CN104898075A - 一种高精度相对磁场强度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于相对磁场强度的探测领域，具体涉及一种适用于高等院校物理实验教学领域，用于验证毕奥-萨法尔定律的高精度相对磁场强度测量装置。本发明包括磁阻传感装置、中央控制处理模块、固定导轨装置。该发明完全采用双轴磁阻传感器和双向偏置差值算法，能够有效消除或减少外界干扰，提高测量精度，其精度可达0.001mT。该发明系统运行稳定，集成度高，成本低，传感装置使用灵活，操作界面简单直观，适用范围广阔。

Description

一种高精度相对磁场强度测量装置

技术领域

本发明属于相对磁场强度的探测领域，具体涉及一种适用于高等院校物理实验教学领域，用于验证毕奥-萨法尔定律的高精度相对磁场强度测量装置。

背景技术

目前，磁场的应用已十分广泛，不仅在近代科学中研究物性方面及物理教学方面需要，并且在工农业生产、国防和医疗方面也得到了应用。磁探测在研究地震学、地球物理学和天体物理学中已成为一个必需的手段。因此，研究测量磁场的方法具有极其重要的意义。

测量磁场的方法有多种，如磁通门法，霍尔效应法，磁共振法，超导效应法，磁光效应法，磁阻效应法等。磁通门传感器是磁通法测量技术的主要器件，并且具有很高的灵敏度，但因其探头以及电路装置体积、重量都较大而限制了它们的广泛应用。霍尔效应法是在实际应用中比较成熟的一种磁场测量方法，利用霍尔效应法可以连续线性地读数，可以用于测量小间隙磁场。磁共振法是利用物质量子状态变化而测量磁场的一种方法，一般可用来测量均匀的恒定磁场，测量精度高。超导效应法是利用弱耦合超导体中约瑟夫森效应的原理测量磁场的一种方法，它可以测量0.1T以下的恒定磁场和交变磁场。磁光效应法是利用磁场对光和介质的相互作用而产生的磁光效应来测量磁场的一种方法。可以测量0.1-10T之间的磁场，测量误差为0.01T。磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象，具有体积小、测量精度高等特点，应用广泛。

本发明利用基于磁阻效应的磁阻传感器，并通过测量双向磁场强度做差值的方法，抑制由于温度漂移、非线性误差、垂直轴方向磁场等引起外界干扰，测量范围±0.6mT，测量精度可达0.001mT。同比目前其他磁场强度测量仪器，具有体积小、重量轻、成本低廉、测量精度高等特点，可以广泛应用于科学研究、高等教学及其他磁场强度测量领域。

发明内容

本发明的目的是公开一种高精度相对磁场强度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括磁阻传感装置、中央控制处理模块、固定导轨装置：

磁阻传感装置包括双轴磁阻传感器、保护套管、传感器线缆和套管支架，保护套管安装在套管支架之上，磁阻传感器封闭在保护套管靠近载流线圈的一端，传感器线缆与中央控制处理模块连接；

固定导轨装置包括线圈插座、长直导轨、线圈插座固定在长直导轨左端，长直导轨上标有位置刻度,线圈插座用于安插载流导线；

中央控制处理模块包括控制/处理器、置位复位电路、放大电路、A/D转换电路及电源，控制/处理器控制置位复位电路为传感器装置提供置位/复位信号，传感器输出的差分电压值通过运算放大器放大后，由控制/处理器驱动模拟/数字转换器将数据读出，进行双向偏置差值抗干扰处理并根据放大电路及模拟/数字转换器参数对相对磁场强度解算，

电流元在空间中一点P产生的磁场为：

$d\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\mathrm{Id}\stackrel{\→}{1}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3}$

任意载流导线在空间中任一点P产生的磁感强度为

$\stackrel{\→}{B}=\∫d\stackrel{\→}{B}\frac{\mathrm{Id}\stackrel{\→}{1}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3}$

载流导体是有限长直导线或圆形导线，有限长载流直导线空间中一点P的磁场强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{{4\mathrm{\πr}}_0}({\cos \mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_2)$

圆形载流直导线空间中一点P的磁场强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{IR}}^2}{{2(x^2+R^2)}^{3/2}}$

磁场强度B的方向与电流方向满足右手螺旋法则测得空间一点P处的磁场强度B，利用环境磁导率μ₀、载流线圈电流I、探测器到直导线垂直距离r₀、探测器到直导线两端连线与直导线的夹角θ₁和θ₂计算出磁场强度B′；

最后按照用户要求将解算出的磁场强度显示在LCD上。

本发明的有益效果在于：

该发明完全采用双轴磁阻传感器和双向偏置差值算法，能够有效消除或减少外界干扰，提高测量精度，其精度可达0.001mT。该发明系统运行稳定，集成度高，成本低，传感装置使用灵活，操作界面简单直观，适用范围广阔。该发明可作为验证毕奥-萨法尔定律实验仪器，可作为高等院校物理实验教学仪器。

附图说明

图1为载流导线模型图；

图2为高精度相对磁场强度测量装置示意图；

图3为系统结构模型图；

图4为主机人机界面示意图；

图5为置位与复位输出电压/磁场强度曲线；

图6为双向偏置差值法程序流程示意图；

图7为外部偏置处理程序流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明包括二维磁场探测器和主机。二维磁场探测器包括二维磁阻传感器、外围电路、保护套管、传感器线缆和接口；主机包括探测器接口、按键、LCD显示和控制/处理电路板。所述控制/处理电路板由电源电路、中央控制器(PIC单片机)、差分放大电路、ADC电路等组成。

磁场传感器，采用二维磁阻传感器，可以同时测量正交的两个方向的磁场强度。

中央控制/处理器，控制磁阻传感器置位和复位，通过置位和复位可以实现对周围某一维磁场正反两个方向的测量。

中央控制/处理器，对信号处理采用双向偏置差值算法，通过短时间内对某一维磁场正负两个方向的测量，并将两次测量结果相减，以此消除或减少许多影响，包括温度漂移、非线性误差、交叉轴影响及其他外部环境带来的干扰，提高测量精度。

主机，测量装置的人机交互界面设有LCD显示和测量方向切换按键及调零按键。显示界面可以通过测量方向切换按键显示相应测量方向的磁场强度值，方向与传感器正向轴方向相同的磁场强度显示为正值，方向与传感器正向轴方向相反的磁场强度显示为负值，显示精度0.001mT。操作简单，显示直观易懂。

主机，通过调零按键可以在没有待测磁场量的环境下对仪器校零，从而消除测量过程中非目标磁场的磁场部分，提高相对磁场强度的测量准确度。

本发明包括以下两个方面：

高精度相对磁场强度测量方法：本发明相对磁场测量方法采用双向偏置差值的数据处理算法，即通过置位和复位短时间内对某一维磁场强度进行正反两个方向的测量，对所得的偏置电压值做差值运算，这样可以消除或减少大部分诸如温度漂移、非线性误差、垂直轴影响等外界干扰。本发明在测量相对磁场强度前还将对仪器校零，即在没有待测磁场的情况下测量两个维度方向的磁场值并清零，以屏蔽非待测磁场强度，提高相对磁场强度精度。

高精度相对磁场强度测量装置：测量装置包含载流导线1，载流导线1通过线座连接到线圈插座2，线圈插座2固定在一长直导轨3之上，长直导线3上设有位置刻度4，恒流源5为线圈插座2上的引线提供恒定电流，双轴磁阻传感器6安装在保护套管7内部，保护套管7固定在可移动的套管支架8之上，套管支架8可在长直导轨3上左右滑动，中央控制/处理器10通过线缆9与双轴磁阻传感器6连接，获取磁场强度测量值。

本发明中双轴磁阻传感装置采用双轴惠斯登电桥磁阻传感器，可以通过置位和复位测量其任意一维磁场两个相反方向的磁场强度，测量精度高，同时该传感装置设计小巧，且通过线缆及接口的方式与中央控制/处理器连接，提高了传感装置的灵活性。中央控制/处理器采用PIC单片机作为整个测量装置的控制处理芯片，用于扫描按键并执行相应命令、控制磁阻传感装置的置位与复位、驱动ADC并读取数据、实现双向偏置差值的数据处理算法、驱动LCD显示器显示相应的信息。中央控制/处理器将电源、控制处理器、ADC等集成到一块印刷电路板上，具有集成度高、受外界干扰小、处理速度快、测量精度高等特点。人机交互界面包括显示部分与按键部分，通过测量方向切换按键可以切换所测得的二维方向磁场强度在LCD上的显示，通过调零按键可以清零显示值，用来屏蔽非待测磁场的强度，界面操作简单，显示直观。

补充说明：

毕奥-萨法尔定律表述为：

电流元在空间中任一点P产生的磁场为

$d\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\mathrm{Id}\stackrel{\→}{1}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3}---(1-1)$

任意载流导线在空间中任一点P产生的磁感强度为

$\stackrel{\→}{B}=\∫d\stackrel{\→}{B}\frac{\mathrm{Id}\stackrel{\→}{1}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3}---(1-2)$

本发明使用的载流导体主要有两大类，分别是有限长直导线和圆形导线。模型如附图1所示。有限长载流直导线空间中一点P的磁场强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{{4\mathrm{\πr}}_0}({\cos \mathrm{\θ}}_1-{\cos \mathrm{\θ}}_2)---(1-3)$

圆形载流直导线空间中一点P的磁场强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{IR}}^2}{{2(x^2+R^2)}^{3/2}}---(1-4)$

磁场强度B的方向与电流方向满足右手螺旋法则。以有限长载流直导线为例，通过本发明测得空间一点P处的磁场强度B，利用环境磁导率μ₀、载流线圈电流I、探测器到直导线垂直距离r₀、探测器到直导线两端连线与直导线的夹角θ₁和θ₂计算出磁场强度B′，通过比较B和B′即可验证毕奥-萨法尔定律。

本发明提供一种高精度相对磁场强度的测量方法及装置，为使专利局审查员和公众清楚地理解本发明的技术实质，下面对本发明具体实施方式进行详细说明：

一、高精度相对磁场强度测量装置的实现

高精度相对磁场强度测量装置硬件包括磁阻传感装置、中央控制处理模块和人机交互界面，如图2所示。

1、磁阻传感装置

磁阻传感装置包括双轴磁阻传感器6、保护套管7、传感器线缆9和套管支架8，如附图3所示。保护套管7安装在套管支架8之上，磁阻传感器6封闭在保护套管7靠近载流线圈1的一端，传感器线缆9与中央控制/处理器10连接。在此装置中，保护套管可以保护磁阻传感器不受外界损伤，同时还可以配合套管支架固定磁阻传感器的位置。磁阻传感器的控制信号及其传感数据输出可以经过线缆通过接口与中央控制/处理模块通信。

2、固定导轨装置

固定导轨装置包括线圈插座2、长直导轨3和位置刻度4，如附图3所示。

线圈插座2固定在长直导轨3左端，长直导轨3上标有位置刻度4。线圈插座用于安插载流导线，使系统易于更换不同形式的导线。固定导轨上的位置刻度用于显示当前磁阻传感器探头距离载流导线几何中心的距离，借此分析磁场强度与距离的关系。

3、中央控制/处理模块

如图2所示，中央控制/处理模块主要包括控制/处理器、置位复位电路、放大电路、A/D转换电路及电源。控制/处理器控制置位复位电路为传感器装置提供置位/复位信号，传感器输出的差分电压值通过运算放大器放大后，由控制/处理器驱动模拟/数字转换器(ADC)将数据读出，进行双向偏置差值抗干扰处理，并根据放大电路及ADC参数对相对磁场强度解算，最后按照用户要求将解算出的磁场强度显示在LCD上。

4、人机交互界面

如图4所示，人机交互界面包括按键和LCD显示屏，按键可以对装置进行校零以消除外部干扰磁场偏置，也可以对测量的二维磁场强度值切换显示。LCD显示屏显示当前测得的磁场强度值，显示精度0.001mT，刷新频率由程序控制。

二、高精度相对磁场强度测量方法的实现

双轴磁阻传感器可以测量两个正交轴向方向的磁场强度，下面以一个轴向方向磁场强度的测量为例加以说明。

磁阻传感器可以通过置位与复位脉冲改变其参考测量方向，利用磁场与电阻阻值之间的线性变化关系，通过惠斯登电桥将磁场强度转换成电压值输出。图5分别示意了置位与复位对应的电压/磁场强度曲线。

如图5所示，施加相同磁场强度时，由于温度漂移、非线性误差和另一轴向磁场测量等因素的影响，正反两个方向的测量值并非互为相反数。因此如果单以置位响应曲线或复位响应曲线为基准测量磁场强度，其测量值会受外部影响而产生电桥偏置电压，增大测量误差。同时，由于地磁场及其他外部恒定磁场的干扰，即使没有施加目标磁场，其测量值也不为零，存在如图所示的外部偏置。

由电桥偏置引起的测量误差，本发明采用双向偏置差值的数据处理算法对其进行降低。记传感器置位后输出电压值为U_set，同时，复位后输出电压值为U_rst，则电桥偏置电压U_os为

$U_{\mathrm{os}}=\frac{U_{\mathrm{set}}+U_{\mathrm{rst}}}{2}---(2-1)$

那么由磁场引起的电压变化值U_mg为

U_mg＝U_rst-U_os   (2-2)

由式(2-1)和式(2-2)可得

$U_{\mathrm{mg}}=\frac{U_{\mathrm{rst}}-U_{\mathrm{set}}}{2}---(2-3)$

软件实施方法如图6所示。通过中央控制/处理器发送置位脉冲命令给传感装置置位，等待2μs，待数据稳定后读取置位电压值，同样的方法读取复位电压之后，根据式(2-3)计算出当前的磁场强度对应的电压值后缓存。

由于外部偏置引起的测量误差本发明通过校零的方式降低。即在相对参考环境下，测量出相对参考环境的磁场强度，待按下校零按键后将当前的磁场强度存储下来作为外部偏置值，此后将测得的磁场强度值与外部偏置值的差值作为待测磁场

的相对磁场强度值。其程序流程示意图如图7所示。

Claims (1)

1.一种高精度相对磁场强度测量装置，包括磁阻传感装置、中央控制处理模块、固定导轨装置，其特征在于：

磁阻传感装置包括双轴磁阻传感器(6)、保护套管(7)、传感器线缆(9)和套管支架(8)，保护套管(7)安装在套管支架(8)之上，磁阻传感器(6)封闭在保护套管(7)靠近载流线圈(1)的一端，传感器线缆(9)与中央控制处理模块(10)连接；

固定导轨装置包括线圈插座(2)、长直导轨(3)，线圈插座固定在长直导轨左端，长直导轨上标有位置刻度,线圈插座用于安插载流导线；

中央控制处理模块包括控制/处理器、置位复位电路、放大电路、A/D转换电路及电源，控制/处理器控制置位复位电路为传感器装置提供置位/复位信号，传感器输出的差分电压值通过运算放大器放大后，由控制/处理器驱动模拟/数字转换器将数据读出，进行双向偏置差值抗干扰处理并根据放大电路及模拟/数字转换器参数对相对磁场强度解算，

电流元在空间中一点P产生的磁场为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{dB}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\·\frac{I\stackrel{\→}{d1}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3},$

任意载流导线在空间中任一点P产生的磁感强度为

$\stackrel{\→}{B}=\∫\stackrel{\→}{\mathrm{dB}}=\frac{I\stackrel{\→}{d1}\×\stackrel{\→}{r}}{r^3},$

载流导体是有限长直导线或圆形导线，有限长载流直导线空间中一点P的磁场强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}I}{4\mathrm{\π}{r}_0}(\cos {\mathrm{\θ}}_1-\cos {\mathrm{\θ}}_2),$

圆形载流直导线空间中一点P的磁场强度为

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{IR}}^2}{2{(x^2+R^2)}^{3/2}},$

磁场强度B的方向与电流方向满足右手螺旋法则测得空间一点P处的磁场强度B，利用环境磁导率μ₀、载流线圈电流I、探测器到直导线垂直距离r₀、探测器到直导线两端连线与直导线的夹角θ₁和θ₂计算出磁场强度B′；

最后按照用户要求将解算出的磁场强度显示在LCD上。