CN111208454B - 一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种霍尔‑线圈复合式三维磁特性测量传感箱，包括六个霍尔‑线圈复合传感器和一个骨架；六个霍尔‑线圈复合传感器分别放置于骨架的六个面；每个霍尔‑线圈复合传感器均包括一个霍尔元件、一个霍尔元件电路板、一个B线圈、一个B线圈电路板和若干个垫板。本传感箱中的霍尔‑线圈复合传感器采用霍尔元件测量磁场强度H，B线圈测量磁感应强度B。霍尔元件精度高、线性好、频带宽、响应快；同时霍尔元件的使用减弱了由于挤压而造成H线圈安匝数不准对最终实验结果的影响。霍尔元件采用贴片式双轴型霍尔元件，可以测量垂直的双方向磁场，解决了目前不能测量同一点的双方向磁场强度的问题。

Description

一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱
技术领域
本发明涉及三维磁特性测量领域，具体是一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱。
背景技术
三维磁特性测量系统主要包括激磁系统、传感系统和数据处理系统。激磁结构是磁特性测量装置，通过柔性激磁线圈在待测样品中心产生一个三维磁场，可以将这个磁场控制成球形、椭球形以及其他不规则形状；传感系统是通过紧贴在样品表面的自制B-H传感器进行电压信号采集；数据处理系统由数据采集卡和用LabVIEW软件编写的DAQ数据采集程序组成，该系统将采集的电压信号经过一系列计算生成磁滞回线，进而得到样品的矫顽力、剩磁以及三维磁损耗。
目前较为通用的B-H传感器是由信号线绕制而成的传感线圈，B为圆形线圈，H为矩形线圈，将B线圈镶嵌在PCB板中心位置，H线圈则是套在PCB板上，位置也在板子的中心。在做B-H传感器定位时，是将做好的B-H传感器通过十字定位的方式粘在样品中心位置，进而测得待测样品的磁性指标。
传统的B-H传感器原理是应用电磁感应现象，在测量之前需要通过螺线管校正线圈的安匝数(NS)，由于三维测量装置是通过极头将样品紧固在中心区域，所以H线圈的安匝数会在安装时发生变化，导致最终测量结果不准确；另外，由于B线圈是包在H线圈内部的，所以不能保证B线圈紧贴样品表面，会造成最终的测量结果不准确；最后，之前的B-H传感器在定位时，应用的是十字定位法，在样品上画一个十字，将B-H传感器与所画十字对齐，再将传感器粘在样品表面，这将会引入很大的人为误差，最终导致了测量结果的不准确。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于该传感箱包括六个霍尔-线圈复合传感器和一个骨架；六个霍尔-线圈复合传感器分别放置于骨架的六个面；
每个霍尔-线圈复合传感器均包括一个霍尔元件、一个霍尔元件电路板、一个B线圈、一个B线圈电路板和若干个垫板；
所述霍尔元件固定在霍尔元件电路板的一侧面；所述霍尔元件电路板的双方向信号线焊盘通过信号线与外部的数据采集卡连接；所述霍尔元件电路板的电源线焊盘通过电源线与外界直流电源相连；所述B线圈固定于B线圈电路板的圆形通孔中；B线圈的两个输出端双绞后通固定在B线圈电路板的B线圈焊盘上，再通过信号线连接到外部的数据采集卡上；
霍尔元件电路板的具有霍尔元件的一面与垫板的一面连接，垫板的另一面与B线圈电路板的具有B线圈焊盘的一面连接，形成霍尔-线圈复合传感器，使得霍尔元件、所有的信号线和电源线均位于霍尔-线圈复合传感器的内侧；B线圈嵌套于霍尔元件外侧，两者互不接触，同时B线圈与霍尔元件平齐，测量时B线圈和霍尔元件均与样品贴合且正对样品的中心。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本传感箱中的霍尔-线圈复合传感器采用霍尔元件测量磁场强度H，B线圈测量磁感应强度B。霍尔元件精度高、线性好、频带宽、响应快；同时霍尔元件的使用减弱了由于挤压而造成H线圈安匝数不准对最终实验结果的影响。
(2)霍尔元件采用贴片式双轴型霍尔元件，可以测量垂直的双方向磁场，解决了目前不能测量同一点的双方向磁场强度的问题；同时，由于使用双轴霍尔元件，因此可以得到样品四个表面磁场强度H的平均值，使得测量数据更具有说服力。
(3)本传感箱中，在霍尔元件电路板、B线圈电路板、垫板、支柱、上顶板和下底板都开有出线孔，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出，不会出现部件压线造成测量不准确的问题，解决了目前传感箱引线的困难，并且可以做到5V直流供电线路与传感线路分开，减弱电源信号对测量的影响。
(4)本霍尔-线圈复合传感器可以保证B线圈和霍尔元件完全紧贴于样品表面，而且样品为块状样品，更加满足H1t＝H2t以及B1n＝B2n边界条件，使得测量数据更加准确。此外，B线圈和霍尔元件测量区域仍为样品表面的中心区域，使得测量数据更加准确。
(5)本传感箱的支柱、上顶板和下底板上都开有控深卡槽，其尺寸刚好与霍尔-线圈复合传感器相同，使得传感器可以嵌入控深卡槽内部，解决了目前传感箱因为使用十字定位法而引入的人为误差的问题，并且组装完成后，传感箱完全封闭，提高了数据测量的准确性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的传感箱的整体结构示意图；
图2为本发明一种实施例的霍尔-线圈复合传感器示意图；
图3为本发明一种实施例的霍尔元件电路板、霍尔元件和垫板的配合示意图；
图4为本发明一种实施例的B线圈电路板和B线圈的配合示意图；
图5为本发明一种实施例的骨架示意图；
图6为本发明一种实施例的上顶板和下底板的结构示意图；
图7为本发明一种实施例的支柱的结构示意图；
图8为本发明一种实施例的传感箱、样品和极靴配合的整体示意图；
图9为本发明一种实施例的传感箱、样品和极靴配合的爆炸示意图；
图10为本发明一种实施例的去掉上顶板后的传感箱、样品和极靴的配合示意图；
图11为本发明一种实施例的霍尔元件电路板的电路图；
图12为本发明实施例1的各个方向的霍尔-线圈复合传感器的测量布置示意图；
图13为本发明实施例1的某些方向的霍尔-线圈复合传感器与骨架的布置示意图；
图14为本发明实施例1的某些方向的霍尔-线圈复合传感器与骨架的布置示意图。
图中：1、霍尔-线圈复合传感器；2、骨架；3、上顶板；4、支柱；5、下底板；6、霍尔元件；7、霍尔元件电路板；8、B线圈；9、B线圈电路板；10、垫板；11、出线孔；12、B线圈焊盘；13、控深卡槽；14、正方向槽；15、样品；16、极靴；17、左侧霍尔-线圈复合传感器；18、右侧霍尔-线圈复合传感器；19、上侧霍尔-线圈复合传感器；20、下侧霍尔-线圈复合传感器；21、前侧霍尔-线圈复合传感器；22、后侧霍尔-线圈复合传感器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱(简称传感箱，参见图1-11)，其特征在于该传感箱包括六个霍尔-线圈复合传感器1和一个骨架2；六个霍尔-线圈复合传感器1分别放置于骨架2的六个面；
每个霍尔-线圈复合传感器1均包括一个霍尔元件6、一个霍尔元件电路板7、一个B线圈8、一个B线圈电路板9和若干个(优选2个)垫板10；
所述霍尔元件6通过锡焊固定在霍尔元件电路板7一侧面的中心位置；所述霍尔元件电路板7的双方向信号线焊盘通过信号线与外部的NI数据采集卡连接；所述霍尔元件电路板7的5V电源线焊盘通过电源线与外界直流电源相连；所述B线圈8嵌入B线圈电路板9中心处的圆形通孔中并用绝缘胶固定；B线圈8的两个输出端双绞后通过锡焊固定在B线圈电路板9的B线圈焊盘12上，再通过信号线连接到外部的NI数据采集卡上；
霍尔元件电路板7的具有霍尔元件6的一面通过绝缘胶与所有垫板10的一面粘贴连接，两个垫板10的另一面通过绝缘胶与B线圈电路板9的具有B线圈焊盘12的一面粘贴连接，形成霍尔-线圈复合传感器1，使得霍尔元件6、所有的信号线和电源线均位于霍尔-线圈复合传感器1的内侧；B线圈8嵌套于霍尔元件6外侧，两者互不接触，同时B线圈8和样品15接触的一面与霍尔元件6和样品15接触的一面平齐，测量时B线圈8和霍尔元件6均能够与样品15紧密贴合且正对样品15的中心，分别测量样品15的磁场和B值；所述霍尔-线圈复合传感器1具有B线圈8和霍尔元件6的一面紧贴于样品15，另一面紧贴于极靴16，这样可以模拟在样品15中心的测量，更具有说服力。
所述霍尔元件6为贴片式双轴型霍尔元件，型号为2SA-10芯片，可以测量垂直双方向的磁场强度H；所述霍尔元件电路板7为单面PCB板；所述B线圈8为细信号线绕制而成的圆形线圈；所述B线圈电路板9为单面PCB板；所述垫板10为双面PCB板，起到垫高B线圈8的作用，使得B线圈电路板9与霍尔元件电路板7有一定距离，防止B线圈8与霍尔元件6接触影响信号输出和测量结果；
所述霍尔元件电路板7的三条边上均开有出线孔11，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出，另外一边开有一个矩形缺口，为B线圈焊盘12的焊接预留空间，并保证信号线的顺利引出；所述B线圈电路板9的四条边上均开有出线孔11，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出；每个垫板10的外侧均开有出线孔11，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出。
霍尔元件电路板7的电路构成是：2SA-10芯片的PD引脚和GND引脚连接霍尔元件电路板7的GND；PC引脚、Vdd引脚和PV引脚连接5V直流电源VSUP的正极，直流电源VSUP的负极连接霍尔元件电路板7的GND；在Vdd引脚和霍尔元件电路板7的GND之间焊接有一个100nF的贴片电容，且电容靠近霍尔元件6；X_Out引脚与CO_Out引脚为x方向输出，X_Out引脚为正，CO_Out引脚为负；Y_Out引脚与CO_Out引脚为y方向输出，Y_Out引脚为正，CO_Out引脚为负。
所述骨架2包括四个支柱4、一个上顶板3和一个下底板5；四个支柱4的两端分别与上顶板3和下底板5通过M2*12的十字槽沉头螺钉固定连接，起支撑以及连接上顶板3与下底板5的作用；上顶板3和下底板5的尺寸和结构相同，中心均开有一个正方形槽14，用于放置极靴16；
在正方形槽14外侧的四条边各自开有一个控深卡槽13，位于传感箱内侧，长度为霍尔-线圈复合传感器1的宽度，深度和宽度均为霍尔-线圈复合传感器1的厚度，霍尔-线圈复合传感器1卡装在控深卡槽13中，为霍尔-线圈复合传感器1精确定位；所述支柱4的一个直角处开有一个控深卡槽13，位于传感箱内侧，长度为霍尔-线圈复合传感器1的宽度，深度和宽度均为霍尔-线圈复合传感器1的厚度，霍尔-线圈复合传感器1卡装在控深卡槽13中，为霍尔-线圈复合传感器1精确定位；
上顶板3和下底板5的四条边上均开有出线孔11，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出；支柱4的中间位置开有一个出线孔11，便于传感箱内部的信号线和电源线的引出。
实施例1
所述霍尔元件6的尺寸为6mm*5mm*1.5mm；所述霍尔元件电路板7尺寸为25.4mm*22mm*0.2mm，其三个边开有1.7mm*1.7mm的出线孔11，另外一边开有6mm*5.2mm的矩形槽；所述B线圈8采用0.04mm线径的细信号线绕制而成，内径6.8mm，外径8.6mm，厚度0.4mm；所述B线圈电路板9尺寸为25.4mm*22mm*0.4mm，四边开有1.7mm*1.7mm的出线孔11，中间开有一个直径8.6mm的圆形通孔；所述垫板10尺寸为25.4mm*3.5mm*1.1mm，其中一边开有一个1.7mm*1.7mm的出线孔11；
所述上顶板3和下底板5具有相同尺寸，外部尺寸为36mm*36mm*7mm，其36mm*36mm面的中心开有一个22mm*22mm*7mm的正方形槽14，用于放置极靴16；正方形槽14外侧的四条边各自开有一个22mm*1.7mm*1.7mm的控深卡槽13，且四条边各自开有一个1.7mm*1.7mm的出线孔11；所述支柱4的尺寸为7mm*7mm*22mm，每一个支柱4的一个直角处开有一个1.7mm*1.7mm*22mm的控深卡槽13，支柱4的中间位置开有一个1.7mm*1.7mm的出线孔11。信号线和电源线的线径为0.44mm。
本实施例中的六个霍尔-线圈复合传感器1分别为左侧霍尔-线圈复合传感器17、右侧霍尔-线圈复合传感器18、上侧霍尔-线圈复合传感器19、下侧霍尔-线圈复合传感器20、前侧霍尔-线圈复合传感器21和后侧霍尔-线圈复合传感器22。
组装时，将四个支柱4与下底板5相连，再将下侧霍尔-线圈复合传感器20水平嵌入到下底板5中，占据下底板5的两个控深卡槽13(位于前侧和后侧)；再将左侧霍尔-线圈复合传感器17和右侧霍尔-线圈复合传感器18插入下底板5剩余的两个控深卡槽13(位于左侧和右侧)中并分别卡住，然后将前侧霍尔-线圈复合传感器21和后侧霍尔-线圈复合传感器22分别插入支柱4上的控深卡槽13中，再将样品15放入；再将上侧霍尔-线圈复合传感器19水平卡入到上顶板3中，再将上顶板3与四个支柱4通过M2*12的十字槽沉头螺钉固定相连，最后将六块极靴16分别嵌入传感箱的六个面内(即骨架2的六个面，分别位于左侧霍尔-线圈复合传感器17、右侧霍尔-线圈复合传感器18、上侧霍尔-线圈复合传感器19、下侧霍尔-线圈复合传感器20、前侧霍尔-线圈复合传感器21和后侧霍尔-线圈复合传感器22的外侧)。
测量时，左侧霍尔-线圈复合传感器17和右侧霍尔-线圈复合传感器18中的B线圈测量x方向的磁感应强度B，取平均值后为最终x方向的B信号；前侧霍尔-线圈复合传感器21和后侧霍尔-线圈复合传感器22中的B线圈测量y方向的磁感应强度B，取平均值后为最终y方向的B信号；上侧霍尔-线圈复合传感器19和下侧霍尔-线圈复合传感器20中的B线圈测量z方向的磁感应强度B，取平均值后为最终z方向的B信号；
左侧霍尔-线圈复合传感器17和右侧霍尔-线圈复合传感器18中的霍尔元件测量y和z方向的磁场强度H；前侧霍尔-线圈复合传感器21和后侧霍尔-线圈复合传感器22中的霍尔元件测量x和z方向的磁场强度H；上侧霍尔-线圈复合传感器19和下侧霍尔-线圈复合传感器20中的霍尔元件测量x和y方向的磁场强度H；最后，x方向的磁场强度H由前侧霍尔-线圈复合传感器21、后侧霍尔-线圈复合传感器22、上侧霍尔-线圈复合传感器19和下侧霍尔-线圈复合传感器20取平均值得到；y方向的磁场强度H由左侧霍尔-线圈复合传感器17、右侧霍尔-线圈复合传感器18、上侧霍尔-线圈复合传感器19和下侧霍尔-线圈复合传感器20取平均值得到；z方向的磁场强度H由左侧霍尔-线圈复合传感器17、右侧霍尔-线圈复合传感器18、前侧霍尔-线圈复合传感器21和后侧霍尔-线圈复合传感器22取平均值得到。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于该传感箱包括六个霍尔-线圈复合传感器和一个骨架；六个霍尔-线圈复合传感器分别放置于骨架的六个面；
每个霍尔-线圈复合传感器均包括一个霍尔元件、一个霍尔元件电路板、一个B线圈、一个B线圈电路板和若干个垫板；
所述霍尔元件固定在霍尔元件电路板的一侧面；所述霍尔元件电路板的双方向信号线焊盘通过信号线与外部的数据采集卡连接；所述霍尔元件电路板的电源线焊盘通过电源线与外界直流电源相连；所述B线圈固定于B线圈电路板的圆形通孔中；B线圈的两个输出端双绞后固定在B线圈电路板的B线圈焊盘上，再通过信号线连接到外部的数据采集卡上；
霍尔元件电路板的具有霍尔元件的一面与垫板的一面连接，垫板的另一面与B线圈电路板的具有B线圈焊盘的一面连接，形成霍尔-线圈复合传感器，使得霍尔元件、所有的信号线和电源线均位于霍尔-线圈复合传感器的内侧；B线圈嵌套于霍尔元件外侧，两者互不接触，同时B线圈与霍尔元件平齐，测量时B线圈和霍尔元件均与样品贴合且正对样品的中心。
2.根据权利要求1所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于霍尔元件固定在霍尔元件电路板一侧面的中心位置；所述B线圈嵌入B线圈电路板中心处的圆形通孔中并用绝缘胶固定。
3.根据权利要求1所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于测量时霍尔-线圈复合传感器具有B线圈和霍尔元件的一面紧贴于样品，另一面紧贴于极靴，用于模拟在样品内部测量。
4.根据权利要求1所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于所述霍尔元件为贴片式双轴型霍尔元件，型号为2SA-10芯片；所述B线圈为信号线绕制而成的圆形线圈。
5.根据权利要求1或4所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于霍尔元件电路板的电路构成是2SA-10芯片的PD引脚和GND引脚连接霍尔元件电路板的GND；PC引脚、Vdd引脚和PV引脚连接5V直流电源VSUP的正极，直流电源VSUP的负极连接霍尔元件电路板的GND；在Vdd引脚和霍尔元件电路板的GND之间焊接有一个100nF的贴片电容，且电容靠近霍尔元件6；X_Out引脚与CO_Out引脚为x方向输出，X_Out引脚为正，CO_Out引脚为负；Y_Out引脚与CO_Out引脚为y方向输出，Y_Out引脚为正，CO_Out引脚为负。
6.根据权利要求1所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于所述霍尔元件电路板为单面PCB板；所述B线圈电路板为单面PCB板；所述垫板为双面PCB板，使得B线圈电路板与霍尔元件电路板有距离，防止B线圈与霍尔元件接触影响信号输出和测量结果。
7.根据权利要求1所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于所述霍尔元件电路板的三条边上均开有出线孔，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出，另外一边开有一个矩形缺口，为B线圈焊盘的焊接预留空间，并保证信号线的顺利引出；所述B线圈电路板的四条边上均开有出线孔，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出；每个垫板的外侧均开有出线孔，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出。
8.根据权利要求1所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于所述骨架包括四个支柱、一个上顶板和一个下底板；四个支柱的两端分别与上顶板和下底板连接；上顶板和下底板的结构相同，中心均开有一个正方形槽，用于放置极靴。
9.根据权利要求8所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于在正方形槽外侧的四条边各自开有一个控深卡槽，位于传感箱内侧，长度为霍尔-线圈复合传感器的宽度，深度和宽度均为霍尔-线圈复合传感器的厚度；支柱的一个直角处开有一个控深卡槽，位于传感箱内侧，长度为霍尔-线圈复合传感器的宽度，深度和宽度均为霍尔-线圈复合传感器的厚度；霍尔-线圈复合传感器卡装在控深卡槽中，为霍尔-线圈复合传感器精确定位。
10.根据权利要求8所述的霍尔-线圈复合式三维磁特性测量传感箱，其特征在于上顶板和下底板的四条边上均开有出线孔，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出；支柱开有出线孔，便于传感箱内部的信号线和电源线的顺利引出。
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