CN107807337A - 一种数字化磁通门磁力仪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字化磁通门磁力仪系统，包括：探头，配置用于进行对被测磁场进行磁通门信号检测；数字激磁器，连接探头和MCU芯片，配置用于接收MCU芯片发来的配置频率，产生相应频率的激励信号，激励探头；磁信号放大处理器，连接探头，提取探头检测到的磁场信息，将磁场信息转化为电压信号；A/D采样器，连接磁信号放大处理器和MCU芯片，配置用于对电压信号进行A/D采样后送入MCU芯片；温度检测器，连接MCU芯片，配置用于检测环境温度，并将温度值送入MCU芯片；MCU芯片，通过串口模块连接至PC上位机，配置用于获取A/D采样后的电压信号以及温度值，送入PC上位机进行磁场强度的计算和显示。
Description
技术领域
本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种数字化磁通门磁力仪系统。
背景技术
磁场测量技术具有悠久的历史，其在诸多领域，如地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学和考古学等都得到了广泛应用。
众多的测磁仪器中，磁通门磁力仪由于重量轻、体积小、电路简单、灵敏度高、稳定性好、功耗低、易于实现数字化和适于在高速运动系统中使用等优点，被广泛用于各种场合的磁场测量，尤其适合在零磁场附近和弱磁条件下应用。磁通门磁力仪除了可以测量磁场强度，还能测量磁场在某一轴向上的分量，进而测量方向。目前磁通门磁力仪是进行星际磁测、航空磁测、岩石弱磁场参数测量、考古等微弱磁场测量的最为理想的测量仪器之一。除了在宇航工程中的应用，磁通门磁力仪还广泛用于地磁测量、地质勘探、能源勘测、舰船导航、武器侦查、材料无损探伤等领域。
目前市面上出现的磁通门磁力仪大多依赖进口，不仅结构复杂而且造价高昂。因此在不降低精度的情况下，结构简化、造价低的磁通门磁力仪系统是目前主要的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数字化磁通门磁力仪系统，采用单铁芯单绕组的探头，以及使用单片机直接产生数字激磁信号，并且采用了结构简单的脉冲幅值法提取调制后的磁通门信号，使得该磁力仪不仅成本低廉而且结构简单。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种数字化磁通门磁力仪系统，该系统用于对待测磁场进行磁场检测，系统包括探头、数字激磁器、磁信号放大处理器、A/D采样器、温度检测器、MCU芯片、串口模块和PC上位机。
探头，配置用于进行对被测磁场进行磁通门信号检测。
数字激磁器，连接探头和MCU芯片，配置用于接收MCU芯片发来的配置频率，产生相应频率的激励信号，输入至探头，对所探头进行激励。
磁信号放大处理器，连接探头，用于提取探头检测到的磁场信息，将磁场信息转化为电压信号。
A/D采样器，连接磁信号放大处理器和MCU芯片，配置用于对电压信号进行A/D采样后送入MCU芯片。
温度检测器，连接MCU芯片，配置用于检测环境温度，并将温度值送入MCU芯片。
MCU芯片，通过串口模块连接至PC上位机，配置用于获取A/D采样后的电压信号以及温度值，送入PC上位机。
PC上位机获取A/D采样后的电压信号以及温度值进行磁场强度的计算和显示。
在本发明的一个或多个实施例中，探头为单芯结构，由一个铁芯以及绕铁芯一周的绕组组成。
在本发明的一个或多个实施例中，激磁器由第一运算放大器、第五电阻R5、第四电阻R4、第六电阻R6、第九电容C9、第十电容C10以及第十一电容C11组成；
其中第一运算放大器采用OPA227的包括正输入端3、负输入管脚2、正电压管脚7、负电压管脚4以及输出管脚6；
其中负输入管脚2通过第五电阻R5连接至MCU芯片，正输入管脚3一方面通过第四电阻R4连接－5V电压，另一方面通过第六电阻R6接至+5V电压，正电压管脚7接至+5V电压，负电压管脚4接至－5V电压，输出管脚6连接第十电容C10；
其中+5V电压通过第九电容C9接地；－5V电压通过第十一电容C11接地。
配置频率为4KHz。
在本发明的一个或多个实施例中，磁信号放大处理器包括正负峰值检波电路、积分滤波放大电路、闭环反馈电路以及电压跟随电路组成。
正负峰值检波电路对探头检测到的磁场信息检波处理，滤除由激磁器的激磁磁场产生的上下对称的信号，得到脉动的磁通门信号。
积分滤波放大电路对脉动的磁通门信号进行滤波放大处理输出平滑的直流磁通门信号。
闭环反馈电路用于将平滑的直流磁通门信号反馈至探头。
电压跟随电路用于对平滑的直流磁通门信号进行电压跟随输出。
在本发明的一个或多个实施例中，A/D采样器为AD7705芯片。
在本发明的一个或多个实施例中，温度检测器为数字式温度传感器DS18B20。
在本发明的一个或多个实施例中，MCU芯片为8位单片机ATmega8L。
在本发明的一个或多个实施例中，串口模块为RS232收发器。
本发明具有如下优点：
1、采用单铁芯单绕组的探头，以及使用单片机直接产生数字激磁信号，并且采用了结构简单的脉冲幅值法提取调制后的磁通门信号，使得该磁力仪不仅成本低廉而且结构简单，具有较强的现实意义。
2、本发明将探头设计成单铁芯单绕组的结构。单绕组就是激磁线圈和感应线圈是同一组绕线。与传统结构采用的激磁线圈和感应线圈两组绕线相比，单饶组更容易保证激磁线圈和感应线圈的对称性，一方面提高了信号噪声的比例，另一方面，减小了探头的体积、降低了功耗，并且增加了探头的稳定性。
3、本发明设计了一种由单片机产生方波激励信号的数字激磁法，激磁信号的频率可调，这不仅减小了因探头的差异带来的系统误差，而且也改善了传统RC模拟激磁电路的稳定性问题。磁信号处理电路采用结构简单的脉冲幅值法取代了传统复杂的二次谐波法，简化了电路设计，并降低了系统功耗。为解决磁通门磁力仪所固有的系统温漂问题，设计增加了温度检测器，并研究了温度漂移自动补偿方法。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的数字化磁通门磁力仪系统组成框图。
图2(a)为本发明探头的结构示意图；
图2(b)为本发明探头的结构尺寸示意图；
图3为本发明激磁器的电路图；
图4为本发明磁信号放大处理器的电路图；
图5为本发明A/D采样器的电路图；
图6为本发明温度检测器的电路图；
图7为本发明MCU芯片的电路图；
图8为本发明串口模块的电路图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种数字化磁通门磁力仪系统，该系统用于对待测磁场进行磁场检测，系统的组成框图如图1所示，包括探头、数字激磁器、磁信号放大处理器、A/D采样器、温度检测器、MCU芯片、串口模块和PC上位机。
探头，配置用于进行对被测磁场进行磁通门信号检测。
数字激磁器，连接探头和MCU芯片，配置用于接收MCU芯片发来的配置频率，产生相应频率的激励信号，输入至探头，对所探头进行激励。
磁信号放大处理器，连接探头，用于提取探头检测到的磁场信息，将磁场信息转化为电压信号。
A/D采样器，连接磁信号放大处理器和MCU芯片，配置用于对电压信号进行A/D采样后送入MCU芯片。
温度检测器，连接MCU芯片，配置用于检测环境温度，并将温度值送入MCU芯片。
MCU芯片，通过串口模块连接至PC上位机，配置用于获取A/D采样后的电压信号以及温度值，送入PC上位机。
PC上位机获取A/D采样后的电压信号以及温度值进行磁场强度的计算和显示。本实施例中还可以采用手持终端进行磁场强度的计算和显示。
其中各组成部分具体设计如下：
1.探头
探头的结构主要分为单芯、双芯、环形和跑道形几种形式，其中环形和跑道形探头灵敏度高、功耗小，但测量的方向性不强，工艺上稍显复杂；单芯、双芯方向性强、功耗较大，结构简单，因此可以说不同结构的探头结构各有优势。基于项目需求和其他各方面的综合考虑，本发明采用图2(a)的形式，即将探头设计成单铁芯单绕组的结构。另外，该磁通门采用与坡莫合金IJ90膨胀系数相近的电工陶瓷作为线圈的骨架，它的外形尺寸为Ф6*15mm，结构尺寸如图2(b)所示。
2.数字激磁器
传统的激磁信号通常是正弦波，考虑到方波较易实现数字化，所以本发明采用方波激励。磁通门激磁电路包括频率源和功率放大电路。频率源用来产生频率稳定的信号，本发明选用ATmega8L单片机产生PWM的波形作为频率源。功率放大电路选用高精度、低噪声的运算放大器OPA227。数字激磁器电路如图3所示。
激磁信号频率的高低和稳定性对探头的性能有重要的影响，频率太低会降低探头的灵敏度；频率太高，则会加剧铁芯中的涡流电流，形成趋肤效应，等于减小了铁芯横截面的有效面积，并且会增大探头噪声]。所以，找准激磁信号的频率和选择合适的激磁波形是提高探头性能的关键之一。本发明通过实验，选择的最佳激磁频率是4KHz，每个探头的激磁频率略有不同。
3.磁信号放大处理器
磁通门信号处理器是整个发明的核心，它的作用是将磁通门探头感应线圈探测到的被测磁场的信息提取出来，并将其转化为平滑的电压信号。磁通门的信号处理方法常用的是二次谐波选择法，不仅电路复杂，而且对各部分要求很高，所以摈弃了这一常用方法，取而代之的是电路形式更加简单，测量效果不逊于二次谐波法的脉冲幅值法。
磁信号放大处理器采用脉冲幅值法提取磁通门信号并进行处理的电路如图4所示。该电路由正负峰值检波、积分滤波放大、闭环反馈和电压跟随四部分组成。
正负峰值检波由对称的检波二极管D2、D3，电容C12、C13，电阻R8、R9组成。探头的1号端子接的是被调制的磁通门信号，经过正负峰值检波后滤除由激磁磁场产生的上下对称的信号，得到只由被测磁场调制产生的脉动的磁通门信号。然后由U5B和C14组成的积分滤波放大电路处理后，得到平滑的直流磁通门信号。为了提高线性度和稳定性，U5B的输出端加上了电位器RV1作为反馈电阻，将磁通门信号的一部分反馈到探头的2号端子，形成深度负反馈网络，从而使探头始终工作在零场状态下。同时，将U5B输出的直流磁通门信号的另一部分送入由U5A和二极管D4等组成的电压跟随电路，将前后电路隔离开，使后面电路不受前面电路的影响。最后将输出的信号送给后面的A/D进行采样。
4.A/D采样器
由于磁通门处理电路输出的是模拟的电压信号，为了便于单片机进行数字化处理，所以需要先将模拟信号进行A/D采样，转化为数字电平。为了实现系统高分辨率(达到1nT)，需要16位的A/D转换。所以本设计选择了一款Σ-Δ型、并带有自校正功能的A/D转换芯片AD7705，它是Analog Devices公司生产的低功耗16位无误码的模数转换器。
图5为A/D采样电路，测得的磁场分量与AD7705的通道1相连接，因为只有一路信号，所以将通道2接地。为提高系统的响应速度，将AD7705的片选CS接地，使其始终工作在选通状态。AD的数字电源可以采用+3.3V，也可以采用+5V，由于单片机控制信号高电平为5V，因此本次设计中AD7705的数字电源采用5V供电。由于系统的测量范围是0～65535nT，而系统分辨率要达到1nT，如果用AD7705内部自带的2.5V电压基准显然不够，所以设计运用了一块专门的电压基准芯片LM4040提供高精度的4.096V电压基准。如图5所示，LM4040的输出接上AD7705的外部参考电源Vref的引脚9和引脚10。设定将ATmega8L的PC3脚输出模拟的外部串行时钟信号SCLK，以访问AD7705的串行数据。外部2.048的石英晶振为AD7705提供主时钟信号。AD7705的串行数据输入脚DIN、串行数据输出脚DOUT、状态信号DRDY、复位端RESET分别与单片机ATmega8L的PC0、PC1、PC2和PB2脚相连。
5.温度检测器
为了方便测量温度系数，本发明加入了温度检测器。传统的温度测量大多以热敏电阻或热电偶测量温度，输出的是模拟信号，不仅便于单片机的数字处理，且电路易受干扰,使采集到的数据准确性不高。因此，本发明选择使用简单的数字式温度传感器DS18B20。
温度传感器DS18B20与单片机的连接方法有两种。第一种方法是将VCC和GND端口同时接地，数据传输端口DQ与单片机的IO口相连接，通过寄生电源对DS18B20进行供电。另一种方法是VCC接电源、GND接地，数据传输端口DQ与单片机的IO口直接相连，为保证数据的稳定传输，最好在DQ端接一个4.7K的上拉电阻，本文采用第二种连接方法，具体的电路图如图6所示。
6.MCU芯片
MCU部分使用ATMEL公司生产的高性能、8位单片机ATmega8L作为核心控制器，其内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，如集成了8K字节的可编程Flash，能够擦写10000次，可反复擦写100000次的512字节的数据存储器EEPROM，两个8位和一个16位的定时/计数器，3通道的PWM，8路10位A/D转换器，I2C串行接口、2个可编程的串行USART，可工作于主/从机模式的SPI串行接口和带独立片内振荡器的可编程看门口定时器及片内模拟比较器等。它具有AVR高档单片机MEGA系列的全部特点，而价格仅与低档单片机相当，且二次开发非常方便，因此性价比极高，MCU芯片ATmega8L单片机与其它部件的连接如图7所示。
7.串口模块
本发明中单片机需要与PC机通信，采用基于RS-232协议的串口通信方式，使用MAXIM公司生产的RS3232收发器作为RS-232电平转换芯片，电路连接图如图8所示。
MAX3232的T1IN和R1OUT分别接单片机的USART端口的TX0和RX0脚，即ATmega8L的PD1脚和PD0脚，分别负责接收和发送TTL电平到单片机。T1OUT和R1IN分别接标准的串行接口连接头DB9的2脚RXD(发送RS-232电平)和3脚TXD(接收RS-232电平)。C24为倍压电荷泵电容，C25为反相电荷泵电容。两个电荷泵可为电路提供+5.5V和-5.5V的输出电压。
8.PC上位机
上位机软件采用Visual Studio 2005软件平台编写。界面包括显示区和控制区。显示区通过串口通信实时显示弱磁测量部分传送过来的电压值、温度值、频率值以及参数K值、b值、当前时钟信息和磁场值。控制区用来更改相关参数以及给弱磁测量端写入新的频率值，图形显示区用来显示从接通电源开始到当前测得的磁感应强度。
实施例2
对于非电量物理参数的测量，不能直接用模拟电量直接表示被测量，磁场的测量也是如此。对于磁通门探头来说，测量对象即输入的是轴向的磁场分量，输出的是电信号。因此，要想直观地读出磁场的磁感应强度值，就必须找出两者之间的关系，这就是所谓的“标定”。
本说明采用的标定方法是：将磁场测量电路和探头安装好，置于标准磁场发生装置中。通过改变标准磁场的输出值，并记录此时上位机显示的电压值到样表1中，分析这两组数据，找出两者的关系，得出标定参数。
表1标定数据记录表
| 电压 | U1 | U2 | U3 | U4 | U5 | U6 | U7 | U8 | …… | Un |
| 磁场 | B1 | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | B8 | …… | Bn |
通过以上的数据记录，得到了一组磁感应强度与对应的输出电压的离散值。那么如何从这些离散值中找出二者之间的关系呢？
在工程实践和科学实验中，经常碰到形如y＝f(x)的函数，通常是由实验观测得到的，如我们只知道y＝f(x)的一张表(xi，yi)(i＝1，2，3，Λ，n)。求这个公式就是由给定的n个测试点求一条能最好地代表这次实验结果的曲线。视测试点情况不同，可用两种办法解决这个问题：一是曲线y＝f(x)在这些点(xi，yi)上确实满足yi＝f(xi)(i＝1，2，3，Λ，n)这种办法为多项式近似，属插值法；二是不要求曲线通过所有的点，认为测试点存在误差，用一条近似的光滑曲线y＝f(x)反映给定测试数据的一般趋势，这种办法为曲线拟合，拟合曲线的方法有多种，其中最小二乘法应用最广。本设计正是采用最小二乘法拟合直线将离散的点近似地表示为一条直线，从而确定标定参数。
假如测得的数据是一组离散点(xi，yi)，且这些点均匀分布在一条直线的两侧，假设这条直线的函数方程是：
f(x)＝kx+b (1)
作为未知函数的近似表达式，取n个数据(xi,yi),i＝1,2,Λ,n，则误差的平方和达到最小值。即选取合适的k和b，使得下式的r(k,b)达到最小值。
应用数学中求极值的方法，可得到k和b满足如下方程：
解上式得：
对应本说明中的上位机软件，这里的k对应的是上位机的K值，b就是上位机的b值。
系统调试完成之后，装配好一台磁力仪，对系统的测量范围、分辨率、温度特性、测量精度几个指标执行测试，着重关注的是系统的测量精度和温度特性。
测量精度试验是将磁力仪放置在磁屏蔽室内，并用标准的磁场发生装置作为测试标准。首先给定一个标准被测磁场值16000nT，并记录此时磁力仪测得的磁场值，然后将标准磁场每次增加2000nT，同时记录下磁力仪测得的数据，并填入表2。由表中结果可以看出测得的相对误差小于0.10％，误差在±18nT以内，达到了误差小于±20nT的技术指标。
表2测量精度试验结果
| 标准磁场(nT) | 测量结果(nT) | 相对误差(％) |
| 16000 | 16016 | 0.10 |
| 18000 | 18013 | 0.07 |
| 20000 | 19985 | -0.08 |
| 22000 | 21984 | -0.07 |
| 24000 | 24005 | 0.02 |
| 26000 | 26008 | 0.03 |
| 28000 | 28014 | 0.05 |
| 30000 | 30006 | 0.02 |
| 32000 | 32008 | 0.03 |
| 34000 | 33998 | -0.01 |
| 36000 | 36007 | 0.02 |
| 38000 | 37996 | -0.01 |
| 40000 | 40018 | 0.05 |
温度特性试验就是测量系统在不同温度下测得的磁场的准确性。试验是在标准无磁实验室内进行，以屏蔽掉外部干扰磁场。我们将装配好的磁力仪放在恒温箱内，给定一个标准磁场25000nT，调节恒温箱的温度，并将观察结果记录在表3中。从表中的结果可以看出，当温度在0～60℃范围变化时，磁力仪的测量误差不超过±17nT，磁力仪能正常工作，且在测量精度范围之内。
表3温度特性试验结果
本发明在磁通门信号的提取过程中还可以使用其他的提取方法，如二次谐波法、偶次谐波法、脉冲间隔法和脉冲宽度法，在信号的处理上还可以使用其他的运算放大器组成的积分滤波和放大电路。总之，只要是使用了正负峰值检波加积分滤波放大电路的提取方式，就属于本发明的保护范围。
此外，本发明中的上位机界面中的控制面板设置了频率更新，当然也可以使用其他方法以达到更新激磁信号的频率，但是，只要使用通过分4次发送字符来更新单片机的OCR1A寄存器的方法就属于本发明的保护范围。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种数字化磁通门磁力仪系统，其特征在于，所述系统用于对待测磁场进行磁场检测，所述系统包括探头、数字激磁器、磁信号放大处理器、A/D采样器、温度检测器、MCU芯片、串口模块和PC上位机；
所述探头，配置用于进行对被测磁场进行磁通门信号检测；
所述数字激磁器，连接所述探头和所述MCU芯片，配置用于接收所述MCU芯片发来的配置频率，产生相应频率的激励信号，输入至所述探头，对所探头进行激励；
所述磁信号放大处理器，连接所述探头，用于提取所述探头检测到的磁场信息，将所述磁场信息转化为电压信号；
所述A/D采样器，连接所述磁信号放大处理器和MCU芯片，配置用于对所述电压信号进行A/D采样后送入所述MCU芯片；
所述温度检测器，连接所述MCU芯片，配置用于检测环境温度，并将温度值送入所述MCU芯片；
所述MCU芯片，通过串口模块连接至所述PC上位机，配置用于获取A/D采样后的电压信号以及所述温度值，送入所述PC上位机；
所述PC上位机获取A/D采样后的电压信号以及所述温度值进行磁场强度的计算和显示。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述探头为单芯结构，由一个铁芯以及绕铁芯一周的绕组组成。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述激磁器由第一运算放大器、第五电阻(R5)、第四电阻(R4)、第六电阻(R6)、第九电容(C9)、第十电容(C10)以及第十一电容(C11)组成；
其中第一运算放大器采用OPA227的包括正输入端(3)、负输入管脚(2)、正电压管脚(7)、负电压管脚(4)以及输出管脚(6)；
其中负输入管脚(2)通过第五电阻(R5)连接至所述MCU芯片，正输入管脚(3)一方面通过第四电阻(R4)连接－5V电压，另一方面通过第六电阻(R6)接至+5V电压，正电压管脚(7)接至+5V电压，负电压管脚(4)接至－5V电压，输出管脚(6)连接第十电容C10；
其中+5V电压通过第九电容(C9)接地；－5V电压通过第十一电容(C11)接地。
所述配置频率为4KHz。
4.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述磁信号放大处理器包括正负峰值检波电路、积分滤波放大电路、闭环反馈电路以及电压跟随电路组成；
所述正负峰值检波电路对所述探头检测到的磁场信息检波处理，滤除由所述激磁器的激磁磁场产生的上下对称的信号，得到脉动的磁通门信号；
所述积分滤波放大电路对所述脉动的磁通门信号进行滤波放大处理输出平滑的直流磁通门信号；
所述闭环反馈电路用于将所述平滑的直流磁通门信号反馈至所述探头；
所述电压跟随电路用于对所述平滑的直流磁通门信号进行电压跟随输出。
5.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述A/D采样器为AD7705芯片。
6.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述温度检测器为数字式温度传感器DS18B20。
7.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述MCU芯片为8位单片机ATmega8L。
8.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述串口模块为RS232收发器。
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