及三维磁场参数的空间分布。

Description

一种交变磁场三维分布测量装置

技术领域

本发明属于中频强交变磁场测量传感器领域，涉及磁场传感器技术、中高频信号采集与处理技术、三维运动平台技术，特别涉及一种交变磁场三维分布测量装置。

背景技术

磁感应热疗设备和工业用磁感应加热设备是中频交变电磁场的常见应用，在应用中需要用到100kHz到1MHz的磁场测量装置。这类中频交变电磁场一般在应用中的强度较高，其产生的涡流效应容易加热而破坏普通的磁场探头。大部分磁场传感器适用于低频低强度的磁场测量，并不适用于中频强磁场的测量应用。中频强磁场的主要测量方法是电磁感应法。电磁感应法是以电磁感应定律为基础的一种磁场测量方法，其内容是：

在按照正弦规律变化的磁场中，磁场强度符合以下关系：

B=B₀sin(ωt)

其中B₀是磁感应强度的最大值，ω是磁场的角频率。对于一个探测线圈，其感生电动势为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=S\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}=S{B}_0\mathrm{\ω}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)$

这样就将交变磁场信号转化为了交流电信号，实现了磁场传感器的功能。

用单个线圈测得的只是总磁场在线圈轴向上的分量，在同一点附近设置三个两两互相垂直的线圈，就可以测得这一点的三维磁场参数。测量得到一定空间内足够多点的三维磁场参数，就可以得到这一空间的三维磁场参数分布。

目前，交变磁场测量仪器多为低频弱场、高频电磁辐射场或者脉冲电磁场测量设备，并且主要为一维磁场测量设备。

专利201010214820.2和201020243927.5公布了一种“中频强磁场测量装置”，其主要实现了一维交变磁场的测量，交变磁场敏感元件为自制电感线圈。该装置详细介绍了一维中频强磁场的测量方案与电路，并不能实现三个方向交变磁场的同时测量。

专利201010572779.6公布了一种“磁场测量仪”，其采用霍尔传感器作为磁场敏感元件对磁场进行测量，由于霍尔元件的频率响应范围有限，无法实现数百千赫兹交变磁场的测量。

专利201020196041.X公布了一种“电磁感应法脉冲强磁场测量装置”，其磁场敏感元件采用圆柱形的感应线圈式磁传感器，为了实现磁场的准确测量，其设计了一种特殊结构的支架，保证测量的磁场方向垂直于线圈平面，由于采用一只传感器，同样仅能测量一维磁场，并且测量范围有限。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种交变磁场三维分布测量装置，其可测量的磁场频率和磁场强度范围宽，使用方便，可以自动定位并测量交变磁场中任一点的三维参数，以及自动测量一定空间分布内的三维磁场参数分布。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种交变磁场三维分布测量装置，包括：

三维磁场探头阵列，由多组三维磁场探头组成，每组三维磁场探头由固定在同一点附近的X方向、Y方向和Z方向单轴磁场测量探头组成，测量该点的磁场参数；

接所述三维磁场探头阵列将其采集得到的磁场信号进行整流、滤波、放大的信号采集处理单元；

接所述信号采集处理单元将其得到的模拟信号转换为数字信号，计算其频率、幅度信息并向计算机输出的信号模数转换单元；

用于固定所述三维磁场探头阵列的探头运动装置，探头运动装置上有X方向和Y方向的运动导轨，其中Y方向运动导轨能沿X方向运动导轨滑动，三维磁场探头阵列固定于探头座上，探头座能沿Y方向运动导轨滑动；以及

接所述探头运动装置并控制其运动的探头运动控制单元。

所述单轴磁场测量探头为平面铜线圈，作为交变磁场敏感元件，将磁场信号转化为线圈两端的电压差分信号，每个线圈的两端引线接到信号采集处理单元的一个处理节点上。

所述单轴磁场测量探头由多层电路板铜层蚀刻平面圆形线圈构成。

所述信号采集处理单元由多路以INA217芯片为核心的信号采集处理电路组成，每一个电路分路处理一组来自三维磁场探头阵列的单轴磁场测量探头的信号，将差分信号转为单端信号、并进行信号放大和电压抬升。

所述信号模数转换单元以模数转换芯片MAX11331和DSP芯片TMS320F2812为核心，模数转换速度为3Msps，磁场频率信息由快速傅里叶变换得到，磁场强度信息由对时域信号进行的寻峰寻谷操作得到。

所述探头运动装置中，利用步进电机控制Y方向运动导轨沿X方向运动导轨、以及探头座沿Y方向运动导轨的平移运动。X方向运动导轨的两端分别设置有用于探测Y方向运动导轨位置的位移传感器；所述Y方向运动导轨的两端分别设置有用于探测探头座位置的位移传感器。所述步进电机接探头运动控制单元由其控制，所述位移传感器与人机界面连接，实时反馈位置信息并通过探头运动控制单元进行反馈控制。探头运动装置利用X、Y方向的两条导轨和电机让三维磁场探头阵列可以在XY平面内运动至任意位置，并通过安装在导轨上的位移传感器探测探头的实时位置。

人机界面使操作员可以通过交互界面自行设置磁场测量模式：全局扫描或定点测量，得到指定点的三维磁场数据或三维磁场数据的空间分布，并实时显示探头所在的XY平面位置。

与现有技术相比，本发明可以实现三维磁场的测量，测量结果包括磁场频率、三维磁场强度分量、合成的总磁场强度和磁场方向。通过设置全局测量模式，本发明还可以测量上述三维磁场参数的空间分布，提升了磁场测量的质量与效率。

附图说明

图1为本装置整体示意图。

图2为本装置三维磁场探头阵列示意图。

图3为本装置信号采集处理单元示意图。

图4为本装置信号模数转换单元示意图。

图5为本装置探头运动装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示为本发明交变磁场三维分布测量装置的架构示意图，包括：三维磁场探头阵列1、信号采集处理单元2、信号模数转换单元3、人机界面4、探头运动装置5、探头运动控制单元6以及电源系统7。三维磁场探头阵列1由多个互相垂直的单轴磁场测量探头组成，单轴磁场测量探头是蚀刻在电路板上的铜质圆形线圈，作为交变磁场敏感元件，将磁场信号转化为线圈两端的电压差分信号。互相垂直的每三个单轴磁场测量探头组成一组，测量一个空间点的磁场参数。每个单轴磁场测量探头的两端接到信号采集处理单元2的一个处理节点上，将差分信号转化为单端信号，并进行放大和电平抬升。处理后的信号输入信号模数转换单元3，经过模数转换、快速傅里叶变换、数字信号处理以及必要的数学计算，得到当前每个空间点的磁场强度和磁场频率的实时信息。探头运动控制单元6可以通过控制探头运动装置5来移动三维磁场探头阵列1的位置，以测量不同空间点的磁场参数。操作者通过人机界面4控制探头运动控制单元6，并读取信号模数转换单元3传递过来的空间三维磁场信息。操作员可以选择全区扫描或定点测量两种测量模式。前者即由探头运动控制单元6控制探头运动装置5，使三维磁场探头阵列1遍历可测量的三维磁场区域，按照一定间隔距离采样测量，可得到遍历区域的三维磁场信息，并显示在人机界面4上。后者即由操作者输入空间点坐标，由探头运动控制单元6控制探头运动装置5，使三维磁场探头阵列1移动到对应空间位置，测量该点三维磁场信息并显示在人机界面4上。电源系统7为整个交变磁场三维分布测量装置供电。

如图2所示为所述的三维磁场探头阵列1。X方向单轴磁场测量探头21、Z方向单轴磁场测量探头22和Y方向单轴磁场测量探头23两两互相垂直、互相接近，测量同一个空间点的磁场，组成一个三维磁场探头。这样的10个三维磁场探头和60pin接线端24组成三维磁场探头阵列，可以同时测量X和Y坐标相同的10个空间点的磁场参数，测量的空间精度＜5mm。每个单轴磁场测量探头的差分信号通过电路板蚀刻线路引到探头侧边的区域，并通过60pin接线端24引出，接到信号采集处理单元2。

如图3所示为所述的信号采集处理单元2的一个信号处理节点，以INA217仪表放大器为核心，完成差分信号转单端信号、信号放大和电压抬升的功能。整个信号采集处理单元2中共有30个这样的信号处理节点，用于同时处理10个点的三维磁场数据。来自三维磁场探头阵列1中某个单轴磁场探头的差分信号的正负两极分别与31和32相连接，经过信号采集处理单元2的处理，由差分信号转为单端信号，信号放大倍数为2，电压抬升值为1.25V。处理后的单端电压信号由33输出并接入信号模数转换单元3。

如图4所示为所述的信号模数转换单元3。信号模数转换单元3以MAX11329模数转换芯片和TMS320F2812型DSP芯片为核心，将经过信号采集处理单元2预处理的模拟信号转化为数字信号，并处理计算得到磁场的强度和频率信息，通过串口输出给人机界面4。信号模数转换单元3用两片16通道的MAX11329芯片来组成30个模拟信号输入通道。来自信号采集处理单元2的30个节点的模拟信号接入41到42这30个通道，通过DSP芯片控制，使两个MAX11329分别连续循环采样转换15个通道的模拟信号，即对每个通道的信号连续采样达到一定样本大小后再转到下一个通道，如此循环，每个通道的采样率为3Msps。转换结果传递给DSP芯片，先进行数字滤波，再进行快速傅里叶变换变换为频域信号。频域信号的峰值位置与时域信号频率有一一对应的关系，这样就可以得到信号的频率，即磁场的频率。对时域信号进行寻峰和寻谷操作，找到信号波形的峰峰值，根据其与磁场强度和磁场频率的正比关系，用变换系数即可以得到磁场强度的值。最后DSP芯片通过串行接口43、44、45将磁场频率和磁场强度的数值传递给人机界面4。

如图5所示为本装置探头运动装置5。三维磁场探头阵列1被固定在探头座59上，三维磁场探头阵列1的X方向单轴磁场测量探头21的轴向与X方向运动导轨52相平行，Y方向单轴磁场测量探头23的轴向与Y方向运动导轨51相平行。步进电机54控制Y方向运动导轨51沿X方向运动导轨52平移运动，步进电机53控制探头座59沿Y方向运动导轨51平移运动。55、56两个位移传感器探测探头座59在Y方向运动导轨51上的位置，57、58两个位移传感器探测Y方向运动导轨51在X方向运动导轨52上的位置。步进电机53、54与探头运动控制单元6相连接并受其控制，位移传感器55、56、57、58与人机界面4连接，实时反馈位置信息并通过探头运动控制单元6进行反馈控制。

本装置探头运动控制单元6由运动控制卡和两个电机驱动器组成。运动控制卡接收人机界面4的指令，控制两个电机驱动器工作。电机驱动器驱动电机按照固定的步长沿导轨运动，并可以转变方向。

本装置还包括一个由液晶显示屏和控制面板组成的人机界面4，通过交互界面，操作员可以自行设置磁场探测模式。操作员可以选择全区扫描或定点测量两种测量模式。前者即由探头运动控制单元6控制探头运动装置5，使三维磁场探头阵列1遍历可测量的三维磁场区域，按照设定的间隔距离（如10mm）采样测量，可得到遍历区域的三维磁场信息，并显示在人机界面4上。后者即由操作者输入空间点坐标，由探头运动控制单元6控制探头运动装置5，使三维磁场探头阵列1移动到相应空间位置，测量该点的三维磁场信息并显示在人机界面4上。测量中探头所在的空间坐标位置将实时显示在人机界面4上。

Claims (8)

1.一种交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，包括：

三维磁场探头阵列，由多组三维磁场探头组成，每组三维磁场探头由固定在同一点附近的X方向、Y方向和Z方向单轴磁场测量探头组成，测量该点的磁场参数；

接所述三维磁场探头阵列将其采集得到的磁场信号进行整流、滤波、放大的信号采集处理单元；

接所述信号采集处理单元将其得到的模拟信号转换为数字信号，计算其频率、幅度信息并向计算机输出的信号模数转换单元；

用于固定所述三维磁场探头阵列的探头运动装置，探头运动装置上有X方向和Y方向的运动导轨，其中Y方向运动导轨能沿X方向运动导轨滑动，三维磁场探头阵列固定于探头座上，探头座能沿Y方向运动导轨滑动；以及

接所述探头运动装置并控制其运动的探头运动控制单元。

2.根据权利要求1所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述单轴磁场测量探头为平面铜线圈，作为交变磁场敏感元件，将磁场信号转化为线圈两端的电压差分信号，每个线圈的两端引线接到信号采集处理单元的一个处理节点上。

3.根据权利要求2所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述单轴磁场测量探头由多层电路板铜层蚀刻平面圆形线圈构成。

4.根据权利要求2所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述信号采集处理单元由多路以INA217芯片为核心的信号采集处理电路组成，每一个电路分路处理一组来自三维磁场探头阵列的单轴磁场测量探头的信号，将差分信号转为单端信号、并进行信号放大和电压抬升。

5.根据权利要求1所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述信号模数转换单元以模数转换芯片MAX11331和DSP芯片TMS320F2812为核心，模数转换速度为3Msps，磁场频率信息由快速傅里叶变换得到，磁场强度信息由对时域信号进行的寻峰寻谷操作得到。

6.根据权利要求1所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述探头运动装置中，利用步进电机控制Y方向运动导轨沿X方向运动导轨、以及探头座沿Y方向运动导轨的平移运动。

7.根据权利要求6所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述X方向运动导轨的两端分别设置有用于探测Y方向运动导轨位置的位移传感器；所述Y方向运动导轨的两端分别设置有用于探测探头座位置的位移传感器。

8.根据权利要求7所述的交变磁场三维分布测量装置，其特征在于，所述步进电机接探头运动控制单元由其控制，所述位移传感器与人机界面连接，实时反馈位置信息并通过探头运动控制单元进行反馈控制。

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