CN205507052U - 一种瞬态三维磁场检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种瞬态三维磁场检测系统，属于电力电子电磁兼容领域。包括磁场信号检测模块，信号调理模块，A/D转换模块，置位/复位模块，电源模块，本实用新型可用于变电站、电动汽车等复杂电磁环境的磁场检测，具有测量瞬时、三维、微弱磁场的特点，且探测频带宽，体积小，使用方便，采用恒流源供电，从而在一定程度上可以提供稳定的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场。

Description

一种瞬态三维磁场检测系统

技术领域

本实用新型属于电力电子电磁兼容领域，具体涉及一种瞬态三维磁场检测系统。

背景技术

面对日益严峻的能源和环境问题，世界各国政府、学术界和工业界都将目光投向了环保和节能。为了提高生产效率，大量电力电子装置被广泛应用于生产生活中，随之也带来了更为复杂的电磁环境与电磁兼容问题。如电动汽车采用蓄电池提供的大功率直流电，经DC-DC或DC-AC转换器驱动电机运转。而变换后的电流中含有丰富的谐波成分，通过大的感性负载或容性负载时，会向空间发射强的电场和磁场。其频谱范围较广，从几十千赫兹到几十、几百兆赫兹甚至覆盖射频段，会对通讯系统及汽车本身电子管理系统的时钟频率产生严重干扰，甚至影响人体健康与行车安全。因此，对复杂电磁环境进行深入系统的研究非常有必要。

要系统分析复杂电磁环境，首先要对其瞬态电磁场进行准确的测量。目前常见的磁场测量方法有感应线圈、磁通门式、霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)效应、巨磁阻(GMR)效应等方法。上述方法最突出的问题有以下几个方面：首先，测量磁场的维数有限，如感应线圈、磁通门式和GMR效应，它们只能测量一位空间的磁场，这种数据的局限不利于空间干扰磁场的定位以及电磁干扰强度的分析；其次测量带宽不够，如霍尔效应、磁通门效应等，它们的频带较窄，通常应用于静态或缓慢变化的磁场环境，不能满足带宽要求；最后，感应线圈的灵敏度与频率有关，准确度受到线圈面积的影响，因而给瞬态磁场测量系统的设计带来很多不可控因素。

因此，研制一套瞬态三维磁场环境检测的系统具有重要的价值。

发明内容

本实用新型提供一种瞬态三维磁场检测系统，用于变电站、电动汽车等复杂电磁环境测量，以达到精度、灵敏度、带宽及使用便捷的要求。

本实用新型采取的技术方案是，包括：

(1)磁场信号检测模块：接受宽频带的原始磁场信号，并将原始信号转换为电压信号；

(2)信号调理模块：将磁场探头输出的微弱电压信号调理到满足A/D转换器输入的电压范围；

(3)A/D转换模块：将输入的模拟量转换为数字量，并传输给微控制器进行处理；

(4)置位/复位模块：利用置位和复位电流使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度；

(5)电源模块：采用恒流源供电。

本实用新型所述磁场信号检测模块采用各向异性磁阻AMR传感器电路，该传感器电路采用四个各向异性磁阻AMR组成惠斯通电桥。

本实用新型所述信号调理模块：包含放大调零电路。

本实用新型所述置位/复位模块包括脉冲电流发生电路。

本实用新型可用于变电站、电动汽车等复杂电磁环境的磁场检测，具有测量瞬时、三维、微弱磁场的特点，且探测频带宽，体积小，使用方便，采用恒流源供电，从而在一定程度上可以提供稳定的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型各向异性磁阻AMR传感器内部等效电路结构图；

图3为本实用新型放大调零电路原理图；

图4为本实用新型脉冲电流发生电路原理图；

图5为本实用新型恒流源消除温度影响补偿电路。

具体实施方式

包括：

(1)磁场信号检测模块1：接受宽频带的原始磁场信号，并将原始信号转换为电压信号，包括磁场探头传感器电路，本实用新型采用各向异性磁阻(AMR)的磁场检测方法，为提高弱磁场信号检测的准确度，本实用新型磁阻传感器采用恒流源供电；

(2)信号调理模块2：将磁场探头输出的微弱电压信号调理到满足A/D转换器输入的电压范围，由于实际环境中电磁环境复杂，以及电路的自激干扰等因素，在测量之前传感器已经有了输出，若要实现对被测磁场的的准确测量，就需要排除其他磁场的干扰，因此，本实用新型设计了调零电路；

(3)A/D转换模块3：将输入的模拟量转换为数字量，并传输给微控制器进行处理；

(4)置位/复位模块4：产生置位/复位脉冲电流用来修正探头的灵敏度；外磁场超过10×10^-4T时会打乱磁阻传感器内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，降低灵敏度，利用置位和复位电流使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度。

(5)电源模块5：为测量系统中的其他模块提供稳定电源。对于磁阻传感器，采用电压供电模式时，电源电压微弱变化会改变磁阻传感器的输出电压，不利于准确的测量弱磁场信号，本实用新型采用恒流源供电，从而在一定程度上可以提供稳定的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场。

为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及对本实用新型的技术方案进行详细说明。

确定磁场检测方法；

对现有的常见磁场测量方法进行对比(见表1)，找出最适合的瞬态三维磁场测量方法。由表1可知，基于各向异性磁阻(AMR)效应的磁场测量方法从维数、带宽、量程、灵敏度、准确度等方面最适于瞬态磁场的测量要求，因此，本实用新型采用该方法设计瞬态三维磁场检测探头。

表1常见磁场测量方法对比

磁场探头传感器电路设计；

磁场探头传感器电路采用四个各向异性磁阻AMR组成惠斯通电桥(如图2所示)。在没有外加磁场时，四个电阻的阻值均为R＝1k，电桥处于平衡状态，输出电压为零。当施加外加磁场B时，电阻R₁和R₃同时变化，电阻R₂和R₄同时变化，两组电阻变化量相同，但方向相反。

假设传感器的供电电压为V_b，灵敏度为S，如果R₁和R₃阻值增加ΔR，那么R₂和R₄阻值会减小ΔR，此时传感器的输出电压为：

$\begin{array}{c}{V}_{out}=V_{+}-V_{-}\\ =V_b\·\left(\frac{R+\mathrm{\Δ}R}{R+\mathrm{\Δ}R+R-\mathrm{\Δ}R}-\frac{R-\mathrm{\Δ}R}{R+\mathrm{\Δ}R+R-\mathrm{\Δ}R}\right)\\ =V_b\·\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}\end{array}---\left(1\right)$

由于ΔR/R的值与外界磁场的大小B呈比例关系，其比值S即是传感器的灵敏度。因而，我们可以得到传感器输出电压与磁场的关系：

V_out＝V₊-V_-＝V_b·B·S (2)

其中，V_b为传感器的工作电压，B为外界磁场的大小，依据式(2)就可以通过测量V_out的值计算出空间磁场B的值。

信号调理电路设计；

由磁阻传感器的输出特性可知，其输出为差动电压信号，需对其进行差动放大，为了减小仪表放大器本身噪声的影响，采用低噪声、低失真的仪表放大器INA217。该放大器具有较低的噪声输入：1.3nV/√Hz(1kHz)，共模抑制比>100dB，带宽为800kHz。

由于实际环境中的电磁环境复杂，以及电路的自激干扰等因素，在对待测磁场测量之前传感器已经有了输出，若要实现对被测磁场的准确测量，就需要排除其他磁场的干扰，因此，设计了调零电路如图3所示。经两个电阻及精密电位器的分压，调整系统的零点；由于电源的波动会对系统的零点造成影响，所以，在电路中加入二极管D_l、D₂以稳定系统的零点。

A/D转换模块选择；

选用Analog Device公司的AD9266作为磁场采集的数模转换器，AD9266具有高精度(转换位宽16bits)、高采样率(80MHz)、低功耗(113mW@80MSPS)、优秀的信噪比(SNR 77.6dBFs@9.7MHz)以及SPI控制等特性，它被广泛应用于手持式示波表和便捷式医疗设备中。本实用新型选用AD9266的原因首先在于AD9266的高转换精度和高采样率满足记录仪的高精度测量，其次AD926的数字部分工作电压为1.8V～3.3V，满足多种逻辑电平，容易与控制器匹配；最后，AD9266内部具有SPI控制接口，因而控制器可以方便调试A/D转换电路，并且改变AD9266的输出编码方式、工作时钟频率、调整DCO和输出数据时序，同时还可以校准电路偏移。

置位/复位电路设计；

如前所述，磁场测量探头需要强(2～8A)的置位/复位脉冲电流来恢复磁畴方向，本实用新型设计了如图4所示的脉冲电流发生电路。

其中，SET、RESET是由FPGA产生的脉冲电流发生电路的驱动信号，分别用于驱动HEXFET(IRF7106)的P沟道和N沟道。为了实现“先关后合”的开关模式，即在一个HEXFET导通之前，另一个HEXFET完全关闭，本文在开关状态切换过程中加了TRS的延时。该电路的原理如下：SET、RESET是由FPGA I/O口输出的两路控制信号，当SET为低电平，RESET高电平时，电路处于稳态，三极管截止，NMOS导通，PMOS截止，电容C₂两端电压为0，之后RESET变为低电平，此时NMOS截止，TRS时间后，SET从低电平变为高电平，此时，三极管导通，PMOS瞬间导通，由于电容两端电压不能突变，电源经P管向电容C₂充电，在C₂右端产生正脉冲。当SET为高电平，RESET低电平时，电路处于稳态，三极管导通，NMOS截止，PMOS截止，充放电电容C₂两端电压为电源电压，之后SET变为低电平，TSR时间后，RESET从低电平变为高电平，此时，NMOS导通，由于电容两端电压不能突变，电容经NMOS管放电，在C₂右端产生负脉冲。

电源设计。

对于磁阻传感器，采用电压供电模式时，电源电压微弱变化会改变磁阻传感器的输出电压，不利于准确的测量弱磁场信号，而采用恒流源供电在一定程度上可以提供稳定的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场，电流源采用LM334，恒流源输出的电流I_SET由I₁、I₂和I_BIAS组成，如图5所示。

$I_1=\frac{V_R}{R_1}---\left(3\right)$

$I_2=\frac{V_R+V_D}{R_2}---\left(4\right)$

I_SET＝I₁+I₂+I_BIAS (5)

为消除温度漂移的影响，即令I_BIAS＝0，根据给出的温度对电压漂移系数为227μV/℃，二极管的温度系数为2.5mV/℃，则

得到R₁/R₂＝10时，温度影响可以忽略，通过R₁的选择来控制恒流源的输出。

Claims (4)

1.一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，包括：

(1)磁场信号检测模块：接受宽频带的原始磁场信号，并将原始信号转换为电压信号；

(2)信号调理模块：将磁场探头输出的微弱电压信号调理到满足A/D转换器输入的电压范围；

(3)A/D转换模块：将输入的模拟量转换为数字量，并传输给微控制器进行处理；

(4)置位/复位模块：利用置位和复位电流使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度；

(5)电源模块：采用恒流源供电。

2.根据权利要求1所述的一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，所述磁场信号检测模块采用各向异性磁阻AMR传感器电路，该传感器电路采用四个各向异性磁阻AMR组成惠斯通电桥。

3.根据权利要求1所述的一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，所述信号调理模块：包含放大调零电路。

4.根据权利要求1所述的一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，所述置位/复位模块包括脉冲电流发生电路。