CN116087838A - 一种基于桥式电路强磁场测量装置、测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于桥式电路强磁场测量装置、测试方法。其中测试装置包括：第一感应线圈和第二感应线圈，分别位于被测磁体和标准磁体中；标准磁体的磁感应强度已知；驱动模块，用于同时控制第一感应线圈和第二感应线圈分别在被测磁体及标准磁体中旋转，产生第一感应电动势和第二感应电动势；桥式调节电路，用于对第一感应线圈和第二感应线圈进行标定，获得第一感应线圈和第二感应线圈的面积因子的比值；在测量被测磁体的磁感应强度时对输入的第一感应电动势和第二感应电动势进行指零处理，获得第一感应电动势和第二感应电动势的比例系数；基于面积因子的比值、比例系数和标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

Description

一种基于桥式电路强磁场测量装置、测量方法

技术领域

本发明涉及计量测试仪表领域，更具体地，涉及一种基于桥式电路强磁场测量装置、测试方法。

背景技术

强磁场一般指的是磁感应强度超过2T的磁场，目前世界范围内最高的稳态强磁场已经达到45T。超高磁场应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、国防特种装备、高精度的科学仪器以及农业应用都具有重要的意义。针对强磁场测量，主要有三类测量方法：核磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法。其中，核磁共振法是测量精度最高的，但其需要的磁场均匀度很高，且高场下无法测量，结构复杂。霍尔效应法和电磁感应法均可用于高场下测量，无特殊要求，结构简单。霍尔效应法广泛应用于超高磁场的测量，但测量非线性，需要进行修正。电磁感应法工作原理基于法拉第电磁感应定律，可同时测量恒定磁场和交变磁场，精度远高于基于霍尔效应法的磁场测量装置，且测量线性度高。然而如果使用传统的感应线圈法，存在线圈面积标定准确度不高的问题，从而引起测量精度等指标的下降。

因此，期待一种新的强磁场测量装置及方法，能够解决传统感应线圈法中线圈面积因子标定准确度不高的问题。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于桥式电路强磁场测量装置、测试方法，能够提高被测磁体磁感应强度的准确性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于桥式电路强磁场测量装置，用于测量被测磁体的磁感应强度，测量装置包括：

第一感应线圈和第二感应线圈，分别位于所述被测磁体和标准磁体中；所述标准磁体的磁感应强度已知；

驱动模块，用于同时控制所述第一感应线圈和所述第二感应线圈分别在所述被测磁体及所述标准磁体中旋转，产生第一感应电动势和第二感应电动势；

桥式调节电路，用于在测量被测磁体的磁感应强度前对所述第一感应线圈和所述第二感应线圈进行标定，获得所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值；在测量被测磁体的磁感应强度时对输入的所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行指零处理，获得所述第一感应电动势和所述第二感应电动势的比例系数；

基于所述面积因子的比值、所述比例系数和所述标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

可选方案中，所述桥式调节电路包括：

第一信号调理模块和第二信号调理模块，分别用于对所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行滤波移相；

比例分压器，连接于所述第一信号调理模块的输出端，用于对滤波移相后的所述第一感应电动势进行分压；

差动放大器，第一输入端连接于所述比例分压器的输出端，第二输入端连接于所述第二信号调理模块的输出端；

指零仪，连接于所述差动放大器的输出端。

可选方案中，所述测量装置包括第一导电滑环和第二导电滑环，分别连接于所述第一感应线圈的绕线两端和所述第二感应线圈的绕线两端；所述第一导电滑环和所述第二导电滑环的输出分别连接于所述第一信号调理模块和所述第二信号调理模块的输入端。

可选方案中，所述第一信号调理模块包括依次连接的第一滤波器、第一移相器和第一跟随器；所述第二信号调理模块包括依次连接的第二滤波器、第二移相器和第二跟随器；其中所述第一跟随器的输出端连接于所述比例分压器的输入端，所述第二跟随电路的输出端连接于所述差动放大器的所述第二输入端。

可选方案中，所述第一线圈和所述第二线圈的骨架为无磁材料，且热膨胀系数低于80*10^-6/k。

可选方案中，所述第一信号调理模块、所述第二信号调理模块和所述差动放大器采用正负双轨电源进行供电。

可选方案中，所述第一导电滑环和所述第二导电滑环为无磁材料。

本发明还提供了一种基于桥式电路强磁场测量方法，基于上述的测量装置，该方法包括：

对所述第一感应线圈和所述第二感应线圈进行标定，获得所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值；

标定完成后，所述驱动模块同时控制所述第一感应线圈和所述第二感应线圈旋转，产生第一感应电动势和第二感应电动势；

通过所述桥式调节电路对输入的所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行指零处理，获得所述第一感应电动势和所述第二感应电动势的比例系数；基于所述面积因子的比值、所述比例系数和所述标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

可选方案中，所述标定的方法包括：

使用所述第一感应线圈测量磁体1，得到感应电动势Em1；使用第二感应线圈测量磁体2，得到感应电动势Em2；

通过调节桥式调节电路，使

E_m1-α₁E_m2＝Δ₁，则

然后使用所述第一感应线圈测量磁体2，得到感应电动势Em3；使用所述第二感应线圈测量磁体1，得到感应电动势Em4；

通过调节桥式调节电路，使

E_m4-α₂E_m3＝Δ₂则

另式(3)除以式(6)，得到

另

k为所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值，将

代入式(7)求解得到

其中，α₁，α₂，Δ₁，Δ₂为已知。

可选方案中，求取所述被测磁体的磁感应强度包括：

产生的所述第一感应电动势E1和所述第二感应电动势E2分别为：

其中，B₁为被测磁体的磁感应强度，B₂为标准磁体的磁感应强度；ω为线圈旋转角速度；

和

为相移；

调整所述桥式调节电路，使

当所述桥式调节电路的指零仪指零时，则

E₁-αE₂＝Δ (11)

将式(9)(10)代入式(11)，化简得到

B₁＝B₂·α·k+Δ′ (12)

上式中：α为所述桥式调节电路中比例分压器的分压比，

式中α，k已知；Δ′由式(11)中Δ求取，

本发明的有益效果在于：

本发明采用两组感应线圈同步旋转并互换的方法使单线圈面积因子绝对值标定变成了双线圈面积因子比例标定，准确度大大提升，桥式法的应用使得系统抗干扰能力、噪声抑制能力均得到提高。本发明装置的测量范围由比例分压器的分压比确定，由于比例分压器经过校准后精度很高，比例范围大，既能扩大测量范围，还能保证装置的测量准确度。

本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的基于桥式电路的强磁场测量装置的结构示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的基于桥式电路的强磁场测量装置的信号处理原理图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的标定感应线圈的方式的示意图。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

实施例1

参照图1，本发明还提供一种基于桥式电路强磁场测量装置，用于测量被测磁体的磁感应强度，包括：

第一感应线圈2和第二感应线圈3，分别位于所述被测磁体和标准磁体中；所述标准磁体的磁感应强度已知；

驱动模块，用于同时控制所述第一感应线圈2和所述第二感应线圈3分别在所述被测磁体及所述标准磁体中旋转，产生第一感应电动势E1和第二感应电动势E2；

桥式调节电路，用于在测量被测磁体的磁感应强度前对所述第一感应线圈2和所述第二感应线圈3进行标定，获得所述第一感应线圈2和所述第二感应线圈3的面积因子的比值；在测量被测磁体的磁感应强度时对输入的所述第一感应电动势E1和所述第二感应电动势E2进行指零处理，获得所述第一感应电动势E1和所述第二感应电动势E2的比例系数；

基于所述面积因子的比值、所述比例系数和所述标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

具体地，本实施例中，驱动模块包括电机1和与电机1连接的传动装置。所述桥式调节电路包括：第一信号调理模块6和第二信号调理模块7，分别用于对所述第一感应电动势E1和所述第二感应电动势E2进行滤波移相；比例分压器8，连接于所述第一信号调理模块6的输出端，用于对滤波移相后的所述第一感应电动势E1进行分压；差动放大器9，第一输入端连接于所述比例分压器8的输出端，第二输入端连接于所述第二信号调理模块7的输出端；指零仪10，连接于所述差动放大器9的输出端。

电机1带动第一感应线圈2和第二感应线圈3在被测磁体及标准磁体中同时旋转，产生第一感应电动势E1和第二感应电动势E2。同步输出的2路感应电动势信号，分别输入到第一信号调理模块6和第一信号调理模块7进行信号的调理，调理后的第一感应电动势E1输出到比例分压器8进行分压，然后分压后的感应电动势和第二感应电动势E2同时输入到差动放大器9进行处理，差动放大器9将第一感应电动势E1，第二感应电动势E2的差值输入到指零仪10中进行指零处理。指零仪10为交流信号指零仪，可选用锁相放大器。

所述强磁场测量装置一路感应电动势E1通过第一信号调理模块6、比例分压器8准确分压后与通过第二信号调理模块7的第二路感应电动势E2进行比较；所述比例分压器8比例可调，并且提前校准。差动放大器9可实现2路交流信号的运算，可选用仪表放大器。

所述第一信号调理模块6包括依次连接的第一滤波器、第一移相器和第一跟随器；所述第二信号调理模块7包括依次连接的第二滤波器、第二移相器和第二跟随器；其中所述第一跟随器的输出端连接于所述比例分压器8的输入端，所述第二跟随电路的输出端连接于所述差动放大器9的第二输入端。

参照图2，第一滤波器包括电阻R3、电阻R4、电容C3、电容C4、运放U1，第一移相器包括电阻R7、电阻R8、电阻R10、电容C6、运放U2，第一跟随器为运放U3，第二滤波器包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、运放U4，第二移相器包括电阻R5、电阻R6、电阻R9、电容C5、运放U5，第二跟随器为运放U6。

所述测量装置包括第一导电滑环4和第二导电滑环5，分别连接于所述第一感应线圈2的绕线两端和所述第二感应线圈3的绕线两端；所述第一导电滑环4和所述第二导电滑环5的输出分别连接于所述第一信号调理模块6和所述第二信号调理模块7的输入端。使用第一导电滑环4和第二导电滑环5将感应电动势输出，且第一导电滑环4和第二导电滑环5材质为无磁材料。第一感应线圈2和第二感应线圈3的骨架材质为无磁材料，且热膨胀系数低于80*10^-6/k，可选取石英材料。

所述第一信号调理模块6、所述第二信号调理模块7和所述差动放大器9采用正负双轨电源11进行供电。本实施例采用两组18V电池串联，取两组电池连接点作为参考地AGND，从而得到±18V双轨电源，再经线性稳压器转换为所需电压。

实施例2

本发明另一实施例提供了一种基于桥式电路强磁场测量方法，基于上述的测量装置，该方法包括：

对所述第一感应线圈和所述第二感应线圈进行标定，获得所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值；

标定完成后，所述驱动模块同时控制所述第一感应线圈和所述第二感应线圈旋转，产生第一感应电动势和第二感应电动势；

通过所述桥式调节电路对输入的所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行指零处理，获得所述第一感应电动势和所述第二感应电动势的比例系数；基于所述面积因子的比值、所述比例系数和所述标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

具体地，参照图3，首先进行感应线圈的标定。两个磁体，磁体1和磁体2，其磁感应强度分别Bm，Bn；两个线圈，第一感应线圈2，第二感应线圈3，线圈面积因子分别为N₁S₁，N₂S₂；线圈旋转的角速度为ω。电机1通过传动装置同时控制第一感应线圈2，第二感应线圈3分别在被磁体1及磁体2中旋转；即使用第一感应线圈2测量磁体1，得到感应电动势Em1；使用第二感应线圈3测量磁体2，得到感应电动势Em2。

通过第一调节信号调理模块6、第二调节信号调理模块7及比例分压器8，使

E_m1-α₁E_m2＝Δ₁，则

式(3)中Δ₁的值可由指零仪10读出。

然后将装置对调过来，电机1通过传动装置同时控制第一感应线圈2，第二感应线圈3分别在被磁体2及磁体1中旋转，即使用第一感应线圈2测量磁体2，得到感应电动势Em3；使用第二感应线圈3测量磁体1，得到感应电动势Em4。

通过调节第一信号调理模块6、第一信号调理模块7及比例分压器8使

E_m4-α₂E_m3＝Δ₂，则

式(6)中Δ₂的值可由指零仪10读出。

另式(3)除以式(6)，即得到

另

k为第一感应线圈2和第二感应线圈3的面积因子的比值，将

代入式(7)求解得到

式(8)中，α₁，α₂，Δ₁，Δ₂已知，则就可以求解出k。

通过该方法标定线圈的优点有：使原来绝对值的标定变成比例标定，使系统测量的准确度提高；电源的波动，电机的振动等外界因素都可在该方法中抵消。同时校准线圈时，可选择2个磁感应强度相同磁场，这样可以设置比例分压器的分压比为1。

线圈标定完成后，以标准磁体为基准，根据标定过的面积因子比例对被测磁体磁感应强度进行测量。电机1通过传动装置同时控制第一感应线圈2、第二感应线圈3分别在被测强磁体及标准磁体中旋转。本实施例中电机1型号为松下A6款伺服电机，转速为60rad/min。本实施例中传动装置由传动轴、锥齿轮、传送带、同步齿轮、蜗杆组成。传动轴设计成内六角结构与电机1连接实现动力的传输，传动轴带动2个相互垂直锥齿轮实现旋转方向由轴向转换成竖直方向，锥齿轮通过蜗杆与同步齿轮实现同步转动，传送带连接2个同步齿轮实现第一感应线圈2、第二感应线圈3在磁场中顺利旋转，切割磁场方向。本实施例中被测磁体的磁场为静磁场，磁场方向为轴向。标准磁体的磁场为静磁场，磁场方向为轴向。

第一感应线圈2、第二感应线圈3在磁场中旋转切割磁场分别产生感应电动势E₁，E₂。本实施例中第一感应线圈2、第二感应线圈3由漆包线缠绕在温度系数小，不宜变形的石英骨架制作而成。

感应电动势E₁，E₂分别为：

上式中：B₁为被测磁体的磁感应强度，B₂为标准磁体的磁感应强度；ω为线圈旋转角速度。

第一感应线圈2、第二感应线圈3的绕线两端分别连接到第一导电滑环4、第二导电环5输入端，不仅实现信号的传输而且解决了感应线圈旋转过程中出现的导线缠绕的问题。本实施例中第一导电滑环4、第二导电环5的材质为无磁材料。

第一导电滑环4、第二导电环5的输出分别连接到第一信号调理模块6、第二信号调理模块7的输入，第一信号调理模块包括依次连接的第一滤波器、第一移相器和第一跟随器；所述第二信号调理模块包括依次连接的第二滤波器、第二移相器和第二跟随器；其中所述第一跟随器的输出端连接于所述比例分压器的8输入端，所述第二跟随电路的输出端连接于所述差动放大器9的一第二输入端。两个滤波器为二阶有缘滤波器，截止频率为10Hz；两个移相器的移相范围为0-180°，移相使

第一信号调理模块6的输出连接比例分压器8的输入，本实施例中比例分压器8分压比为α，α已知。比例分压器8的输出连接到差动放大器9的负输入端，第二信号调理模块7的输出连接到差动放大器9的正输入端。本实施例中差动放大器9所选器件为仪表放大器。差动放大器9的输出连接到指零仪10的输入。本实施例中指零仪10为选用锁相放大器。

根据比例分压器8的分压比，当指零仪10指零时，则

E₁-αE₂＝Δ (11)

将式(9)(10)代入式(11)，化简得到

B₁＝B₂·α·k+Δ′(12)

上式中：α为比例分压器8的分压比，

式中α，k已知。Δ′的值趋于零，可由式(11)中Δ求取，

已知标准磁体的磁感应强度B2，就可根据式(12)的到被测磁体磁感应强度B1。本发明解决了传统感应线圈法中线圈面积因子标定准确度不高的问题。本发明采用两组感应线圈同步旋转并互换的方法使单线圈面积因子绝对值标定变成了双线圈面积因子比例标定，通过两路电动势感应信号及信号调理电路组成桥式电路提高系统抗干扰能力和噪声抑制能力；首先对第一感应线圈2、第二感应线圈3面积因子的比例进行标定，标定时无需知道两个磁体磁感应强度确切值，采用互换法对第一感应线圈2、第二感应线圈3面积因子比例进行标定；其次根据标定过的面积因子比例对被测磁体磁感应强度进行测量，对被测磁体测量时，由于标准磁体磁感应强度已知，线圈面积因子已知，通过桥式调节电路，进而确定被测磁体磁感应强度。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种基于桥式电路强磁场测量装置，用于测量被测磁体的磁感应强度，其特征在于，包括：

第一感应线圈和第二感应线圈，分别位于所述被测磁体和标准磁体中；所述标准磁体的磁感应强度已知；

驱动模块，用于同时控制所述第一感应线圈和所述第二感应线圈分别在所述被测磁体及所述标准磁体中旋转，产生第一感应电动势和第二感应电动势；

桥式调节电路，用于在测量被测磁体的磁感应强度前对所述第一感应线圈和所述第二感应线圈进行标定，获得所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值；在测量被测磁体的磁感应强度时对输入的所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行指零处理，获得所述第一感应电动势和所述第二感应电动势的比例系数；

基于所述面积因子的比值、所述比例系数和所述标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

2.根据权利要求1所述的基于桥式电路强磁场测量装置，其中，所述桥式调节电路包括：

第一信号调理模块和第二信号调理模块，分别用于对所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行滤波移相；

比例分压器，连接于所述第一信号调理模块的输出端，用于对滤波移相后的所述第一感应电动势进行分压；

差动放大器，第一输入端连接于所述比例分压器的输出端，第二输入端连接于所述第二信号调理模块的输出端；

指零仪，连接于所述差动放大器的输出端。

3.根据权利要求1所述的基于桥式电路强磁场测量装置，其中，所述测量装置包括第一导电滑环和第二导电滑环，分别连接于所述第一感应线圈的绕线两端和所述第二感应线圈的绕线两端；所述第一导电滑环和所述第二导电滑环的输出分别连接于所述第一信号调理模块和所述第二信号调理模块的输入端。

4.根据权利要求2所述的基于桥式电路强磁场测量装置，其中，所述第一信号调理模块包括依次连接的第一滤波器、第一移相器和第一跟随器；所述第二信号调理模块包括依次连接的第二滤波器、第二移相器和第二跟随器；其中所述第一跟随器的输出端连接于所述比例分压器的输入端，所述第二跟随电路的输出端连接于所述差动放大器的所述第二输入端。

5.根据权利要求2所述的基于桥式电路强磁场测量装置，其中，所述第一线圈和所述第二线圈的骨架为无磁材料，且热膨胀系数低于80*10^-6/k。

6.根据权利要求2所述的基于桥式电路强磁场测量装置，其中，所述第一信号调理模块、所述第二信号调理模块和所述差动放大器采用正负双轨电源进行供电。

7.根据权利要求3所述的基于桥式电路强磁场测量装置，其中，所述第一导电滑环和所述第二导电滑环为无磁材料。

8.一种基于桥式电路强磁场测量方法，基于权利要求1-7任一项所述的测量装置，其特征在于，包括：

对所述第一感应线圈和所述第二感应线圈进行标定，获得所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值；

标定完成后，所述驱动模块同时控制所述第一感应线圈和所述第二感应线圈旋转，产生第一感应电动势和第二感应电动势；

通过所述桥式调节电路对输入的所述第一感应电动势和所述第二感应电动势进行指零处理，获得所述第一感应电动势和所述第二感应电动势的比例系数；基于所述面积因子的比值、所述比例系数和所述标准磁体的磁感应强度求取被测磁体的磁感应强度。

9.根据权利要求8所述的基于桥式电路强磁场测量方法，其中，所述标定的方法包括：

使用所述第一感应线圈测量磁体1，得到感应电动势Em1；使用第二感应线圈测量磁体2，得到感应电动势Em2；

通过调节桥式调节电路，使

E_m1-α₁E_m2＝Δ₁，则

然后使用所述第一感应线圈测量磁体2，得到感应电动势Em3；使用所述第二感应线圈测量磁体1，得到感应电动势Em4；

通过调节桥式调节电路，使

E_m4-α₂E_m3＝Δ₂则

另式(3)除以式(6)，得到

另

k为所述第一感应线圈和所述第二感应线圈的面积因子的比值，将

代入式(7)求解得到

其中，α₁，α₂，Δ₁，Δ₂为已知。

10.根据权利要求9所述的基于桥式电路强磁场测量方法，其中，求取所述被测磁体的磁感应强度包括：

产生的所述第一感应电动势E1和所述第二感应电动势E2分别为：

其中，B₁为被测磁体的磁感应强度，B₂为标准磁体的磁感应强度；ω为线圈旋转角速度；

和

为相移；

调整所述桥式调节电路，使

当所述桥式调节电路的指零仪指零时，则

E₁-αE₂＝Δ (11)

将式(9)(10)代入式(11)，化简得到

B₁＝B₂·α·k+Δ′ (12)

上式中：α为所述桥式调节电路中比例分压器的分压比，

式中α，k已知；Δ′由式(11)中Δ求取，

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