CN203720340U - 三维磁场强度测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三维磁场强度测量仪，测量仪由测量仪主机和三维测量架组成，测量仪主机上设置有液晶屏、选择按键、初始按键、测量按键、信号输入接口、SD卡接口和USB接口，测量仪主机内具有MCU主芯片，信号调理、A/D转换、FPGA控制、存储管理和液晶显示电路；三维测量架上具有传感测量头和三维方向的移动测量支架。本测量仪采用基于霍尔传感器的探头检测三维方向的磁场强度，通过微处理器MCU和FPGA控制数据采集、存储与计算，由液晶实时显示三维方向磁场值，并可由SD卡进行数据存储或由USB接口将数据传输电脑进行更多分析和处理。测量仪适合于电磁学、电工学、物理等课程的测量与教学实验。

Description

三维磁场强度测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种三维磁场强度测量仪，属于电子技术应用和实验应用的领域。

背景技术

从最原始利用磁力的测量方法，到现在磁场的测量技术已经取得快速的发展，其应用领域也迅速扩展，如今磁场测量技术已经广泛应用于核物理研究、电机制造和电磁环境监测等测试领域，此外磁场测量在无损检测、生物医学、环境电磁污染监测等领域也发挥重要作用。

随着科学技术的发展和各种高新技术的引入，越来越多的电磁场研究更加偏向于三维动态磁场的分布，而传统的磁场测量的特斯拉计、高斯计等仪器，难以满足多点和动态磁场的测量要求。

到现在为止，常用的脉冲磁场测量方法主要有霍尔效应法、电磁感应法、磁光效应法和磁阻效应法等。但电磁感应法的探头一般都是面积相对较大线圈，测量精度不高；磁光效应法的优点是测试精度较高，反应速度快，但是需要前期校准，且测试设备复杂。

目前在精确的磁场测量系统主要依赖进口，价格昂贵，而且大多数系统只能测量单个点的一维磁场或二维磁场，空间三维磁场的分布情况更是需要通过多次测量和复杂的数据处理才能得到，无法实现快速测量，更无相关实验测量系统。

本实用新型采用线性霍尔传感器来组成传感测量头，应用霍尔效应来测量磁场，而线性霍尔器件由于灵敏度高、体积小的特点，非常适用于进行点的磁场测量，同时它的适应频率和稳定范围宽，典型测量范围为10^-7T～10T，分辨率高，不但可测量点磁场和缝隙中的磁感应强度，而且还可测最恒定磁场和交变磁场，适应性强。同时本实用新型采用三维测量架，可准确掌握传感测量头的三维位置，通过三维的移动，结合微处理器和液晶屏，可完成复杂磁场的测量和显示。

实用新型内容

针对现有的测量和测量仪器的不足，本实用新型设计的三维磁场强度测量仪，采用多只霍尔传感器组成传感测量头，并结合三维测量架，可准确测量并描绘3个方向的磁场强度，测量仪以微处理器MCU作为仪器的总控芯片，通过微处理器和FPGA电路，去完成A/D转换、数据的采集和储存，并进行运算，可获得的磁场三维方向数据或一段时间内的三维峰值，最后由液晶屏显示。

本测量仪由测量仪主机和三维测量架组成，测量仪主机上设置有液晶屏、选择按键、初始按键、测量按键、信号输入接口、SD卡接口和USB接口，测量仪主机内具有MCU主芯片，信号调理、A/D转换、FPGA控制、存储管理和液晶显示电路；三维测量架上具有传感测量头和三维方向的移动测量支架。

测量仪的微处理器采用TI公司新推出的高性能16位MSP430F2系列的芯片。它内置工作频率最高达16MIPS，超低功耗，平时工作在睡眠状态节省电能，中断发生时能够在不足1μs的时间内从超低功耗500nA待机模式唤醒到全速工作模式。在外围功能器件方面，它还集成了10位AD、16位定时器、捕获比较器、看门狗定时器、掉电检测、USI通讯模块等，可满足对低功耗高性能的需要。

本实用新型的传感测量头是一个立方体，采用6片表面贴型线性霍尔传感器，每两片灵敏度相同的传感器为一组，一正一反分别贴于立方体相对的面上，即6个霍尔传感器在立方体的六个面上对称分布，同时电路采用差动输出方式。同时，本实用新型具有三维方向可移动并测量的测量架，由传感测量头上的6片传感器，可测量空间一个位置上的多方向磁场大小，再结合三维测量架的移动，可完整测量一个变化磁场的各种磁场特性。

本实用新型三维测量架上三维方向的移动测量支架上都具有测量尺，而传感测量头固定于测量头支架上，并与Y轴方向的移动测量支架相连接。X方向的移动测量支架采用滑槽方式移动，Y方向和Z方向的移动测量支架采用啮合滑动的方式，通过啮合齿与调节旋钮相连的齿轮啮合进行移动，从而可完成传感测量头在三维方向上的移动。

本实用新型的A/D转换电路采用高精度的HX711芯片，HX711是一款专用高精度的24位A/D转换器芯片。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需外加电源，芯片内时钟振荡器的上电自动复位功能简化了初始化过程。

FPGA作为逻辑控制及矢量计算单元，主要控制数据的读写顺序，模块选通和三维矢量峰值的开方运算，以提高整个仪器的测量速度和效率，本测量仪的FPGA采用Altera公司的Cyclone系列的FPGA芯片，它基于1.5V、0.13μm全铜层SRAM工艺，其密度增加至20060个逻辑单元，RAM增加至288kB。它具有生成时钟的锁相环以及DDR SDR和快速RAM存储器所需的专用数据率接口等。Cyclone器件采用了较小的封装形式，并提供给用户足够的I/O管脚和良好的功能特性。

本实用新型测量仪主机上的信号输入接口采用多芯航空插座。

附图说明

图1是测量仪外观图，其中的1是液晶屏，2是选择按键，3是初始按键，4是测量按键，5是USB接口，6是SD卡接口，7是信号输入接口。

图2是三维测量架外观图，其中的8是传感测量头，9是霍尔传感器，10是测量头支架及信号传输线，11是Z轴方向移动测量支架，12是Z方向升降调节旋钮，13是Y轴方向移动测量支架，14是啮合齿，15是Y方向移动调节旋钮，16是信号传输线，17是滑槽，18是底座及X轴方向移动测量支架，19是X方向上的测量刻度尺。

图3是传感测量头外观图，其中9是霍尔传感器，20是信号传输线。

图4是系统电路原理图。

图5是一组传感器的电路示意图

具体实施方式

结合附图，下面具体说明三维磁场强度测量仪的工作和电路情况。

本测量仪的传感测量头采用了6片A1321表贴型线性霍尔传感器，该传感器体积小，灵敏度高，内部集成有温度补偿电路、高增益放大器和低阻抗输出级，具有良好的温度稳定性和电磁兼容性，并能适用于恶劣的测试环境。

同时本测量仪传感输出采用差动输出方式，每两片灵敏度相同的传感器为一组，在六个面上对称分布。各X、Y、Z三个方向的传感器组配有独立的信号调理电路，由于各方向传感器组合后均为差动输出，为提高共模抑制比，每一路都采用高精度放大器作为前置输入级，这样电路输入阻抗高且具有对称性，所以其输入电流近似为零，可消除霍尔传感器输出电阻对测量结果的影响，同时有效地减少不等位输出电压和温度变化的影响。

在图5中，通过调节电路中电位器R2的阻值，可以在被测磁感应强度为0时使传感器的输出电压U₀为0，即两个霍尔元件的不等位输出电压经过差分放大后被相互抵消。H1和H2为粘贴在立方体两个互相平行表面上的两个霍尔传感器，采用差分的方式进行连接。而配对的两个霍尔传感器由于粘贴方向相反，被测磁感应强度在两个霍尔元件上所产生的霍尔输出电压的极性也相反，所以在这种连接方式下，H1和H2输出的不等位电压相当于共模信号，而被测磁感应强度所产生的霍尔输出电压相当于差模信号。两个霍尔元件的输出信号接到差分放大器后，其不等位输出电压得到了抑制，而霍尔输出电压得到了有效的放大。

本测量仪的液晶显示电路采用低电压、低功耗带中文字库、采用ST7920控制器的128×64液晶显示屏。它具有4/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字和128个16×8点ASCII字符集。该模块接口方式灵活，操作指令简单、方便，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，可构成全中文人机交互图形界面。

本测量仪的USB接口采用USB专用接口芯片CH375来处理USB通信，它的特点是价格便宜、可靠性高、接口方便，减少了开发周期和难度。其内部集成了倍频器、数据缓冲区、被动并行接口和命令解释器等主要部件，兼容USB2.0协议。本测量仪采用SanDisk公司生产的SD卡，SD卡工作在SPI模式。

本测量仪可通过SD卡进行数据的存储或由USB接口将数据传输电脑进行更多分析和处理。测量仪适合于电磁学、电工学、物理等课程的测量与教学实验。

Claims (5)

1.一种三维磁场强度测量仪，其特征是：测量仪由测量仪主机和三维测量架组成，测量仪主机上设置有液晶屏（1）、选择按键（2）、初始按键（3）、测量按键（4）、信号输入接口（7）、SD卡接口（6）和USB接口（5），测量仪主机内具有微处理器主芯片，信号调理、A/D转换、FPGA控制、存储管理和液晶显示电路；三维测量架上具有传感测量头和三维方向的移动测量支架。

2.根据权利要求1所述的三维磁场强度测量仪，其特征是：其传感测量头是一个立方体，采用6片表面贴型线性霍尔传感器，每两片灵敏度相同的传感器为一组，一正一反分别贴于立方体相对的面上，6个霍尔传感器在立方体的六个面上对称分布。

3.根据权利要求1所述的三维磁场强度测量仪，其特征是：其三维方向的移动测量支架上都具有测量尺，传感测量头固定于测量头支架上，并与Y轴方向的移动测量支架相连接。

4.根据权利要求1所述的三维磁场强度测量仪，其特征是：其测量仪主机内的微处理器主芯片采用TI公司新推出的高性能16位MSP430F2系列的芯片。

5.根据权利要求1所述的三维磁场强度测量仪，其特征是：其信号输入接口采用多芯航空插座。