CN114910834B - 一种磁场测量方法以及磁场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种磁场测量方法以及磁场测量系统，方法包括：将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且磁场生成装置固定在三轴位移台上，芯片对磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过三轴位移台对磁场生成装置的位置进行调整，以对均匀磁场的方向进行调整，直至霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度。若霍尔片的霍尔电压为零，说明霍尔片所在位置的磁场垂直于霍尔片的输入电流；且霍尔片的霍尔电压不会出现饱和，能够对强磁场进行测量，量程大。

Description

一种磁场测量方法以及磁场测量系统

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种磁场测量方法以及磁场测量系统。

背景技术

在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应，根据霍尔效应制作的霍尔片，在磁场测量过程中，存在如下问题：

1）霍尔效应测量的是“与电流方向垂直的磁场”，由于磁场看不见摸不着，用户在使用过程中，往往凭借经验在待测位置上放置霍尔片，不能保证待测位置的磁场与霍尔片上施加的电流方向垂直，由此，导致待测位置的磁场的磁感应强度的精准不高；

2）当待测位置的磁场的磁感应强度超过0.05T时，霍尔片的霍尔电压出现饱和，因此，霍尔片仅适用于磁感应强度低的情况，存在量程小的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种磁场测量方法以及磁场测量系统。

本发明的一种磁场测量方法的技术方案如下：

将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与所述均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且所述磁场生成装置固定在三轴位移台上；

芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在所述霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度。

本发明的一种磁场测量方法的有益效果如下：

一方面，磁场生成装置生成的均匀磁场与霍尔片所在位置的的磁场叠加后，若霍尔片的霍尔电压为零，说明霍尔片所在位置的磁场垂直于霍尔片的输入电流；另一方面，霍尔片的霍尔电压不会出现饱和，能够对强磁场进行测量，量程大。

本发明的一种磁场测量系统的技术方案如下：

包括芯片、磁场生成装置、三轴位移台和霍尔片，所述芯片用于：芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在所述霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度，其中，将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与所述均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且所述磁场生成装置固定在三轴位移台上。

本发明的一种磁场测量系统的有益效果如下：

一方面，磁场生成装置生成的均匀磁场与霍尔片所在位置的的磁场叠加后，若霍尔片的霍尔电压为零，说明霍尔片所在位置的磁场垂直于霍尔片的输入电流；另一方面，霍尔片的霍尔电压不会出现饱和，能够对强磁场进行测量，量程大。

附图说明

图1为本发明实施例的一种磁场测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的一种磁场测量系统的结构示意图；

图3为确定平面板与霍尔片是否平行的结构示意图；

图4为确定目标调整角度的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的一种磁场测量方法，包括如下步骤：

S1、将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与所述均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且所述磁场生成装置固定在三轴位移台上，其中，磁场生成装置为亥姆霍兹线圈或螺线管等，以磁场生成装置为亥姆霍兹线圈为例进行论述，亥姆霍兹线圈的均匀磁场区可通过计算确定，均匀磁场区能产生单向的均匀磁场，其中，优选采用非金属材质制成的三轴位移台，如图2所示。

其中，霍尔片与磁场生成装置固定连接，可通过连杆等方式进行固定连接。其中，使霍尔片与均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，由于均匀磁场的方向与磁场生成装置相关，可借助于磁场生成装置作为参照，以现在机械上的准直技术实现霍尔片与均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直。

S2、芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在所述霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度，具体地：

首先，芯片通过控制第一电流源在磁场生成装置施加电流，使磁场生成装置如亥姆霍兹线圈生成均匀磁场，该均匀磁场稳定存在均匀磁场区内，芯片通过控制第二电流源在霍尔片上施加恒定的电流，一般为微安量级，此时得到霍尔片输出霍尔电压，然后，芯片施加在亥姆霍兹线圈的上的电流大小进行调整，以对磁场生成装置如亥姆霍兹线圈所产生的均匀磁场进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至霍尔片的霍尔电压为零，原因如下：

磁场生成装置生成的均匀磁场与待测位置的磁场的磁感应强度叠加后，若此时霍尔片的霍尔电压为零，说明待测的磁场垂直于霍尔片的输入电流。

此时通过亥姆霍兹线圈的尺寸和当前施加的电流，能够计算出亥姆霍兹线圈的当前均匀磁场的大小和方向，霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度与亥姆霍兹线圈的当前均匀磁场的磁感应强度大小相等，方向相反。

另一方面，由于是将霍尔片的霍尔电压调值零，所以霍尔片的霍尔电压不会出现饱和，能够对强磁场进行测量，量程大。

需要说明的是：在实际操作中，霍尔片的霍尔电压很难为零，一般可将5微伏以内的霍尔电压即可视为零，也可根据实际情况设置。

可选地，在上述技术方案中，还包括：

当磁源为贴合在平面板上的磁力矩器时，且当待测位置位于磁力矩器的磁芯的轴线上时，芯片通过拍摄装置获取至少含有平面板、磁力矩器和霍尔片的图像，并根据图像的像素确定平面板与霍尔片是否平行，得到判断结果，当判断结果为是时，确定磁力矩器平行贴合在平面板上。将霍尔片放置于待测位置处，此时霍尔片所在位置的磁场，即为待测位置的磁场，如图3所示，具体地：

获取平面板所在位置的任一列像素作为第一对比列像素，获取霍尔片所在位置的任一列像素作为第二对比列像素，计算第一对比列像素与第二对比列像素中的同行之间的两个像素之间的间隔像素数量，若都相等，则说明平面板与霍尔片平行，即判断结果为是；

而且，由于磁场生成装置生成的均匀磁场与待测位置的磁场的磁感应强度叠加后，待测位置的磁场为零，此时霍尔片的霍尔电压为零，说明待测位置的磁场垂直于霍尔片的输入电流，也就说明，磁力矩器的磁芯的轴线垂直于霍尔片，由于平面板与霍尔片平行，则确定磁力矩器平行贴合在平面板上。

在另外一个实施例中，可通过图像识别的方式确定平面板与霍尔片是否平行。

在空间站、卫星或飞行器等一些应用场景中，磁力矩器必须平行贴合在平面板上，通过含有平面板、磁力矩器和霍尔片的图像中的像素，能够快速确定平面板与霍尔片是否平行，进而确定磁力矩器是否平行贴合在平面板上。

可选地，在上述技术方案中，还包括：

当判断结果为否时，在图像上建立二维坐标系，将平面板、磁力矩器的磁芯的轴线的轴线和霍尔片映射到二维坐标系中，计算得到平面板的目标调整角度，根据目标调整角度对平面板进行调整，直至使判断结果为是。

其中，如图4所示，可以以图像上任一点作为原点O，建立二位坐标系xoy，将平面板、磁力矩器的磁芯的轴线的轴线和霍尔片映射到二维坐标系中，此时能够确定平面板所在直线的一维函数、霍尔片所在直线的函数，生成霍尔片所在直线的平行线，与平面板所在直线产生交点p，由此确定出平面板的目标调整角度A，根据目标调整角度对平面板进行调整，具体通过加垫、去除材料或更换平面板的方式对平面板进行调整，直至使判断结果为是。

通过建立二维坐标系，就能够快速确定平面板的目标调整角度，相比于目前“人工凭经验调整”的方式，或“在平面板和磁力矩器分别建立三维坐标系并计算”的方式，精度高，效率高。

可选地，在上述技术方案中，S2中，芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，直至霍尔片的霍尔电压为零的过程，包括：

S20、通过三轴位移台磁场生成装置的位置进行调整，由于霍尔片固定在磁场生成装置上，也就是对霍尔片进行调整，记录一系列的霍尔电压，将磁场生成装置停留在最大霍尔电压时所对应的位置，此时，待测的磁场垂直于霍尔片的电流；

S21、芯片至少两次在磁场生成装置施加电流，每个电流对应输出一个霍尔电压，拟合建立电流与霍尔电压之间的线性函数，根据线性函数计算霍尔电压为零时所对应的目标电流，在磁场生成装置施加目标电流，以使霍尔片的霍尔电压为零。

以磁场生成装置为亥姆霍兹线圈为例进行说明，亥姆霍兹线圈在均匀磁场区的磁感应强度的大小与施加的电流成正比，霍尔电压与待测位置的磁感应强度的大小成正比，因此通过两组电流-霍尔电压的数据，就能够拟合建立电流与霍尔电压之间的线性函数，根据线性函数计算霍尔电压为零时所对应的目标电流，在磁场生成装置施加目标电流，以使霍尔片的霍尔电压为零。

也就是说，通过在磁场生成装置施加三次电流，就能够以使霍尔片的霍尔电压为零，精度高，效率快。

在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图2所示，本发明实施例的一种磁场测量系统，包括芯片、磁场生成装置、三轴位移台和霍尔片，所述芯片用于：芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在所述霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度，其中，将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与所述均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且所述磁场生成装置固定在三轴位移台上。

一方面，磁场生成装置生成的均匀磁场与霍尔片所在位置的的磁场叠加后，若霍尔片的霍尔电压为零，说明霍尔片所在位置的磁场垂直于霍尔片的输入电流；另一方面，霍尔片的霍尔电压不会出现饱和，能够对强磁场进行测量，量程大。

可选地，在上述技术方案中，芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，直至霍尔片的霍尔电压为零的过程，包括：

通过三轴位移台磁场生成装置的位置进行调整，由于霍尔片固定在磁场生成装置上，也就是对霍尔片进行调整，记录一系列的霍尔电压，将霍尔片在最大霍尔电压处进行固定，此时，说明待测的磁场垂直于霍尔片的电流；

芯片至少两次在磁场生成装置施加电流，每个电流对应输出一个霍尔电压，拟合建立电流与霍尔电压之间的线性函数，根据线性函数计算霍尔电压为零时所对应的目标电流，在磁场生成装置施加目标电流，以使霍尔片的霍尔电压为零。

可选地，在上述技术方案中，芯片还用于：

当磁源为贴合在平面板上的磁力矩器时，且当待测位置位于磁力矩器的磁芯的轴线上时，芯片通过拍摄装置获取至少含有平面板、磁力矩器和霍尔片的图像，并根据图像的像素确定平面板与霍尔片是否平行，得到判断结果，当判断结果为是时，确定磁力矩器平行贴合在平面板上。

采用上述进一步方案的有益效果是：在空间站或飞行器等一些应用场景中，磁力矩器必须平行贴合在平面板上，通过含有平面板、磁力矩器和霍尔片的图像中的像素，能够快速确定平面板与霍尔片是否平行，进而确定磁力矩器是否平行贴合在平面板上。

可选地，在上述技术方案中，根据图像的像素确定平面板与霍尔片是否平行的过程，包括：

获取并将平面板所在位置的任一列像素作为第一对比列像素，获取并将霍尔片所在位置的任一列像素作为第二对比列像素，计算第一对比列像素与第二对比列像素中的同行之间的两个像素之间的间隔像素数量是否均相等，若是，则判断结果为是。

可选地，在上述技术方案中，芯片还用于：

当判断结果为否时，在图像上建立二维坐标系，将平面板、磁力矩器的磁芯的轴线的轴线和霍尔片映射到二维坐标系中，计算得到平面板的目标调整角度，根据目标调整角度对平面板进行调整，直至使判断结果为是。

通过建立二维坐标系，就能够快速确定平面板的目标调整角度，相比于目前“人工凭经验调整”的方式，或“在平面板和磁力矩器分别建立三维坐标系并计算”的方式，精度高，效率高。

可选地，在上述技术方案中，芯片对均匀磁场进行调整的过程包括：

通过三轴位移台磁场生成装置的位置进行调整，由于霍尔片固定在磁场生成装置上，也就是对霍尔片进行调整，记录一系列的霍尔电压，将磁场生成装置停留在最大霍尔电压时所对应的位置，此时，待测的磁场垂直于霍尔片的电流；

芯片至少两次在磁场生成装置施加电流，每个电流对应输出一个霍尔电压，拟合建立电流与霍尔电压之间的线性函数，根据线性函数计算霍尔电压为零时所对应的目标电流，在磁场生成装置施加目标电流，以使霍尔片的霍尔电压为零。

可选地，在上述技术方案中，磁场生成装置为亥姆霍兹线圈或螺线管。

上述关于本发明的一种磁场测量系统中的各参数和各个单元模块实现相应功能的步骤，可参考上文中关于一种磁场测量方法的实施例中的各参数和步骤，在此不做赘述。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种磁场测量方法，其特征在于，包括：

将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与所述均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且所述磁场生成装置固定在三轴位移台上；

芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在所述霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度。

2.根据权利要求1所述的一种磁场测量方法，其特征在于，还包括：

当磁源为贴合在平面板上的磁力矩器时，且当待测位置位于所述磁力矩器的磁芯的轴线上时，芯片通过拍摄装置获取至少含有所述平面板、磁力矩器和霍尔片的图像，并根据所述图像的像素确定所述平面板与所述霍尔片是否平行，得到判断结果，当所述判断结果为是时，确定所述磁力矩器平行贴合在所述平面板上。

3.根据权利要求2所述的一种磁场测量方法，其特征在于，所述根据所述图像的像素确定所述平面板与所述霍尔片是否平行，得到判断结果，包括：

获取并将所述平面板所在位置的任一列像素作为第一对比列像素，获取并将所述霍尔片所在位置的任一列像素作为第二对比列像素，计算所述第一对比列像素与所述第二对比列像素中的同行之间的两个像素之间的间隔像素数量是否均相等，若是，则所述判断结果为是。

4.根据权利要求2所述的一种磁场测量方法，其特征在于，还包括：

当所述判断结果为否时，在所述图像上建立二维坐标系，将所述平面板、所述磁力矩器的磁芯的轴线和霍尔片映射到所述二维坐标系中，计算得到所述平面板的目标调整角度，根据所述目标调整角度对所述平面板进行调整，直至使所述判断结果为是。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种磁场测量方法，其特征在于，所述磁场生成装置为亥姆霍兹线圈或螺线管。

6.一种磁场测量系统，其特征在于，包括芯片、磁场生成装置、三轴位移台和霍尔片，所述芯片用于：芯片对所述磁场生成装置的施加电流进行调整，以对均匀磁场的大小的进行调整，并通过所述三轴位移台对所述磁场生成装置的位置进行调整，以对所述均匀磁场的方向进行调整，直至所述霍尔片的霍尔电压为零，根据当前均匀磁场，确定磁源在所述霍尔片所在位置的磁场的磁感应强度，其中，将霍尔片与磁场生成装置固定连接，霍尔片位于磁场生成装置的均匀磁场区内，且使霍尔片与所述均匀磁场区的均匀磁场的方向垂直，且所述磁场生成装置固定在三轴位移台上。

7.根据权利要求6所述的一种磁场测量系统，其特征在于，所述芯片还用于：

当磁源为贴合在平面板上的磁力矩器时，且当待测位置位于所述磁力矩器的磁芯的轴线上时，通过拍摄装置获取至少含有所述平面板、磁力矩器和霍尔片的图像，并根据所述图像的像素确定所述平面板与所述霍尔片是否平行，得到判断结果，当所述判断结果为是时，确定所述磁力矩器平行贴合在所述平面板上。

8.根据权利要求7所述的一种磁场测量系统，其特征在于，所述根据所述图像的像素确定所述平面板与所述霍尔片是否平行的过程，包括：

获取并将所述平面板所在位置的任一列像素作为第一对比列像素，获取并将所述霍尔片所在位置的任一列像素作为第二对比列像素，计算所述第一对比列像素与所述第二对比列像素中的同行之间的两个像素之间的间隔像素数量是否均相等，若是，则所述判断结果为是。

9.根据权利要求7所述的一种磁场测量系统，其特征在于，所述芯片还用于：

当所述判断结果为否时，在所述图像上建立二维坐标系，将所述平面板、所述磁力矩器的磁芯的轴线和霍尔片映射到所述二维坐标系中，计算得到所述平面板的目标调整角度，根据所述目标调整角度对所述平面板进行调整，直至使所述判断结果为是。

10.根据权利要求6至9任一项所述的一种磁场测量系统，其特征在于，所述磁场生成装置为亥姆霍兹线圈或螺线管。

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