CN116736199A - 一种空间静态磁场分布测量系统及方法 - Google Patents

一种空间静态磁场分布测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁场探测领域，公开了一种空间静态磁场分布测量系统及方法，本发明测量系统包括三维霍尔磁敏传感器阵列模块、信号调理模块、信号采集模块和上位机，三维霍尔磁敏传感器阵列在空间中基于霍尔效应原理能够测得磁场强度，测得的磁场信号经由信号调理模块、信号采集模块进行采集，并传输至上位机，在上位机上计算模拟出空间静态磁场的分布信息。本发明将多个三维霍尔磁敏传感器探头集成在一块探测板上，并放置在移动平台上，能够测得空间中静态磁场在不同时刻、不同位置处磁感应强度的分布，并且可以实时显示测得的磁场强度大小以及空间磁场分布图；本发明通过磁阵列不仅提高了测量精度和效率，而且还能较准确的测量脉冲强磁场。

Description

一种空间静态磁场分布测量系统及方法
技术领域
本发明涉及磁场探测领域，具体涉及一种空间静态磁场分布测量系统及方法。
背景技术
静态磁场探测是地球物理勘探中重要的手段之一，广泛应用于地质灾害预测、矿产资源勘探、地下水探测、地下管道探测等方面；另一方面，根据地磁场的矢量分量信息，可以应用于制导控制、水下匹配导航、航天技术等导航领域。
传统的静态磁场探测仪器一般采用磁力计或磁感应线圈传感器，能够对静态磁场进行测量，但现有技术中的测量系统不仅存在着准确性不高、实时性不好、易受干扰以及携带不便等缺陷，而且还存在无法获得高精度的磁场空间分布等问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种空间静态磁场分布测量系统及方法，基于霍尔效应通过三维霍尔磁敏传感器阵列测得磁场信号，在上位机上计算并模拟出空间磁场分布信息，能够解决现有技术中存在的基于磁力计或者磁感应线圈传感器的磁场测量准确度低和实时性差，也无法获得高精度的磁场空间分布的问题。
为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
一种空间静态磁场分布测量系统，包括三维霍尔磁敏传感器阵列模块、信号调理模块、信号采集模块和上位机；
所述三维霍尔磁敏传感器阵列模块，包括由6片霍尔元件固定在一个正方体的六个面上组成一个三维霍尔磁敏传感器探头，该探头中每两个相对面构成一个磁场方向的测量，在该相对面上的两片霍尔元件粘贴方向要相反，这样磁感应强度在两片霍尔元件上产生的输出电压极性也相反，通过差分电路对两片霍尔元件进行连接得到一个方向的磁场强度大小；同理，另外两个方向也是如此粘贴霍尔元件并用差分电路连接可以测得另外两个方向的磁场强度大小；通过此三维霍尔磁敏传感器探头就可以测得空间中三维方向的磁场；
所述霍尔元件接出有四根引线，分别为两根正负极引线和两根信号线，信号线接出与信号调理模块相连；
所述信号调理模块，包括集成放大电路，由于地磁场比较微弱需对测得的磁场信号进行放大，为后续模块对该磁场信号进一步地优化做准备；
所述信号采集模块，包括AD转换模块、存储模块和传输模块，经信号调理模块处理后的磁场信号经AD转换模块转换为数字信号进行存储并传输至上位机；
所述上位机，包括对磁场信号做进一步的算法优化和显示模块，显示模块不仅实时显示所测磁场强度大小，而且实时显示空间磁场的分布图。
作为本发明的进一步改进，所述三维霍尔磁敏传感器探头以相应的阵列形态分布于探测板上，所述探测板为平面结构，所述探测板放置在移动平台上，能够测得空间中静态磁场在不同时刻、不同位置处磁感应强度的分布，并且可以实时显示测得的磁场强度大小以及空间磁场分布图。
作为本发明的进一步改进，所述三维霍尔磁敏传感器探头以4*4阵列镶嵌在探测板上，构成一个面阵列模块，用于探测空间各点磁场强度，不仅可以增大与磁场的接触面积，而且可以由多个三维霍尔磁敏传感器探头测得磁场强度，进而可得到该位置处更加准确的磁场强度。
作为本发明的进一步改进，所述探测板材料为亚克力板。
一种空间静态磁场分布测量方法，包括以下步骤：
S1：三维霍尔磁敏传感器阵列模块根据霍尔效应原理对空间地磁场进行测量得到磁感应强度的大小，在理想情况下三维空间X、Y、Z方向的传感器灵敏度均为KH，三组互相垂直的传感器输出电压值为：
Ux＝KHBx(1)
Uy＝KHBy(2)
Uz＝KHBz(3)
空间磁场大小为：
即空间任意点的磁感应强度为：
由于三维霍尔磁敏传感器是以一定阵列形态进行排列地，那么空间中静态磁场大小分布为：
理论上将空间中磁场看作磁荷，那么空间中任一点处磁场强度为：
式中μ0是真空中的磁导率，r是方向矢量，qm是磁荷，r是距离；
理论上空间中磁场到某一传感器Bij临近传感器Bij-1、Bi-1j、Bij+1、Bi+1j测得的数据应该相等，同理再向外扩展其测得的数据也应该相等，以此类推可得到空间静态磁场的分布；
将该探测板放于移动平台上，可以测得空间中不同时刻、不同位置处地磁感应强度，进而可以实时得到空间中的磁场分布；
S2：由于地磁场比较微弱，通过信号调理模块的集成放大电路对三维霍尔磁敏传感器阵列模块测得的磁场信号进行放大；
S3：信号采集模块包括AD转换模块、存储模块和传输模块，经信号调理模块处理后的磁场信号经AD转换模块转换为数字信号，通过存储模块进行存储并通过传输模块传输至上位机；
S4：上位机通过接收到的磁场数据，计算并模拟出空间中磁场的分布，然后通过显示模块实时显示所测磁场强度大小，同时，实时显示空间磁场的分布图。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种空间静态磁场分布测量系统及方法，结合基于霍尔效应进行地磁场测量的磁阵列和信号调理以及采集模块的硬件电路可对三维空间静态磁场的分布进行测量，通过将多个三维霍尔磁敏传感器探头以一定的阵列形态集成在一块探测板上，可测得空间磁场的分布，最后通过上位机拟合软件可对磁场分布进行重建，并可实时显示磁场强度大小和空间分布。此外，将探测板放置在移动平台上，能够测得空间中静态磁场在不同时刻、不同位置处磁感应强度的分布，并且可以实时显示测得的磁场强度大小以及空间磁场分布图；该发明通过磁阵列不仅提高了测量精度和效率，而且还能较准确的测量脉冲强磁场。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种空间静态磁场分布测量系统的结构示意图；
图2是本发明将多个三维霍尔磁敏传感器探头集成在一块探测板上并放置在移动平台上的示意图；
图3是本发明的三维霍尔磁敏传感器探头示意图；
图4是本发明的三维霍尔磁敏传感器阵列结构示意图；
图5是本发明的磁场空间坐标系示意图；
图6是本发明理论上探测板测得的磁场分布图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-6所示，一种空间静态磁场分布测量系统，包括三维霍尔磁敏传感器阵列模块、信号调理模块、信号采集模块和上位机；
所述三维霍尔磁敏传感器阵列模块，包括由6片霍尔元件固定在一个正方体的六个面上组成一个三维霍尔磁敏传感器探头，如图3所示，该探头中每两个相对面构成一个磁场方向的测量，在该相对面上的两片霍尔元件粘贴方向要相反，这样磁感应强度在两片霍尔元件上产生的输出电压极性也相反，通过差分电路对两片霍尔元件进行连接得到一个方向的磁场强度大小；同理，另外两个方向也是如此粘贴霍尔元件并用差分电路连接可以测得另外两个方向的磁场强度大小；通过此三维霍尔磁敏传感器探头就可以测得空间中三维方向的磁场；
所述霍尔元件接出有四根引线，分别为两根正负极引线和两根信号线，信号线接出与信号调理模块相连；
所述信号调理模块，包括集成放大电路，由于地磁场比较微弱需对测得的磁场信号进行放大，为后续模块对该磁场信号进一步地优化做准备；
所述信号采集模块，包括AD转换模块、存储模块和传输模块，经信号调理模块处理后的磁场信号经AD转换模块转换为数字信号进行存储并传输至上位机；
所述上位机，包括对磁场信号做进一步的算法优化和显示模块，显示模块不仅实时显示所测磁场强度大小，而且实时显示空间磁场的分布图。
如图4所示，所述三维霍尔磁敏传感器探头以相应的阵列形态分布于探测板上，所述探测板为平面结构，如图2所示，所述探测板放置在移动平台上，能够测得空间中静态磁场在不同时刻、不同位置处磁感应强度的分布，并且可以实时显示测得的磁场强度大小以及空间磁场分布图。
所述三维霍尔磁敏传感器探头以4*4阵列镶嵌在探测板上，构成一个面阵列模块，用于探测空间各点磁场强度，不仅可以增大与磁场的接触面积，而且可以由多个三维霍尔磁敏传感器探头测得磁场强度，进而可得到该位置处更加准确的磁场强度。
所述探测板材料为亚克力板。
一种空间静态磁场分布测量方法，包括以下步骤：
S1：三维霍尔磁敏传感器阵列模块根据霍尔效应原理对空间地磁场进行测量得到磁感应强度的大小，在理想情况下三维空间X、Y、Z方向的传感器灵敏度均为KH，三组互相垂直的传感器输出电压值为：
Ux＝KHBx(1)
Uy＝KHBy(2)
Uz＝KHBz(3)
由图5可知，空间磁场大小为：
即空间任意点的磁感应强度为：
由于三维霍尔磁敏传感器是以一定阵列形态进行排列地，那么空间中静态磁场大小分布为：
理论上将空间中磁场看作磁荷，那么空间中任一点处磁场强度为：
式中μ0是真空中的磁导率，r是方向矢量，qm是磁荷，r是距离；
理论上空间中磁场到某一传感器Bij临近传感器Bij-1、Bi-1j、Bij+1、Bi+1j测得的数据应该相等，同理再向外扩展其测得的数据也应该相等，以此类推可得到空间静态磁场的分布；
将该探测板放于移动平台上，可以测得空间中不同时刻、不同位置处地磁感应强度，进而可以实时得到空间中的磁场分布；
S2：由于地磁场比较微弱，通过信号调理模块的集成放大电路对三维霍尔磁敏传感器阵列模块测得的磁场信号进行放大；
S3：信号采集模块包括AD转换模块、存储模块和传输模块，经信号调理模块处理后的磁场信号经AD转换模块转换为数字信号，通过存储模块进行存储并通过传输模块传输至上位机；
S4：上位机通过接收到的磁场数据，计算并模拟出空间中磁场的分布，然后通过显示模块实时显示所测磁场强度大小，同时，实时显示空间磁场的分布图。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间静态磁场分布测量系统，其特征在于：包括三维霍尔磁敏传感器阵列模块、信号调理模块、信号采集模块和上位机；
所述三维霍尔磁敏传感器阵列模块，包括由6片霍尔元件固定在一个正方体的六个面上组成一个三维霍尔磁敏传感器探头，该探头中每两个相对面构成一个磁场方向的测量，在该相对面上的两片霍尔元件粘贴方向要相反，这样磁感应强度在两片霍尔元件上产生的输出电压极性也相反，通过差分电路对两片霍尔元件进行连接得到一个方向的磁场强度大小；同理，另外两个方向也是如此粘贴霍尔元件并用差分电路连接可以测得另外两个方向的磁场强度大小；通过此三维霍尔磁敏传感器探头就可以测得空间中三维方向的磁场；
所述霍尔元件接出有四根引线，分别为两根正负极引线和两根信号线，信号线接出与信号调理模块相连；
所述信号调理模块，包括集成放大电路，由于地磁场比较微弱需对测得的磁场信号进行放大，为后续模块对该磁场信号进一步地优化做准备；
所述信号采集模块，包括AD转换模块、存储模块和传输模块，经信号调理模块处理后的磁场信号经AD转换模块转换为数字信号进行存储并传输至上位机；
所述上位机，包括对磁场信号做进一步的算法优化和显示模块，显示模块不仅实时显示所测磁场强度大小，而且实时显示空间磁场的分布图。
2.根据权利要求1所述的一种空间静态磁场分布测量系统，其特征在于：所述三维霍尔磁敏传感器探头以相应的阵列形态分布于探测板上，所述探测板为平面结构，所述探测板放置在移动平台上，能够测得空间中静态磁场在不同时刻、不同位置处磁感应强度的分布，并且可以实时显示测得的磁场强度大小以及空间磁场分布图。
3.根据权利要求2所述的一种空间静态磁场分布测量系统，其特征在于：所述三维霍尔磁敏传感器探头以4*4阵列镶嵌在探测板上，构成一个面阵列模块，用于探测空间各点磁场强度，不仅可以增大与磁场的接触面积，而且可以由多个三维霍尔磁敏传感器探头测得磁场强度，进而可得到该位置处更加准确的磁场强度。
4.根据权利要求2所述的一种空间静态磁场分布测量系统，其特征在于：所述探测板材料为亚克力板。
5.一种空间静态磁场分布测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：三维霍尔磁敏传感器阵列模块根据霍尔效应原理对空间地磁场进行测量得到磁感应强度的大小，在理想情况下三维空间X、Y、Z方向的传感器灵敏度均为KH，三组互相垂直的传感器输出电压值为：
Ux＝KHBx (1)
Uy＝KHBy (2)
Uz＝KHBz (3)
空间磁场大小为：
即空间任意点的磁感应强度为：
由于三维霍尔磁敏传感器是以一定阵列形态进行排列地，那么空间中静态磁场大小分布为：
理论上将空间中磁场看作磁荷，那么空间中任一点处磁场强度为：
式中μ0是真空中的磁导率，r是方向矢量，qm是磁荷，r是距离；
理论上空间中磁场到某一传感器Bij临近传感器Bij-1、Bi-1j、Bij+1、Bi+1j测得的数据应该相等，同理再向外扩展其测得的数据也应该相等，以此类推可得到空间静态磁场的分布；
将该探测板放于移动平台上，可以测得空间中不同时刻、不同位置处地磁感应强度，进而可以实时得到空间中的磁场分布；
S2：由于地磁场比较微弱，通过信号调理模块的集成放大电路对三维霍尔磁敏传感器阵列模块测得的磁场信号进行放大；
S3：信号采集模块包括AD转换模块、存储模块和传输模块，经信号调理模块处理后的磁场信号经AD转换模块转换为数字信号，通过存储模块进行存储并通过传输模块传输至上位机；
S4：上位机通过接收到的磁场数据，计算并模拟出空间中磁场的分布，然后通过显示模块实时显示所测磁场强度大小，同时，实时显示空间磁场的分布图。
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