CN104913714A - 一种矢量磁传感器阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种矢量磁传感器阵列及其制作方法，包括多个磁敏矢量传感器、驱动芯片，控制电路及PCB电路板，磁敏矢量传感器与所述驱动芯片连接，磁敏矢量传感器与驱动芯片位于所述PCB电路板的顶层，控制电路被设计为对所述驱动芯片进行参数配置和数据的读取，并通过RS-232串口工作方式传输数据给上位机，控制电路位于所述PCB电路板的底层，与驱动电路通过过孔连接。该矢量磁传感器阵列通过定位模具辅助焊接，保证了X方向、Y方向、Z方向磁敏电感的位置精度和正交性，具有良好的位移测量精度。电路结构紧凑，体积小，功耗低，易于规模集成，制作方法简单，实用性强。

Description

一种矢量磁传感器阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言涉及一种矢量磁传感器阵列及其制作方法，该矢量磁传感器阵列适用于滑坡体深层的位移监测，也可以用于其它非接触位移测量。

背景技术

滑坡体的地下位移测量是监测滑坡体稳定性的有效手段，传统监测方法是采用钻孔测斜仪进行监测。该方法需要先从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下若干米，安装具有滑槽的精密测斜管，然后对测斜管外部进行混凝土灌浆，使测斜管与滑坡体结合牢固，再通过在滑槽中放置测斜仪，通过测斜仪监测测斜管内壁倾斜度的变化。通常测取测斜管埋设早期的状态曲线作为基准曲线，后续测得的曲线和基准曲线(或先期测得的曲线)比较，来获取滑动面的位移变形及滑动面准确的高程位置。然而，这种测试方式存在如下问题：1)测斜管的施工复杂，安装工程量大，费用高昂。测斜孔需要进行专业的地质钻孔，钻孔孔径较大，深度需要跨越滑动面，且对测斜孔的内壁和线性度要求高。为了保证测量精度，安装的测斜管多采用特种材料成型，在通过精密机械加工出滑槽，测斜管价格昂贵！2)钻孔测斜仪的可靠性低，维护困难。单根测斜管的长度通常小于3米，对于大多数滑坡体而言，需要将多根测斜管进行衔接，而当衔接点接近复杂地况位置时，如溶洞区，很容易因灌浆不足导致局部架空，受力后产生脱节，从而导致整个测斜管废弃。而当滑坡体变形量过大时，测斜管局部变形超量，也会阻塞测斜探头，导致测斜管提前报废。此外，测斜管露出地面部分需要严格保护，任何异物堵塞管道，都会导致测斜管废弃。基于钻孔测斜仪存在的问题，探索适用于滑坡体深层位移监测的新方法，具有重要的经济价值和现实意义。

基于磁定位方法对滑坡深层位移进行监测，将探测点和标的点进行分离，采用永磁体构成标的点，将深层发生的大距离滑移转化为局部磁场的变化，通过监测磁场的变化，进而解算出滑坡体深部的位移变化，如公示的专利申请“一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法”(申请号：201310352732.2)，能很好地规避钻孔测斜仪的问题，具有很好地应用前景。但仿真分析和实验研究表明，要获得标的点mm级的位移变化，需要构建磁矢量传感器阵列，同时探测因标的点位移引起磁场在不同探测位置上的变化，传感器的灵敏度越高、自身位置精度越准确，可探测标的点的位移分辨率越高。因此，开发灵敏度高、位置精度准确的矢量磁传感器阵列，是磁定位方法检测滑坡深层位移的关键。目前，实用化的磁传感器主要有磁通门传感器、AMR磁传感器、霍尔磁传感器等，其中磁通门传感器、AMR磁传感器的灵敏度可以达到亚nT级，但需要配置复杂的信号调理和提取电路，系统体积大，价格昂贵，单套矢量磁传感器的价格在数万元，很难进行阵列集成。霍尔磁传感器体积小，但灵敏度不高(亚mT级)，不易进行精确测量。2011年底，美国PNI公司推出一种基于精密磁敏电感的传感器，其体积只有6mm*1.5mm*2mm，匹配专用驱动芯片，可实现0.1uT级的高精度测量，且成本低廉，外围电路设计简单，多传感器集成方便，具有良好的应用前景。此外，基于磁定位方法进行非接触位移测量，对矢量传感器各分量的位置精度及正交性也有严格的要求。目前，PCB电路板作工艺非常成熟，焊盘加工精度已经可以达到0.01mm，因此焊接后矢量传感器的位置精度及正交性完全取决于器件的贴装工艺。传统的焊接方法主要有手工焊接和SMT表面贴装。普通的手工焊接，器件的定位误差在mm级，X方向、Y方向、Z方向的正交性很难保证，且阵列制作质量与技术人员的素质相关，很难保证阵列的品质；SMT表面贴装工艺是一种全自动化的电路板焊接技术，贴装精度精度较高但价格昂贵，且需要定制专门的贴装钢网和上料夹具，制作工期长。尽管该技术能较好的保证器件的位置精度，但由于Z方向磁敏电感形状特殊，贴装时Z方向与X方向、Y方向的正交性也很难保证，这将大幅降低Z方向传感器的测量精度。因此，探索新的电路制作方法对保证矢量磁传感阵列的精度非常关键，但目前尚未检索到涉及高灵敏度矢量磁传感器阵列制作的具体方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种矢量磁传感器阵列及制作方法，该装置采用精密磁敏电感作为传感单元，通过特定的制作方法，构建矢量磁传感器阵列。该传感器阵列具有位移测量精度高、体积小、功耗低、灵敏度高、价格便宜等优点，制作方法设计巧妙。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种矢量磁传感器阵列，包括多个磁敏矢量传感器、驱动模块，控制模块、PCB电路板，磁敏矢量传感器与驱动模块连接，磁敏矢量传感器与驱动模块位于PCB电路板的顶层，控制模块用于对驱动模块进行参数配置和数据的读取，并通过RS-232串口工作方式传输数据给上位机，所述控制模块位于所述PCB电路板的底层，与所述驱动模块通过过孔连接。

所述磁敏矢量传感器由X方向、Y方向、Z方向正交排布的三个磁敏电感组成；

所述X方向磁敏电感构成一个的传感阵列，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm；

所述Y方向磁敏电感构成一个的传感阵列，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm；

所述Z方向磁敏电感构成一个的传感阵列，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm。

所述X方向、Y方向、Z方向磁敏电感通过定位模具辅助定位，保证位置精度和正交性。

所述X方向、Y方向、Z方向磁敏电感的焊盘均采用2个Φ1mm的过孔与电路板底层的导热焊盘连接；所述PCB电路板的顶层和底层之间还设有信号地层，用于隔离控制模块对所述磁矢量传感器的电磁影响。

依据上述本发明的方案，本发明的矢量磁传感器是基于磁敏电感传感器，当标的点位移变化引起测量点的磁场变化时，磁敏电感的感量发生变化，通过预先配置和校准，驱动电路将上述变化转化为数字信号，再通过控制电路将数据信息传递给上位机。磁敏电感采用专用芯片进行驱动，其感量变化直接转换成数字量输出，省去通常的A/D转换，电路的硬件结构简单，体积小、功耗低、灵敏度高，方便构成复杂的阵列。

一种矢量磁传感器阵列的制作方法，所述矢量磁传感器阵列包括多个磁敏矢量传感器、所述磁敏矢量传感器的驱动模块，控制模块及PCB电路板，所述磁敏矢量传感器与驱动模块连接，所述磁敏矢量传感器与驱动模块位于所述PCB电路板的顶层，所述控制模块被设计为对驱动模块进行参数配置和数据的读取，并通过RS-232串口工作方式传输数据给上位机，所述控制模块位于所述PCB电路板的底层，与所述驱动模块通过过孔连接。

所述矢量磁传感器阵列的制作方法包括如下步骤：

将PCB电路板与钢网通过定位孔叠装，在钢网上的磁敏电感焊盘上涂刷焊锡膏；

取下钢网，将开有磁敏电感限位孔阵列的定位模具通过定位孔与PCB电路板进行叠装，并采用螺丝锁紧；

将磁敏电感依次放入定位模具的限位孔，均匀加压，保证磁敏电感与焊盘接触；

将PCB电路板四角固定在专用的焊接架上，其它部位悬空，采用口径Φ5mm的热风枪对PCB电路板底层的导热焊盘和过孔恒温加热，温度控制在300℃～350℃，风速4档(约500L/min)，热风枪风口与PCB电路板保持45度夹角，加热时间10秒；

所有导热焊盘和过孔恒温加热完毕，松开定位装置，取下定位模具，检查磁敏电感的焊盘是否完整；

采用万用表的电阻档测量磁敏电感的两极，根据电阻的大小判断是否虚焊，对于虚焊的磁敏电感引脚，通过手工在顶层进行补焊。

根据电路设计，手工焊接其它电子器件。

一种矢量磁传感器阵列，应用于滑坡体深层位移监测。

依据上述发明的方案，在PCB电路板上设计导热结构，采用定位模具对磁敏电感进行辅助定位装配，采用热风枪背面加热焊接，无需制作专用的工装夹具和SMT贴片加工，即可实现磁敏电感的高精度焊接，器件的定位精度和正交性主要由定位模具保证。该阵列的制作方法简单，成本低廉，构思巧妙，可操作性好。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)、磁敏电感灵敏度在15nT，磁场变化可探测精度高于0.1uT，基于磁敏电感构建的矢量磁传感阵列灵敏度高，具备高精度位移测量的潜力；

2)、磁敏电感传感器体积小(如6mm*1.5mm*2mm)，且磁电转换过程无需增加信号调理电路，省去A/D转电路，电路结构紧凑，体积小，功耗低，价格便宜，易于规模集成。

3)、通过在PCB电路板上设计导热结构，采用定位模具辅助装配，手动贴装即可实现磁敏电感器件的高精度焊接，制作方法简单，成本低廉。

附图说明

图1-1为本发明矢量磁传感器阵列一个实施例的正面结构示意图；

图1-2为本发明矢量磁传感器阵列一个实施例的背面结构示意图；

图2为定位模具的外观图；

图中：1—矢量磁传感器，2—驱动模块，3—控制模块，4—PCB电路板，5—X方向磁敏电感，6—Y方向磁敏电感，7—Z方向磁敏电感。

图3为矢量磁传感器阵列应用于滑坡体深层位移监测的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1所示，矢量磁传感器阵列一个实施例，本实施例包括9个磁敏矢量传感器1、9个磁敏矢量传感器的驱动模块2，控制模块3及PCB电路板4，磁敏矢量传感器1与驱动模块2连接，磁敏矢量传感器1与驱动模块2位于所述PCB电路板4的顶层，控制模块3被设计为对驱动模块2进行参数配置和数据的读取，并通过RS-232串口工作方式传输数据给上位机，控制模块3位于所述PCB电路板4的底层，与驱动模块2通过过孔连接，驱动模块2选用美国PNI公司的PNI 12927，控制模块3选用STC12LE2052AD单片机，单片机与上位机接口采用RS-232连接。

磁敏矢量传感器1由X方向、Y方向、Z方向正交排布的三个磁敏电感组成；

X方向磁敏电感5构成一个的传感阵列，选用美国PNI公司SEN-R65，规格为：6mm*1.5mm*2mm，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm；

Y方向磁敏电感6构成一个的传感阵列，选用美国PNI公司SEN-R65，规格为：6mm*1.5mm*2mm，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm；

Z方向磁敏电感7构成一个的传感阵列，选用美国PNI公司SEN-Z65，规格为：6mm*2mm*2mm，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm。

X方向、Y方向、Z方向磁敏电感通过定位模具8辅助定位，保证位置精度和正交性，定位模具4采用厚度2mm的不锈钢材料，通过数控加工中心CNC制作，位置误差小于0.05mm，垂直度误差小于0.1°；

X方向、Y方向、Z方向磁敏电感的焊盘均采用2个Φ1mm的过孔与电路板底层的导热焊盘连接，导热焊盘为2mm*2mm；PCB电路板4的顶层和底层之间还设有信号地层，用于隔离所述控制电路对所述磁矢量传感器的电磁影响；

上述实施例的制作方法，包括如下步骤：

将PCB电路板4与钢网通过定位孔叠装，在钢网上的磁敏电感焊盘上涂刷焊锡膏；

取下钢网，将开有磁敏电感限位孔阵列的定位模具8通过定位孔与PCB电路板4进行叠装，并采用螺丝锁紧。

将磁敏电感依次放入定位模具8的限位孔，均匀加压，保证磁敏电感与焊盘接触。

将PCB电路板4四角固定在专用的焊接架上，其它部位悬空，采用口径Φ5mm的热风枪对PCB电路板4底层的导热焊盘和过孔恒温加热，温度控制在300℃～350℃，风速4档(约500L/min)，热风枪风口与PCB电路板4保持45°夹角，加热时间10秒。

所有导热焊盘和过孔恒温加热完毕，松开定位装置，取下定位模具8，检查磁敏电感的焊盘是否完整；

采用万用表的电阻档测量磁敏电感的两极，根据电阻的大小判断是否虚焊，对于虚焊的磁敏电感引脚，通过手工在顶层进行补焊。

根据电路设计，手工焊接其它电子器件。

如图2所示，是辅助装配的定位模具8示意图。

X方向、Y方向、Z方向磁敏电感的外形尺寸与定位模具8的孔尺寸精密配合，误差小于0.1mm。

本发明所涉及的单片机控制电路、RS232通信电路等，都属于已有技术，在自动控制领域已有多种形式和应用。在此只是列举部分实现方式，不对电路的细部特征再做具体叙述。

一种矢量磁传感器阵列应用于滑坡体深层位移监测，如图3所示，先将永久磁铁9埋设在滑坡体稳定层7的一侧，再将所述的矢量传感器阵列(9个矢量传感器：1#～9#呈矩形排列)埋设滑坡体滑移面8的另一侧，读取初始状态下阵列中各探头的磁参数。当滑移面8受环境因素影响产生移动时，永久磁铁9相对于矢量磁传感器阵列的空间位置发生变化，其磁影响发生变化，从而引起阵列上各探头的测量结果产生相应的变化。根据实验预先确定的算法，建立磁分量变化与相对位移的关系，解算磁矢量变化对应的位移变化，即可获取滑坡体空间位置上的位移。具体实现如下：

本发明中由于探测器对应的探测点与永磁体距离远大于永磁体本身的线度，此时永磁体可以等效为一个磁偶极子，其在探测点所在区域将形成一个稳定的磁场环境。将磁探测器对应的坐标系设为空间全局坐标系，由于永磁体空间位置不变，可将永磁体中心设定为坐标原点。探测点的空间坐标分别为(x₁,y₁,z₁)，检测到的磁感应强度分量分别为B_1x、B_1y、B_1z。两个探测点相对于永磁体中心的空间距离分别为永磁体的等效磁矩为P_m，在坐标系下的方位角和仰角分别为α和β。根据探测点磁场分量求解的坐标变换关系有：

$B_{1x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_1}^5}[({2x}_1^2-y_1^2-z_1^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+{3x}_1{y}_1\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+{3x}_1{z}_1\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_1}^5}[({2y}_1^2-x_1^2-z_1^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+{3x}_1{y}_1\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+{3y}_1{z}_1\cos \mathrm{\α}]$

$B_{1z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{r_1}^5}[({2z}_1^2-y_1^2-x_1^2)\cos a{+3x}_1{z}_1\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+{3x}_1{z}_1\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}]$

基于上述关系，建立其它8个探测点的未知量即两个探测点的坐标(x,y,z)以及α和β，再考虑9个探测点在电路上的位置关系，通过计算机程序设计可求得各自的坐标(x,y,z)以及α和β，这样也就确定了探测点的空间位置。事实上，基于卫星定位原理，理论上3个磁矢量探测器即可定位永磁体达的位置，这里采用9个磁矢量探测器进行探测，其目的在于进一步提高系统的探测精度。

当探测点出现滑坡情况时，探测器的空间方位以及探测点的磁感应强度分量随探测点变化都将发生改变，基于上述的定位原理上，对滑坡位移进行坐标(x',y',z')以及α'和β'重新求解，即可求得滑动后的新位置。以阵列中心探测点的位移作为滑坡位移，则可计算：

$L=\sqrt{{(\frac{x_2-x_1}{2}-\frac{x_2^{\′\′}-x_1^{\′\′}}{2})}^2+{(\frac{y_2-y_1}{2}-\frac{y_2^{\′\′}-y_1^{\′\′}}{2})}^2+{(\frac{z_2-z_1}{2}-\frac{z_2^{\′\′}-z_1^{\′\′}}{2})}^2}$

本发明涉及的磁定位及位移解算方法已经能够在滑坡和土木工程获得应用，这里也不再做具体叙述。

本发明的核心在于从磁定位的原理出发，选用精密电感作为磁场感测元件，构建高灵敏度的矢量磁传感器阵列；通过对PCB电路板进行导热设计，利用定位模具辅助焊接，有效保证传感元件的位置精度和正交性。

Claims (7)

1.一种矢量磁传感器阵列，包括多个磁敏矢量传感器(1)、驱动模块(2)，控制模块(3)、PCB电路板(4)，所述磁敏矢量传感器(1)与所述驱动模块(2)连接，磁敏矢量传感器(1)与驱动模块(2)位于所述PCB电路板(4)的顶层；所述控制模块(3)用于对驱动模块(2)进行参数配置和数据的读取，并通过RS-232串口工作方式传输数据给上位机，控制模块(3)位于PCB电路板(4)的底层，与驱动模块(2)通过过孔连接，其特征在于，

所述磁敏矢量传感器(1)由X方向、Y方向、Z方向正交排布的三个磁敏电感组成；

所述X方向磁敏电感(5)构成一个的传感阵列，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm；

所述Y方向磁敏电感(6)构成一个的传感阵列，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm；

所述Z方向磁敏电感(7)构成一个的传感阵列，电感中心间距的位置误差小于+/-0.1mm。

2.根据权利要求1所述的矢量磁传感器阵列，其特征在于：所述X方向、Y方向、Z方向磁敏电感通过定位模具(8)辅助定位。

3.根据权利要求1所述的矢量磁传感器阵列，其特征在于：所述X方向、Y方向、Z方向磁敏电感的焊盘均采用2个Φ1mm的过孔与PCB电路板(4)底层的导热焊盘连接。

4.根据权利要求1所述的矢量磁传感器阵列，其特征在于：所述PCB电路板(4)的顶层和底层之间还设有信号地层，用于隔离控制模块(3)对磁矢量传感器的电磁影响。

5.一种权利要求1所述矢量磁传感器阵列的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将PCB电路板(4)与钢网通过定位孔叠装，在钢网上的磁敏电感焊盘上涂刷焊锡膏；

步骤2：取下钢网，将开有磁敏电感限位孔阵列的定位模具(8)通过定位孔与PCB电路板(4)进行叠装，并采用螺丝锁紧；

步骤3：将磁敏电感依次放入定位模具(8)的限位孔，均匀加压，保证磁敏电感与焊盘接触；

步骤4：将PCB电路板(4)四角固定在焊接架上，其它部位悬空，采用热风枪对PCB电路板(4)底层的导热焊盘和过孔恒温加热；

步骤5：所有导热焊盘和过孔恒温加热完毕，松开定位装置，取下定位模具(8)，检查磁敏电感的焊盘是否完整；

步骤6：采用万用表的电阻档测量磁敏电感的两极，根据电阻的大小判断是否虚焊，对于虚焊的磁敏电感引脚，通过手工在顶层进行补焊。

步骤7：根据电路设计，手工焊接其它电子器件。

6.根据权利要求5所述矢量磁传感器阵列的制作方法，其特征在于，所述步骤4中，采用口径Φ5mm的热风枪对PCB电路板底层的导热焊盘和过孔恒温加热，温度控制在300℃～350℃，风速4档(约500L/min)，热风枪风口与PCB电路板(4)保持45°夹角，加热时间10秒。

7.根据权利要求1～4所述的任意一种矢量磁传感器阵列，其特征在于：应用于滑坡体深层位移监测；先将永久磁铁埋设在滑坡体稳定的一侧，再将矢量传感器阵列埋设滑坡体滑移面的另一侧，读取初始状态下阵列中各探头的磁参数；当滑移面受环境因素影响产生移动时，永久磁铁相对于矢量磁传感器阵列的空间位置发生变化，其磁影响发生变化，从而引起阵列上各探头的测量结果产生相应的变化，根据实验预先确定的算法，建立磁分量变化与相对位移的关系，解算磁矢量变化对应的位移变化，即可获取滑坡体空间位置上的位移。