新型磁場測量儀設(shè)計

石明吉，劉 峰，李波波，楊雪冰，洪 倩

(南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南 南陽 473004)

0 引言

磁場測量技術(shù)的發(fā)展和應用有著悠久的歷史。磁場測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學、醫(yī)學、考古學等諸多領(lǐng)域[1-2]。通電圓線圈和亥姆霍茲線圈周圍磁場的分布情況是大學物理中磁場部分的重要學習內(nèi)容。該磁場的描繪也是大學物理試驗的重要組成部分[3]。目前，國內(nèi)物理試驗教學常用的磁場描繪儀有兩類。一類由亥姆霍茲線圈和探測線圈組成，采用電磁感應法探測磁場[4]。該方法操作不便、很難準確定位和測量。另一類由亥姆霍茲線圈和霍爾元件組成，采用霍爾效應探測磁場[5-7]。該方法不形象、讀數(shù)繁瑣且容易產(chǎn)生回程差。因此，有必要設(shè)計一種新型磁場測量儀。該研究在試驗教學和磁場監(jiān)測方面具有實際意義。

1 試驗裝置的設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

為實現(xiàn)不同場點在三個維度上的磁感應強度的自動測量，設(shè)計了基于三軸磁傳感器的磁場測量儀。由三軸磁傳感器位移系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄上位機三部分構(gòu)成。系統(tǒng)具體包括：三軸磁傳感器、上位機、STC89C51單片機、兩個步進電機驅(qū)動器、兩個步進電機、二維絲杠導軌、線圈和穩(wěn)壓穩(wěn)流直流電源等。新型磁場測量儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，51單片機為控制核心。三軸磁傳感器將磁場信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并發(fā)送給51單片機，采集后由STM32發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄上位機。51單片機發(fā)送脈沖給步進電機驅(qū)動器。驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，絲杠導軌帶動三軸磁傳感器進行二維掃描儀，實現(xiàn)對不同場點三個維度磁感應強度的測量。

將二維絲杠與亥姆霍茲線圈緊靠，二維絲杠的橫向與線圈的軸線垂直，二維絲杠的縱向沿著線圈的軸線。利用長度合適的碳纖維方棒，將三軸磁傳感器固定在導軌滑塊上。碳纖維方棒與線圈軸線平行，三軸磁傳感器平面水平，傳感器平面上標記的Y方向沿著碳纖維方棒方向，三軸磁傳感器橫向掃描時剛好沿著線圈直徑。當步進電機帶動二維絲杠滑塊進行二維掃描時，三軸磁傳感器在過線圈軸線的水平面內(nèi)進行測量。

試驗中使用的磁傳感器是GY-273QMC5883L三軸磁場傳感器。該傳感器具有小尺寸、小體積、免校準、高精度、低功耗和低成本等優(yōu)點，供電電壓為3～5 V，通信方式為IIC通信協(xié)議，測量范圍為±(1.3～8)Gs。試驗使用DH4501A型亥姆霍茲線圈磁場試驗儀所配線圈。考慮到線圈自身的尺度和三軸磁傳感器的線度，確定線圈過軸線平面可測范圍為16 cm×40 cm。由于使用了兩個2GT-16同步齒形帶輪和2GT-6 mm同步帶，2GT齒寬為2 mm，所以步進電機每轉(zhuǎn)一周，同步齒形帶輪也跟著轉(zhuǎn)一周，同步帶走過16個齒寬，即32 mm。將步進電機驅(qū)動器的細分設(shè)置為步距角等于0.9°，每走一步，三軸磁傳感器在X方向或Y方向移動的距離為0.08 mm。設(shè)線圈的軸線方向為X方向，垂直于線圈軸線的方向為Y方向。X方向需要2 000個脈沖，可以掃描16 cm；Y方向需要5 000個脈沖，可以掃描40 cm。假設(shè)每串脈沖的個數(shù)為100個，則相鄰測量點之間的距離為8 mm，剛好構(gòu)成21×51的矩陣。

1.2 軟件設(shè)計

利用C語言編寫了測量程序：通過步進電機驅(qū)動器控制步進電機的轉(zhuǎn)動，利用步進電機帶動絲杠導軌運動，從而實現(xiàn)三軸磁傳感器的二維掃描。通過51單片機的I2C采集三軸磁傳感器輸出的數(shù)字信號，51單片機將信號發(fā)給STM32。STM32再將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，顯示并保存數(shù)據(jù)。測量程序流程如圖2所示。

圖2 測量程序流程圖

2 利用磁場測量儀描繪磁場

圖3給出圓電流在過軸線的平面上的磁感應強度分布。如圖3(a)所示，沿軸線方向，圓心處的磁感應強度既是軸線上的磁感應強度的極大值，也是圓電流所在平面上的磁感應強度的極小值。在y給定時，磁感應強度B(x)隨x的變化曲線是對稱的單峰凸曲線，在圓電流線圈平面處磁感應強度B(x)有極大值。這與羅興垅[8]用MATLAB計算的結(jié)果吻合。如圖3(b)所示，在垂直于軸線方向，軸線上各點的B(y)=0；在圓電流兩邊B(y)各有一個極大值和一個極小值，且關(guān)于圓心呈點對稱分布。這與王曉潁等[9]數(shù)值計算的結(jié)果一致。

圖3 載流圓線圈磁感應強度分布圖

圖4給出亥姆霍茲線圈在過軸線的平面上的磁感應強度分布。如圖4(a)所示，沿軸線方向，在亥姆霍茲線圈的中心存在一個平坦區(qū)域，預示該處可能存在一個勻場區(qū)域。與圖3(a)比較可知，亥姆霍茲線圈的磁感應強度分布可以看成是同方向兩個圓電流的磁感應強度的疊加。如圖4(b)所示，在垂直于軸線方向，軸線上各點的B(y)=0。B(y)關(guān)于亥姆霍茲線圈的中心點呈點對稱分布。在亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域，各點的B(y)基本等于零。結(jié)合圖4(a)可知，在亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域存在一個沿軸線方向的勻強磁場。該結(jié)果與張德根等[10]利用MATHEMATICA軟件計算的結(jié)果吻合。與圖3(b)比較可知，亥姆霍茲線圈的磁感應強度分布可以看作是同方向兩個圓電流的磁感應強度的疊加。

圖4 亥姆霍茲線圈磁感應強度分布圖

根據(jù)各點的B(y)和B(y)值，利用MATLAB可以繪制圓線圈和亥姆霍茲線圈在過軸線的平面上各點的磁感應強度矢量分布圖，如圖5所示。圖5中：?表示電流I的方向為垂直于紙面向里;⊙表示電流I的方向為垂直于紙面向外。

圖5 磁感應強度矢量分布圖

如圖5(a)所示，可以直觀地看出磁感應線是一些套在圓電流環(huán)上的閉合曲線，且圓電流方向與磁感應線方向符合右手螺旋定則。由圖5(b)可構(gòu)建亥姆霍茲線圈的磁感應線分布的物理圖像。從圖5(b)可直接看出，在亥姆霍茲線圈的中心區(qū)域的確存在一個沿軸向方向的勻強磁場區(qū)域。該結(jié)果與圖4的分析結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

利用三軸磁場傳感器和二維掃描系統(tǒng)，測量載流線圈在軸線方向和垂直于軸線方向磁感應強度的分布情況，利用MATLAB處理后得到了磁力線分布圖。三軸磁場傳感器的移動、數(shù)據(jù)的采集和存儲均實現(xiàn)了自動化，大大提高了磁場測量的效率。該研究不僅解決了電磁感應法定位不準、難以準確測量的問題，也解決了霍爾效應法不能描繪磁力線、手工操作費時費力和回程差的問題，在磁場的測量、教學和研究方面具有重要意義。