一 種 三 維 矢 量 磁 場 測 量 儀 的 設 計

劉夢欣， 李錦明， 成乃朋， 成雅麗

(中北大學 儀器與電子學院，太原 030051)

0 引 言

隨著電磁發射技術的飛速發展，人們對電磁發射系統的可控性和穩定性提出了更高的要求。電磁設備發射過程中產生的低頻強磁場會對電源系統和控制系統造成嚴重的干擾[1-2]，如何精準、實時地獲取電磁炮發射過程中磁場數據，是研究電磁發射過程中磁場特性，提高電磁發射設備穩定性和可控性亟待解決的問題。目前國產的磁場測量儀器精度普遍偏低，進口儀器價格昂貴，且大多數系統只能測量一維磁場或者二維磁場，空間三維磁場分布情況需要通過多次測量和復雜的數據處理才能得到，無法實現快速準確的測量[3-4]。

本文設計的三維矢量磁場測量儀通過使用具有差分對稱結構的點式探頭，設計模值運算電路，完成空間點三維磁場強度大小的實時測量，通過AD轉換模塊將X、Y、Z方向的磁場分量轉換為數字分量由FPGA完成數據處理，得到測量點的方向角。相對于傳統的磁場測量儀，該三維矢量磁場測量儀穩定性好、測量精度高，既能測量空間點的磁場強度大小，又能判斷測量點的方向，可廣泛應用于磁場監測與控制領域。

1 三維矢量磁場測量原理

三維空間任意點的磁場強度B可以分解成3個相互垂直的分量Bx、By、Bz，如圖1所示，且滿足：

(1)

(2)

式中：|B|為磁場強度B的模值;θ、γ、β分別為磁場強度B的方向角。采用差分對稱點式探頭獲取X、Y、Z方向的磁場強度分量Bx、By、Bz后，即可求得測量點空間三維磁場強度大小|B|與方向角θ、γ、β。

圖1 空間三維磁場矢量圖

2 實時三維磁場測量儀的總體設計

實時三維磁場測量儀的總框圖如圖2所示，主要由三維點式探頭、信號調理電路、模值運算電路、ADC轉換模塊、FPGA控制模塊、顯示模塊、及電源管理模塊構成[5-7]。

圖2 系統總體框圖

系統工作流程如下：系統上電后，三維差分點式探頭將X、Y、Z方向磁場分量轉換為差分電信號UBx(n,p)、UBy(n,p)、UBz(n,p)，經差分放大后輸出UBx、UBy、UBz至模值運算電路求取測量點磁場強度的大小U|B|。測量點X、Y、Z方向的磁場分量及磁場強度的大小U|B|經低通濾波后，由AD轉換芯片轉換為相應通道的數字信號，最后由FPGA完成方向角的計算及數據的存儲與顯示。

2.1 三維差分點式傳感探頭設計

由于線性霍爾器件靈敏度高、體積小、適應頻率和穩定范圍廣，可用來測量“點”磁場，且適應性強，既可測量恒定磁場，又可測量交變磁場，故而在本系統中采用6片高靈敏度線性霍爾元件分布在正方體相互正交的三個面構成三維點式探頭[8-9]。如圖3(a)所示,每個方向均有一對差分輸出UBn、UBp。為了滿足點式測量，提高測量精度，傳感器探頭采用超薄柔性電路板完成點式探頭制作,如圖3(b)所示。

(a)

(b)

2.2 信號調理電路設計

為了滿足AD轉換模塊的電壓輸入要求，提高模值運算電路的精度，信號調理電路成為設計中必不可少的一部分[10]。

信號調理電路由差分放大電路、低通濾波電路組成,如圖4所示。其中，差分放大電路采用低功率全差分運算放大器與比例運算電路實現兩級放大，低通濾波采用二階巴特沃斯低通濾波電路實現。

圖4 信號調理電路原理圖

X、Y、Z方向的差分電信號UBx(n,p)、UBy(n,p)、UBz(n,p)由N、P處進入差分放大電路，經放大后由A點輸出UBx、UBy、UBz進入低通濾波電路濾除電路及環境的干擾噪聲，并由B點輸出至AD轉換模塊。

2.3 模值運算電路設計

為了實時獲取測量點空間三維磁場強度的大小，即B的模值|B|，設計了模值運算電路，通過對X、Y、Z方向的磁場強度信號UBx、UBy、UBz的處理，完成磁場強度模值信號U|B|的實時獲取。模值運算電路由平方和運算電路與開方運算電路組成。

圖5所示為平方和運算電路原理圖，其中R11=R12=R13=R14。X、Y、Z3個方向的磁場強度信號UBx、UBy、UBz分別由C、D、F處進入平方和運算電路，平方運算由器件AD633完成并輸出至點F、G、H作為反相輸入加法電路的輸入，由運算放大器實現加法運算，并輸出至點I，

由式(4)可知,UI為負值，可滿足后續開方運算電路的輸入必須為負電壓的要求。圖6所示為開方運算電路原理圖。其中，R17/R16=100，由AD633完成平方運算構成反函數型的開方運算電路[11-14]。

圖5 平方和運算電路原理圖

圖6 開方運算電路原理圖

分析開方運算電路有：

(5)

由(5)可得：

(6)

因此，為了保證運放反饋極性，I點輸入UI必須為負電壓，由式(4)可知UI滿足負電壓的條件，且有：

(7)

2.4 A/D轉換模塊設計

A/D轉換單元負責將UBx、UBy、UBz、U|B|4路模擬信號轉換為數字信號，選用4通道逐次逼近型模數轉換器AD7904，設置采樣方式為4路循環采樣，二進制補碼輸出編碼方式，輸入范圍-2.5～2.5 V。A/D采集電路原理圖如圖7所示。

圖7 A/D采集電路原理圖

3 測試與驗證

3.1 模值運算電路測試

圖8 模值運算電路各信號波形圖

為了驗證模值運算電路的有效性，測量模值運算電路的精度，設置UBy=UBz=0,采用高精度電壓表對信號進行測量，測量結果如表1所示。由表1可知，當矢量和運算電路的輸入大于1.0 V時，電路的相對誤差<2%。因此，針對不同磁場強度范圍，需通過調節差分放大電路的放大倍數，使得輸入模值運算電路的信號大于1 V，以滿足電路的高測量要求。

3.2 三維矢量磁場測量儀總體測試

采用三維矢量磁場測量儀測量圓形磁鐵中心軸線上的磁場強度，在確定磁場強度大致范圍為-300～+300 mT后，調整合適的電路參數，測試結果如表2所示，表2測試結果繪制測量誤差分析圖如圖9所示，為了便于顯示，數據已進行四舍五入。

表1 模值運算電路測試結果

表2 三維矢量磁場測量儀總體測試結果

圖9 三維矢量磁場測量儀測試結果誤差分析圖

由圖9可知，該三維矢量磁場測量儀總測量測量誤差小，精度高，測量的磁場強度大小的相對誤差小于1%，方向角的絕對誤差小于1°。

4 結 語

三維矢量磁場強度的測量在磁場監測與控制領域具有重大的實踐意義和研究價值。本文設計的三維矢量磁場測量儀通過設計模值運算電路實現三維磁場強度大小實時計算，并由FPGA完成方向角的計算，測量誤差小，功能模塊化，可根據實際測量需要選擇合適的磁傳感器，調節電路的放大倍數實現不同特性磁場的高精度可靠測量，可廣泛應用于各種磁場測量領域，具有很好的實際應用價值。