CN109342983B - 一种霍尔传感器校准装置及其校准标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种霍尔传感器校准装置及其校准标定方法，包括校准磁体、校准工装、上位机、连接上位机的SENIS高斯计和核磁共振仪，校准工装具有多自由度调节且可移至校准磁体内；校准工装上设有NMR探头，NMR探头的前后两侧均相邻设有霍尔探头，霍尔探头上紧贴有热电半导体制冷器；NMR探头与核磁共振仪相连，所述霍尔探头与SENIS高斯计一一对应相连。本发明实现了多个霍尔传感器同时校准，有效的地提高校准效率和校准可靠性；并且NMR探头与霍尔探头的敏感区标志互相平行，可以有效地保证校准数据的准确性。

Description

一种霍尔传感器校准装置及其校准标定方法

技术领域

本发明涉及磁场测量工具校准标定技术领域，具体的说是一种霍尔传感器校准装置及其校准标定方法。

背景技术

众所周知，霍尔传感器是一种常用的磁场测量仪器，广泛应用于多个领域。霍尔传感器具有测量精度高、响应速度快、可靠性高等多种优点。

近年来，随着磁场测量技术的不断发展，霍尔传感器测量的范围达到10^-15～10³T，而国内外的霍尔传感器测量在高磁场情况下，测量精度降低，无法精确测量磁场强度值。因此，需要用更高精准度的磁场测量工具核磁共振仪来校准和标定霍尔传感器。而且霍尔探头具有明显的方向性，需要设计特殊的校准工装，确保霍尔传感器校准的准确性。

发明内容

为了避免和解决上述技术问题，本发明提出了一种霍尔传感器校准装置及其校准标定方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种霍尔传感器校准装置，包括校准磁体、校准工装、上位机、连接上位机的SENIS高斯计和核磁共振仪，所述校准工装具有多自由度调节且可移至校准磁体内；

所述校准工装上设有NMR探头，所述NMR探头的前后两侧均相邻设有霍尔探头，所述霍尔探头上紧贴有热电半导体制冷器；

所述NMR探头与核磁共振仪相连，所述霍尔探头与SENIS高斯计一一对应相连。

进一步的，所述校准工装上沿自身轴线方向设有安装NMR探头的条形槽，所述NMR探头沉入校准工装内且向外伸出。

进一步的，所述校准工装靠近校准磁体的一端设有凹槽，所述霍尔探头两两安装于同一凹槽内。

进一步的，所述凹槽内均并排设有两个布线槽，所述布线槽沿校准工装外轮廓布置且延伸至条形槽内。

进一步的，所述凹槽内两两安装的霍尔探头上设置一个热电半导体制冷器。

进一步的，所述热电半导体制冷器连接有恒流电源。

进一步的，所述校准工装连接有使自身旋转和上下移动的支架,所述支架连接有使自身左右移动的磁体平台。

一种霍尔传感器校准装置的校准标定方法，包括以下步骤：

步骤一：检查装置工作是否正常，并对霍尔探头进行工作前校零；

步骤二：将霍尔探头分两组校准，采集不同温度挡下各标准点的电压AD值、温度值T、磁场感应强度B，通过曲面拟合得到函数关系式B＝F(U,T)，最后导入SENIS高斯计中更新内部原有算法；

步骤三：作精度验证，将校准磁极设为一系列的磁感应强度值Bc，分别记录霍尔传感器显示值Bh、核磁共振仪显示值Bn，对比二者数据。

进一步的，所述步骤二具体包括：

步骤S201：通过恒流电源向热电半导体制冷器供电，调节霍尔探头的温度，设置温度档T₀，T₁，T₂和T₃，其中温度差△T＝10℃；

步骤S202：设定N个校准点，通过上位机采集不同温度挡下所有校准点的磁场感应强度值B、电压AD值U以及温度值T；

步骤S203：通过数据曲面拟合得到函数关系式B＝F(U,T)，然后将霍尔探头放置在零高斯腔内进行再次校零；

步骤S204：切换另外一组四个霍尔探头与SENIS高斯计相连，重复步骤S201至S203；

步骤S205：将函数关系式下传到SENIS高斯计中并保存。

进一步的，所述步骤S202具体包括：

步骤S21：设定校准磁极的磁感应强度初始值为B₀＝2T，磁场变化步长为△B＝100mT，最大磁感应强度Bmax＝7T，校准点为1，2，…，50；

步骤S22：完成校准点N＝1的数据采集后，改变校准磁极的磁感应强度为B₁＝B₀+△B，重复步骤S21，直到完成所有校准点N＝50的数据采集；

步骤S23：调节恒流电源，改变温度值为T₁，重复步骤S21、S22；调节恒流电源，改变温度值为T₂，重复步骤S21、S22；调节恒流电源，改变温度值为T₃，重复步骤S21、S22。

本发明的有益效果是：本发明实现了多个霍尔传感器同时校准，有效的地提高校准效率和校准可靠性；并且NMR探头与霍尔探头的敏感区标志互相平行，可以有效地保证校准数据的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例的结构组成主视图；

图2为本发明实施例中校准工装的结构示意图；

图3为本发明实施例中校准工装的左端面结构示图；

图4为本发明实施例中支架与磁体平台组合的俯视图；

图5为本发明实施例中支架与磁体平台组合的左视图；

图6为本发明实施例中霍尔传感器校准方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1至图6所示，一种霍尔传感器校准装置，包括校准磁体1、校准工装2、上位机8、连接上位机8的SENIS高斯计7和核磁共振仪10，所述校准工装2具有多自由度调节且可移至校准磁体1内；

所述校准工装2上设有NMR探头5，所述NMR探头5的前后两侧均相邻设有霍尔探头4，所述霍尔探头4上紧贴有热电半导体制冷器6；

所述NMR探头5与核磁共振仪10相连，所述霍尔探头4与SENIS高斯计7一一对应相连。

所述校准工装2上沿自身轴线方向设有安装NMR探头5的条形槽2c，所述NMR探头5沉入校准工装2内且向外伸出。条形槽2c使得NMR探头安装在校准工装2的中央位置，NMR探头5伸出则可以十字光标区无遮挡的显露出，并与相邻的霍尔探头4的敏感区重合，即保证NMR探头5的十字光标位置与霍尔探头4的敏感区标志在同一条直线上，确保校准精度。

所述校准工装2靠近校准磁体1的一端设有凹槽2a，所述霍尔探头4两两安装于同一凹槽2a内。由于霍尔探头4的外壳为陶瓷，易碎，因此将凹槽2a的深度设置为2mm，令霍尔探头4沉入凹槽2a内，通过绝缘透明胶带将霍尔探头4固定在校准工装2上，实现固定作用。

所述凹槽2a内均并排设有两个布线槽2b，所述布线槽2b沿校准工装2外轮廓布置且延伸至条形槽2c内。所述条形槽2c的右端设有贯穿校准工装2的通孔2d，霍尔探头4、热电半导体制冷器6的电缆线在校准工装2外沿布线槽2b布置，进入条形槽2c内后从通孔2d穿出；而NMR探头5的电缆线则直接从通孔2d中穿出，使得整个校准工装2美观、简洁，方便布线，同时由于本发明中校准工装2具有多自由度调节，也可避免电缆线缠绕。

所述校准工装2的上端面设有台面21，方便设置布线槽2b，所述校准工装2靠近校准磁体1的一端设为圆形。由于本发明中校准磁体1呈圆柱形，其内部形成的磁场同样为圆柱形区域，将校准工装2做成圆形则有助于和圆柱形的磁场相匹配，其次这样设计的校准工装2体积小、结构紧凑。

本发明中优选的，校准磁体1的磁场均匀空间是直径50mm，长度100mm的圆柱形空间。

所述凹槽2a内两两安装的霍尔探头4上设置一个热电半导体制冷器6。最大效率的利用热电半导体制冷器6，其中热电半导体制冷器6通过绝缘透明胶带固定在霍尔探头4上。

所述热电半导体制冷器6连接有恒流电源9。通过热电半导体制冷器6控制霍尔探头4周围的温度，而恒流电源9则能够为热电半导体制冷器6提供稳定的电流，使得热电半导体制冷器6能够调节的温度范围更大、灵敏度更高、制冷制热时间更短，从而保证霍尔传感器的精确校准。

所述校准磁体1为圆柱形磁极，内孔径70cm，可以方便校准工装进出；而且，其均匀区域是直径50mm、长度100mm的圆柱形空间，可以在此空间中同时布置多个霍尔探头4，且校准工装2与校准磁体1装配具有良好的同轴度。

所述校准工装2连接有使自身旋转和上下移动的支架3,所述支架3连接有使自身左右移动的磁体平台11。所述支架3包括内部的活动板，该活动板通过连接伺服电机驱动的丝杠滑块机构12在支架3上，所述校准工装2固定在该活动板上从而可进行上下移动；所述校准工装2通过轴承安装在该活动板上且通过连接电机驱动的齿轮14在支架3上可进行旋转；所述支架3通过连接另一伺服电机驱动的丝杠滑块机构13在磁体平台11上进行左右移动。本发明中可校准多个探头，因此校准工装2上需要重复拆卸安装，而校准工装2每次的安装误差较大，因此通过上下和左右移动调节校准工装2的位置，同时由于校准磁极1的磁场方向是轴向的，磁场均匀度更高(1.0E-5T/mm)、均匀空间更大(圆柱体φ50mm×100mm)，通过校准工装2的旋转，可调节校准工装2上的NMR探头5稳定锁定磁场值的位置，因此，本发明中通过三个运动的调节，可将校准工装2精准移动至校准磁体1的磁场均匀空间内，调整校准工装2至合适的位置。

为方便本发明中标定方法的实施，现将霍尔探头4设置为八个，对称设置在NMR探头5的前后两侧，所述SENIS高斯计7设置为四台且与前后两侧中任一侧的霍尔探头4对应相连。

一种霍尔传感器校准装置的校准标定方法，包括以下步骤：

步骤一：开始，检查装置工作是否正常，并对霍尔探头4进行工作前校零；

其中具体过程还包括：

步骤S101：装置调试，打开上位机8及串口调试工具，启动核磁共振仪10和SENIS高斯计7，通过装置按钮、旋钮进行操作，验证装置面板功能是否正常，利用串口调试工具验证装置通信功能是否正常；

步骤S102：校准磁极1的准备工作，首先安装匀场片，然后装入校准工装2，将霍尔探头4放置在零高斯腔内进行校零，消除剩磁和地磁影响。

步骤二：将霍尔探头4分两组校准，采集不同温度挡下各标准点的电压AD值、温度值T、磁场感应强度B，通过曲面拟合得到函数关系式B＝F(U,T)，最后导入SENIS高斯计7中更新内部原有算法；

其中具体过程还包括：

步骤S201：通过恒流电源9向热电半导体制冷器6供电，调节霍尔探头4的温度，设置温度档T₀，T₁，T₂和T₃，其中温度差△T＝10℃，首先设定第一个温度档设为T₀；

步骤S202：设定N个校准点，通过上位机8采集不同温度挡下所有校准点的磁场感应强度值B、电压AD值U以及温度值T；所述步骤S202具体包括：

步骤S21：设定校准磁极1的磁感应强度初始值为B₀＝2T，磁场变化步长为△B＝100mT，最大磁感应强度Bmax＝7T，校准点数目校准点为1，2，…，50；四台SENIS高斯计同时采集电压AD值U和温度值T₀₀，1台核磁共振仪采集校准磁极中实际的磁场感应强度B，上位机8通过多通道数据采集系统采集电压AD值U、温度值T₀₀和磁场感应强度B；

步骤S22：完成校准点N＝1的数据采集后，改变校准磁极1的磁感应强度为B₁＝B₀+△B，重复步骤S21，直到完成所有校准点N＝50的数据采集；

步骤S23：调节恒流电源9，改变温度值为T₁，重复步骤S21、S22，上位机8采集到电压AD值、温度值T₁₁和磁场感应强度B；

调节恒流电源9，改变温度值为T₂，重复步骤S21、S22，上位机8采集到电压AD值、温度值T₁₁和磁场感应强度B；

调节恒流电源9，改变温度值为T₃，重复步骤S21、S22，上位机8采集到电压AD值、温度值T₁₁和磁场感应强度B。

步骤S203：通过数据曲面拟合，得到磁场感应强度值B与电压AD值U与温度值T的函数关系式B＝F(U,T)，再将霍尔探头4放置在零高斯腔内再次校零；

步骤S204：通过SENIS高斯计7上的按钮，自动切换另外一组四个霍尔探头4与SENIS高斯计7相连，重复步骤S201至S203，得到磁场感应强度值与电压AD值与温度值的函数关系式B＝F(U,T)；

至此，通过上述的步骤可完成对八个霍尔传感器的校准工作；

步骤S205：最后，将函数关系式下传到SENIS高斯计7中并保存。从而更新SENIS高斯计7的原有内部算法，实现对霍尔传感器的校准，这样得到的校准方式更可靠，能够保证达到1.0E-5的校准精度。

步骤三：作精度验证，将校准磁极1设为一系列的磁感应强度值Bc，分别记录霍尔传感器显示值Bh、核磁共振仪10显示值Bn，对比二者数据；若相对误差小于1.0E-5，则说明霍尔传感器的校准工作是成功的，精度可以满足测试要求，若精度不满足要求，则要重新开始校准工作，至此结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种霍尔传感器校准装置，包括校准磁体（1）、校准工装（2）、上位机（8）、连接上位机（8）的SENIS高斯计（7）和核磁共振仪（10），其特征在于：所述校准工装（2）具有多自由度调节且可移至校准磁体（1）内；

所述校准工装（2）上设有NMR探头（5），所述NMR探头（5）的前后两侧均相邻设有霍尔探头（4），所述霍尔探头（4）上紧贴有热电半导体制冷器（6）；

所述NMR探头（5）与核磁共振仪（10）相连，所述霍尔探头（4）与SENIS高斯计（7）一一对应相连；

所述校准工装（2）连接有使自身旋转和上下移动的支架（3）,所述支架（3）连接有使自身左右移动的磁体平台（11）；通过上下移动、左右移动和自身旋转的三个运动的调节，将校准工装（2）精准移动至校准磁体（1）的磁场均匀空间内，调整校准工装（2）至合适的位置；所述校准工装（2）上沿自身轴线方向设有安装NMR探头（5）的条形槽（2c），所述NMR探头（5）沉入校准工装（2）内且向外伸出；所述校准工装（2）靠近校准磁体（1）的一端设有凹槽（2a），所述霍尔探头（4）两两安装于同一凹槽（2a）内；所述凹槽（2a）内均并排设有两个布线槽（2b），所述布线槽（2b）沿校准工装（2）外轮廓布置且延伸至条形槽（2c）内；所述凹槽（2a）内两两安装的霍尔探头（4）上设置一个热电半导体制冷器（6）。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔传感器校准装置，其特征在于：所述热电半导体制冷器（6）连接有恒流电源（9）。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的一种霍尔传感器校准装置的校准标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：检查装置工作是否正常，并对霍尔探头（4）进行工作前校零；

步骤二：将霍尔探头（4）分两组校准，采集不同温度挡下各标准点的电压AD值、温度值T、磁场感应强度B，通过曲面拟合得到函数关系式B=F(U,T)，最后导入SENIS高斯计（7）中更新内部原有算法；

步骤三：作精度验证，将校准磁体（1）设为一系列的磁感应强度值Bc，分别记录霍尔传感器显示值Bh、核磁共振仪（10）显示值Bn，对比二者数据。

4.根据权利要求3所述的一种霍尔传感器校准装置的校准标定方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：

步骤S201：通过恒流电源（9）向热电半导体制冷器（6）供电，调节霍尔探头（4）的温度，设置温度档T₀，T₁，T₂和T₃，其中温度差△T=10℃；

步骤S202：设定N个校准点，通过上位机（8）采集不同温度挡下所有校准点的磁场感应强度值B、电压AD值U以及温度值T；

步骤S203：通过数据曲面拟合得到函数关系式B=F(U,T)，然后将霍尔探头（4）放置在零高斯腔内进行再次校零；

步骤S204：切换另外一组四个霍尔探头（4）与SENIS高斯计（7）相连 ，重复步骤S201至S203；

步骤S205：将函数关系式下传到SENIS高斯计（7）中并保存。

5.根据权利要求4所述的一种霍尔传感器校准装置的校准标定方法，其特征在于：所述步骤S202具体包括：

步骤S21：设定校准磁体（1）的磁感应强度初始值为B₀=2T，磁场变化步长为△B=100mT，最大磁感应强度Bmax=7T，校准点为1，2，…，50；

步骤S22：完成校准点N=1的数据采集后，改变校准磁体（1）的磁感应强度为B₁=B₀+△B，重复步骤S21，直到完成所有校准点N=50的数据采集；

步骤S23：调节恒流电源（9），改变温度值为T₁，重复步骤S21、S22；调节恒流电源（9），改变温度值为T₂，重复步骤S21、S22；调节恒流电源（9），改变温度值为T₃，重复步骤S21、S22。