CN205193162U - 一种基于三维霍尔磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于三维霍尔磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置。接收到上位机控制指令的下位机控制器控制三轴运动平台中的步进电机完成期望的空间位置移动，并将对相应的磁场与位置信息存储。同时，用三维传感器检测空间磁场矢量三个方向上的磁场大小，经过模拟信号前端调理电路进行一定的信号调理，由数据采集模块将模拟信号转换为数字信号，并传送给下位机微控制器。最后，接收到位置信息和磁场信息的下位机根据程序控制，将相应的数据上传给上位机，并在上位机中完成数据的硬件存储和显示。上位机将采集到的磁场矢量分布情况绘图显示。本实用新型操作简单，稳定高效，检测结果立体、直观，实现了自动化地磁场检测。

Description

一种基于三维霍尔磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置

技术领域

本实用新型涉及机械自动化领域，具体来说，是一种自动调节检测区域、面向空间磁场矢量分布检测与图形显示的装置和方法。

背景技术

近年来随着手机、电脑、平板电脑等电子设备的普及，越来越多的电子设备随时随地的围绕在我们周围。这些电子设备本身都包含了或多或少电磁模块，因此在我们人身周围分布着越来越多的磁场，而这些磁场的存在会对我们的身体产生或大或小的影响。特别是对于特定的弱势群体，比如心脏病患者，强磁场的分布可能会影响他们心脏的正常工作或者装在人体内的心脏起搏器等生物电子设备的正常工作，存在很大的安全隐患。因此，磁场分布情况是越来越被人们广泛关注的事情。

磁场的分布包含大小和方向两个因素，相较于仅仅考虑磁场大小的普通场合，在上述考虑范围内磁场的方向显得更为重要，这是因为对于某个磁敏感方向而言，与之垂直方向上的磁场无论有多大对它的影响都为零。因此如何直观显示磁场矢量分布情况显得尤为重要。对于磁场B可以表述为：

(1)、磁场矢量B＝B_xi+B_yj+B_zk；

(2)、磁场大小 $B=\sqrt{{B_x}^2+{B_y}^2+{B_z}^2}.$

当面向平板电脑、手提电脑等大型电子设备时，传统的手持式磁强计对于磁场的检测虽然具有结构简单、价格低廉的优点，但同时也具有一定的缺点：一方面，检测效率低下，耗时长，时间成本高；另一方面，检测稳定性差，且由于人手操作的误差导致磁场方向和位置的检测误差大，检测结果有效性低。因此，开发一种自动化的检测设备显得很有必要。

面向点阵扫描式的自动运动设备，当要求检测区域和运动参数(速度和步长)可以任意调节时，相关参数的计算公式为：

L_x＝Δx*N_x＝V_x*t_x；

L_y＝Δy*N_y＝V_y*t_y；

T＝t_x+t_y；

其中，Δx、Δy分别表示X、Y方向上点阵式扫描的步长；N_x、N_y分别表示X、Y方向上点阵式扫描的总点数；L_x、L_y分别表示X、Y方向上点阵式扫描的总位移；V_x、V_y分别表示X、Y方向上点阵式扫描的速度；t_x、t_y分别表示X、Y方向上点阵式扫描的时间；T表示点阵式扫描的总耗时。

综上所述，面向对磁场大小和方向要求都很重要的特殊应用场合，开发一种高效、稳定且显示结果直观、可靠的磁场矢量检测系统显得尤为重要，进而方可更好的评估磁场分布情况，并进一步分析磁场对其他方面的影响情况。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置及方法，通过上位机的运动参数设置控制机械平台的运动，下位机控制器直接控制步进电机运动和磁传感器的数据采集，最终上位机给出空间磁场矢量的分布图像。

本实用新型一种基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，包括传感器、三轴运动平台、信号调理模块、数据采集模块、下位机控制器、电机驱动器模块与上位机。

其中，传感器为三轴磁场传感器，安装在三轴运动平台的支架上；信号调理模块为3个，输入通道分别与三维磁传感器的3个检测探头的信号输出端相接；三个信号调理电路的输出通道分别与数据采集模块输入端相连；下位机控制器由STM32F系列单片机作为处理器；数据采集模块的输出端与STM32F系列单片机的GPIO相连；下位机控制器的PWM输出端子与三个电机驱动模块的信号控制端相连；下位机控制器还与上位机相连；三个电机驱动模块的输出端分别与三个步进电机的输入端直接相连。

根据上述装置，在上位机控制软件中输入期望的运动指令参数，以控制下位机的运动形式，该指令由串口通信传递给下位机控制器。接收到上位机控制指令的下位机微控制器根据内部的程序逻辑转换成相应的电机运动指令，以控制三维机械运动平台中的步进电机完成期望的空间位置移动，并将对相应的磁场与位置信息存储。同时，用三维霍尔磁传感器分别检测空间磁场矢量三个方向上的磁场大小，经过模拟信号前端调理电路进行一定的信号调理，接着由数据采集模块将模拟信号转换为数字信号，并传送给下位机控制器。最后，接收到位置信息和磁场信息的下位机根据程序控制，将相应的数据上传给上位机，并在上位机中完成数据的硬件存储和显示。上位计算机按照一定的数据处理算法将采集到的磁场矢量分布情况绘图显示。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，实现点阵式扫描运动，根据上位机参数设定，下位机自动控制，操作简单、稳定、高效。

2、本实用新型基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，以三维霍尔磁传感器为检测探头，能够检测空间磁场矢量的三个分量，检测信息丰富。

3、本实用新型基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置以上位机作为操作界面，可实现参数任意设置，面向多种检测对象，功能多样化、可用性高。

4、本实用新型基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，上位机处理过程直观、有效，可以实时显示位置和磁场信息，并能够给出空间磁场矢量的检测分布图像。

5、本实用新型基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，可以对现场数据进行时时监控，当工作情况出现危险时，能够随时急停和复位，保证人机安全，延长设备使用寿命，降低成本。

附图说明

图1是本实用新型整体结构框图。

图中：

1-传感器2-三轴运动平台3-信号调理模块

4-数据采集模块5-下位机控制器6-电机驱动器模块

7-上位机8-步进电机

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型作进一步说明。

本实用新型基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，包括传感器1、三轴运动平台2、信号调理模块3、数据采集模块4、下位机控制器5、电机驱动器模块6与上位机7。

其中，传感器1为三维磁场传感器，安装在三轴运动平台2的支架上。通过三轴运动平台2的三个步进电机8可实现三维磁传感器1在空间x、y、z三轴上的移动控制，最终实现三维磁传感器1对需检测的点阵平面中各个位置x、y、z三轴方向上磁场信息的探测。

信号调理模块3为3个，输入通道分别与三维磁传感器1的3个检测探头的信号输出端相接。通过3个信号调理模块3分别对x、y、z三轴方向上的磁场值进行信号调理，转化为相应的电压信号。

三个信号调理电路的输出通道分别与数据采集模块4输入端相连，将经过信号调理后的电压信号输出至数据采集模块4，由数据采集模块4对电压信号进行模数转换得到相应的数字信号。

下位机控制器5由STM32F系列单片机作为处理器；数据采集模块4的输出端与STM32F系列单片机的GPIO相连，将转换后的数字信号输入到下位机控制器5中，由下位机进行存储及处理，得到磁场信息，并同时根据设定的扫描零点位置(起始位置)与目标位置，根据运算得到当前扫描位置，并连同当前磁场信息一并输出给上位机7。下位机控制器5的PWM输出端子与三个电机驱动模块的信号控制端相连，用来向电机驱动模块发送脉冲信号和方向信号。

三个电机驱动模块的输出端分别与三个步进电机8的输入端直接相连，用来对脉冲信号与方向信号进行编译，得到步进电机8的相位控制信号，发送至三轴运动平台2的步进电机8，驱动步进电机8完成相应的转动。

本发明中上位机7具有由通信设置模块、电机参数设置模块、目标位置设置模块、单步行走控制模块、扫描检测模块、零点设置模块、急停模块、复位模块、数据清除模块以及结果显示模块构成的控制部分。

其中，通信设置模块用来对上位机7与下位机控制器5之间通信协议进行设置，包括对下位机控制器5的信号端子与通信波特率的选择，以及上位机7串口的开启与关闭控制。电机参数设置模块用来设置传感器1的扫描运动参数，包括三轴运动平台2中x、y、z三轴的控制步进电机8运动速度和步长。目标位置设置模块用来实现所探测点阵平面的终点位置。单步行走控制模块用来设置三轴运动平台2中x、y、z三轴的控制步进电机8的步长，对传感器1x、y、z三轴的位置进行单步调节，控制传感器1精确到达各个扫描位置。扫描检测模块用来控制三维磁传感器1对当前位置上空间x、y、z三轴磁场进行检测。零点设置模块用来设置传感器1的扫描起始位置，进而结合目标位置即可确定扫描的矩形点阵平面。数据清除模块用来清除上述所设置的参数。结果显示模块用来显示测量得到的点阵平面中各目标位置的磁场信息。

急停模块用来在检测过程中出现突发事件等意外时，迅速控制三轴运动平台2中三个步进电机8停止工作，终止检测过程；同时通过复位模块实现下位机控制器5中的控制指令复位，保证人机安全，延长设备使用寿命，降低成本。

上述基于三维磁传感器1的空间磁场矢量分布探测装置在启动后，首先在上位机7中选择合适的上下位机通信指标，接着根据被检测对象的尺寸大小等实际情况，在上位机7中设置相应的扫描运动参数，包括三轴运动平台2中的三个步进电机8运动速度和步长，以及三维磁传感器1运动的目标位置坐标。随后通过上位机7单步调节三轴运动平台2，使检测探头位于被检测样件的扫描零点处，并设置为零点。最后，通过上位机7控制对设定区域的运动检测。

当扫描式检测完成时，本次扫描的点阵平面中各点位置和磁场信息均储在上位机7硬件中，进一步的根据数据处理算法对原始数据进行相应的分析和处理，并以空间磁场云图的形式给出检测结果。

在检测过程中，如果出现突发事件等意外时，可以通过迅速电机上位机7中的急停模块，终止检测过程，并进一步地通过上位机7中复位按钮，对下位机中的控制指令进行复位，保证人机安全，延长设备使用寿命，降低成本。

Claims (1)

1.一种基于三维磁传感器的空间磁场矢量分布探测装置，其特征在于：包括传感器、三轴运动平台、信号调理模块、数据采集模块、下位机控制器、电机驱动器模块与上位机；

其中，传感器为三轴磁场传感器，安装在三轴运动平台的支架上；信号调理模块为3个，输入通道分别与三维磁传感器的3个检测探头的信号输出端相接；三个信号调理电路的输出通道分别与数据采集模块输入端相连；下位机控制器由STM32F系列单片机作为处理器；数据采集模块的输出端与STM32F系列单片机的GPIO相连；下位机控制器的PWM输出端子与三个电机驱动模块的信号控制端相连；下位机控制器还与上位机相连；三个电机驱动模块的输出端分别与三个步进电机的输入端直接相连。