CN203350428U

CN203350428U - 磁场测量装置

Info

Publication number: CN203350428U
Application number: CN 201320406607
Authority: CN
Inventors: 时启猛; 曲炳郡
Original assignee: BEIJING JIAYUE TONGLEJI ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: BEIJING JIAYUE TONGLEJI ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-07-09

Abstract

本实用新型提供一种磁场测量装置，其包括探头，用于感应被测磁场并获得电压信号；放大器，用于将所述电压信号放大获得电压放大信号；处理器，用于根据所述电压放大信号获得所述被测磁场的特性及所述被测磁场的波形所述探头采用具有巨磁阻效应的巨磁阻薄膜形成的GMR磁传感器。该磁场测量装置的动态测量范围可达80dB，频带宽可达2MHz，而且灵敏度高，成本低。

Description

磁场测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种磁场测量装置。

背景技术

高斯计和磁通计是市场上常见的两种磁场测量装置，而且，因高斯计操作简单、精度较高应用更广泛。目前市场上出售的高斯计大多数是基于霍尔效应原理进行磁场强度的测量，即采用霍尔传感器作为高斯计的测量探头。受限于霍尔传感器的材质和特性，测量探头通常采用直测式霍尔电压传感器。然而，理论上直测式霍尔电压传感器的测量频率不大于50kHz，市售的高端高斯计的测量频率不超过30kHz，动态测量范围不超过70dB，而且价格高昂。对于普通高斯计而言，虽然价格偏低，但测量频率基本为50Hz或60Hz，频带宽度在2kHz以下。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就是针对磁场强度测量中存在的上述缺陷，提供一种磁场测量装置，其测量精度高，动态测量范围和测量频带宽，而且成本低。

为此，本实用新型提供一种磁场测量装置，包括：

探头，用于感应被测磁场并获得电压信号；

放大器，用于将所述电压信号放大获得电压放大信号；

处理器，用于根据所述电压放大信号获得所述被测磁场的特性及所述被测磁场的波形；

所述探头采用具有巨磁阻效应的巨磁阻薄膜形成的GMR磁传感器。

其中，所述被测磁场的特性包括直流磁场的强度、交流磁场的强度和交流磁场的频率。

其中，所述放大器包括：

精密放大器，其用于将所述电压信号放大，以获得精密放大电压信号；

可控放大器，其用于将所述精密放大电压信号进一步放大到所述处理器所需的测量动态范围之内，以获得所述电压放大信号。

其中，所述精密放大器包括放大器INA322、第一电阻R65、第二电阻R66以及第一电容C47，所述第一电阻R65的两端分别接所述放大器INA322的引脚RG0和引脚REF，所述第二电阻R66的两端分别接所述放大器INA322的引脚RG0和引脚VO，所述第一电容C47的两端分别接地和所述放大器INA322的引脚REF。

其中，所述可控放大器包括：模拟开关U11、运算放大器U8A、低通滤波电路、第四电阻R76和第五电阻R77，所述运算放大器U8A的正向输入端和输出端分别作为所述可控放大器的输入端和输出端，所述模拟开关U11的引脚NO接所述运算放大器U8A的反向输入端，所述低通滤波电路设于所述运算放大器U8A的反向输入端和输出端之间，所述第四电阻R76的两端分别接所述模拟开关U11的引脚COM和地；所述第五电阻R77的两端分别接所述模拟开关U11的控制端IN和地。

其中，还包括真有效值单元，其包括：

真有效值转换电路，其用于从所述电压放大信号中提取与所述被测磁场中交变部分所对应的电压放大信号，并将其转换为真有效值电压信号；

滤波电路，其用于过滤所述真有效值电压信号，以滤除高频噪音；

真有效值处理模块，其根据过滤后的所述真有效值电压信号获得所述被测磁场的真有效值。

其中，所述真有效值转换电路包括第二模拟开关U10和第三电容C49，所述第三电容C49的两端分别接所述第二模拟开关U10的输入端IN2和地，所述第三电容C49采用0.1μF的电容，所述第二模拟开关U10采用凌特公司型号为LT1968的模拟开关。

其中，还包括存储模块，用于存储被测磁场的特性、所述被测磁场的波形以及所述真有效值。

其中，还包括：

显示单元，用于显示所述被测磁场的特性和所述被测磁场的波形；

控制单元，用于操作者与磁场测量装置之间的人机交流；

电源单元，用于为磁场测量装置提供电能。

其中，所述显示单元为液晶显示装置或CRT显示装置。

其中，所述电源单元为蓄电池或交流电源。

其中，还包括：

充电单元，用于对所述蓄电池进行充电；

电源管理单元，用于控制所述蓄电池提供电能以及控制所述蓄电池充电。

其中，还包括：

USB通讯接口，用于磁场测量装置和上位机之间通讯。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的磁场测量装置利用具有巨磁阻效应的巨磁阻薄膜形成的GMR磁传感器为探头，GMR磁传感器的动态测量范围可达80dB，频带宽可达2MHz，而且灵敏度高，成本低。

附图说明

图1为本实施例磁场测量装置的原理框图；

图2为本实用新型实施例精密放大器原理图；

图3为本实用新型实施例可控放大器原理图；

图4为本实用新型实施例真有效值电路转换原理图；

图5为本实用新型实施例滤波电路原理图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型提供的磁场测量装置进行详细描述。

图1为本实用新型实施例磁场测量装置的原理框图。如图1所示，本实施例提供的磁场测量装置包括探头1、放大器2和处理器3。其中，探头1采用具有巨磁阻效应的巨磁阻薄膜形成的GMR磁传感器，用于感应被测磁场并获得电压信号。GMR磁传感器的动态测量范围可达80dB，频带宽2MHz，而且灵敏度高，线性特性好，性能优越，成本低。

放大器2用于将探头1获得的电压信号放大，以获得电压放大信号。处理器3根据电压放大信号获得诸如直流磁场的强度、交流磁场的强度和交流磁场的频率等被测磁场的特性以及被测磁场的波形。

放大器2包括精密放大器21和可控放大器22。其中，精密放大器21也成为低噪声放大器，其用于将探头1获得的电压信号放大，并转换成单端信号输出，即精密放大电压信号。如图2所示，精密放大器21包括放大器INA322、第一电阻R65、第二电阻R66以及第一电容C47，第一电阻R65的两端分别接放大器INA322的引脚RG0和引脚REF，第二电阻R66的两端分别接放大器INA322的引脚RG0和引脚VO，第一电容C47的两端分别接地和放大器INA322的引脚REF。放大器INA322的引脚VO为精密放大器21的输出端，输出精密放大电压信号VO1。

放大器INA322采用TI的仪表放大器INA322，其可在2.7V的Vcc3va电压下工作，增益设定为最小5倍，具体放大倍数为G=5（1+R66/R65）。在5倍增益下带宽为500kHz，耗电40μA。仪表放大器INA322的管脚REF耦接至vcom=1/2Vcc3va，用以将电压信号VO1的中点电位抬至1/2Vcc。高精度放大器21将放大后的精密放大电压信号VO1送至可控放大器22。

可控放大器22根据探头1获得的电压信号的大小与处理器3的测量范围，将精密放大器21放大的精密放大电压信号进一步放大到处理器3所需的测量动态范围之内，以获得电压放大信号。处理器3的测量范围由其内的A/D采样电路确定。使用时，可控放大器22的放大倍数可由处理器3设置。可控放大器22可采用PGA，但PGA的噪声、功耗和成本都较高。因此，在实际应用中，可控放大器22可采用成本较低的模拟开关和运算放大器的组合。

如图3所示，可控放大器22包括模拟开关U11、运算放大器U8A、低通滤波电路、第四电阻R76和第五电阻R77，运算放大器U8A的正向输入端和输出端分别作为可控放大器22的输入端和输出端，模拟开关U11的引脚NO接运算放大器U8A的反向输入端，低通滤波电路设于运算放大器U8A的反向输入端和输出端之间，第四电阻R76的两端分别接模拟开关U11的引脚COM和地；第五电阻R77的两端分别接模拟开关U11的控制端IN和地。低通滤波电路包括电阻R76和第二电容C48，电阻R71与第二电容C48并联，电阻R71为反馈电阻，第二电容C48和电阻R71组成低通滤波电路，可以阻止高频噪声通过。使用时，将电阻R76和第二电容C48设于运算放大器U8A的反向输入端和输出端之间。运算放大器U8A的同相输入端接精密放大器21的输出端，运算放大器U8A的输出端作为可控放大器22的输出端，输出电压放大信号VO2。

本实施例，模拟开关U11采用TS5A3166。模拟开关U11与第四电阻R76结合可形成2种不同的阻值，形成可控放大器22的可调电阻部分，模拟开关U11与第五电阻R71可组成2种不同的放大倍数。第四电阻R76的阻值选10kΩ，第三电阻R71的阻值选100kΩ，第二电容C48的容值选用10pF。

如图1所示，磁场测量装置还包括真有效值单元，其包括真有效值转换电路41、滤波电路42和真有效值处理模块（图中未示出）。其中，真有效值转换电路41从可控放大器22输出的电压放大信号中提取与被测磁场中交变部分所对应的电压放大信号，并将其转换为真有效值电压信号。滤波电路42用于过滤真有效值电压信号，以滤除高频噪音。真有效值处理模块43根据过滤后的真有效值电压信号获得被测磁场的真有效值。真有效值处理模块43设于处理器3内，作为处理器3的一部分。

真有效值电路41可通过分立器件搭建，也可由DSP器件计算得出，综合考虑功耗、成本和调试难易程度考虑，本实例采用专门的集成器件。如图4所示，真有效值转换电路41包括第二模拟开关U10和第三电容C49，第三电容C49的两端分别接第二模拟开关U10的输入端IN2和地，第三电容C49的大小决定输入信号的最小频率，第三电容C49采用0.1μF的电容，第二模拟开关U10采用凌特公司型号为LT1968的模拟开关，带宽为800kHz。第二模拟开关U10的第5脚VUT输出有效值信号vrms0。

如图5所示，滤波电路42包括第二运算放大器U12B，第七电阻R80、第八电阻R81和第九电阻R83，第四电容C52、第五电容C54和第六电容C55。其中，第四电容C52的一端接地，另一端第七电阻R80。第七电阻R80、第八电阻R81和第六电容C55交汇成节点A。第七电阻R80的一端接第四电容C52，另一端接节点A。第八电阻R81的一端接节点A，另一端接第二运算放大器U12B的正向输入端。第六电容C55的一端接节点A，另一端接第二运算放大器U12B的输出端。第九电阻R83的一端接第二运算放大器U12B的反向输入端，另一端接第二运算放大器U12B的输出端。

本实施例中第二运算放大器U12B采用低功耗运算放大器，如OPA2314，第七电阻R80和第八电阻R81均为10k，第九电阻R83为20Ω，第四电容C52和第六电容C55为1uF，第五电容C54为0.1uF。第二运算放大器U12B的输出端输出过滤处理后的真有效值电压信号，并将其传输至处理器3。处理器3根据真有效值电压信号获得被测磁场的真有效值。

如图1所示，磁场测量装置还包括存储模块5，用于存储诸如直流磁场的强度、交流磁场的强度和交流磁场的频率等被测磁场的特性，以及被测磁场的波形、真有效值，以及磁场强度测量的一些配置，如可控放大器22的放大倍数等。本实施例存储模块5可采用16Mbit的FLASH存储器。

磁场测量装置还包括显示单元6、控制单元7和电源单元8，显示单元6用于显示诸如直流磁场的强度、交流磁场的强度和交流磁场的频率等被测磁场的特性以及被测磁场的波形。控制单元7用于操作者与磁场测量装置之间的人机交流。电源单元8用于为磁场测量装置提供电能。本实施例显示单元6采用液晶显示装置（如图形点阵模式的液晶模块）或CRT显示装置；控制单元7采用按键，按键可以设于液晶显示装置。显示单元6和控制单元7构成人际交互界面，以灵活选择磁场测量装置的操作方式以及形象地显示所测结果。电源单元8采用蓄电池或交流电源。蓄电池可以是太阳能电池或锰酸锂电池，如18650型的锰酸锂电池。

磁场测量装置还包括充电单元（图中未示出）和电源管理单元9。其中，充电单元用于对蓄电池进行充电。电源管理单元9用于控制蓄电池，如控制蓄电池提供电能以及控制对蓄电池和太阳能电池充电，以防止过压、过流和充电过程中电池的温度过高，。

磁场测量装置还包括USB通讯接口10，USB通讯接口10用于使磁场测量装置与上位机通讯，以传递采集数据和配置数据；还可用于对蓄电池充电。USB通讯接口10可采用专用USB集成芯片，处于成本和电路复杂度的考虑，本实例电路采用处理器内部的USB功能模块。

本实施例处理器3用于对可控放大器22的放大信号进行数字化处理，以及对滤波电路8传输来的真有效值电压信号进行数字化处理；并获得直流磁场的强度、交流磁场的强度、交流磁场的频率以及真有效值、磁场变化的瞬时波形；然后传输至显示单元6显示，或者，通过USB通讯接口10送至上位机处理和显示。处理器3还用于根据实际需要控制可控放大器22的放大倍数，以便有效地处理磁场信号。处理器3还用于根据控制单元7的输入指令，选择相应功能，对信号进行处理。如，通过控制单元7启动电源单元8后，处理器3拉高Pwron_430，进入正常工作状态，使电源单元8保持供电；当磁场测量装置处于休闲状态时，处理器3拉低pwron_430，使电源单元8停止供电，这种控制方式可以节省能源，降低功耗。处理器3还用于周期性的采样蓄电池的电压，并将蓄电池的电量在显示单元6上显示，当蓄电池的电量过低时提醒用户充电。处理器3可采用各种类型的MCU，但需保证内部有2个12位以上的ADC，采样速率在1Msps以上。综合考虑成本和功耗，本实施例处理器3采用ST公司生产的型号为STM32L151R8T6处理器，其内部设有ADC，功耗低、噪声低，而且可无闪烁的调整液晶装置的背光亮度。

本实施例提供的磁场测量装置利用具有巨磁阻效应的巨磁阻薄膜形成的GMR磁传感器为探头，GMR磁传感器的动态测量范围可达80dB，频带宽可达2MHz，而且灵敏度高，成本低。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种磁场测量装置，包括：

探头，用于感应被测磁场并获得电压信号；

放大器，用于将所述电压信号放大获得电压放大信号；

其特征在于，所述探头采用具有巨磁阻效应的巨磁阻薄膜形成的GMR磁传感器。

2.根据权利要求1所述磁场测量装置，其特征在于，所述被测磁场的特性包括直流磁场的强度、交流磁场的强度和交流磁场的频率。

3.根据权利要求1所述磁场测量装置，其特征在于，所述放大器包括：

4.根据权利要求1所述磁场测量装置，其特征在于，还包括真有效值单元，其包括：

5.根据权利要求4所述磁场测量装置，其特征在于，还包括存储模块，用于存储被测磁场的特性、所述被测磁场的波形以及所述真有效值。

6.根据权利要求1所述磁场测量装置，其特征在于，还包括：

控制单元，用于操作者与磁场测量装置之间的人机交流；

电源单元，用于为磁场测量装置提供电能。

7.根据权利要求6所述磁场测量装置，其特征在于，所述显示单元为液晶显示装置或CRT显示装置。

8.根据权利要求6所述磁场测量装置，其特征在于，所述电源单元为蓄电池或交流电源。

9.根据权利要求8所述磁场测量装置，其特征在于，还包括：

充电单元，用于对所述蓄电池进行充电；

10.根据权利要求1所述磁场测量装置，其特征在于，还包括：

USB通讯接口，用于磁场测量装置和上位机之间通讯。