基于三維磁敏傳感器的磁場測量系統(tǒng)

基于三維磁敏傳感器的磁場測量系統(tǒng)

磁體測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電機、帶電粒器、鋁電解槽等設(shè)備的磁體測量。在高速磁浮列車電磁場的研究過程中,也需要利用磁場測量系統(tǒng)對列車氣隙磁場的空間分布情況進行精確的測量。國內(nèi)外現(xiàn)有的磁場測量系統(tǒng)中所采用的傳感器一般都是一維傳感器,每次只能測量一個方向的磁場。當(dāng)需要測量空間中三維磁場的分布時,需要精確地調(diào)整傳感器的位置和姿態(tài)才能實現(xiàn),這就要求傳感器的運動控制系統(tǒng)具有多個自由度,如美國從事高能物理研究的GSI實驗室中磁場測量系統(tǒng)的運動控制平臺就具有6個自由度(三維旋轉(zhuǎn)加三維平移)。為了降低磁場測量系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高磁場的測量速度,我們設(shè)計了三維磁敏傳感器,并將其應(yīng)用于高速磁浮列車氣隙磁場測量系統(tǒng)中,取得了良好的效果。1制作磁敏傳感器當(dāng)前市場上存在的磁敏傳感器有多種類型,其中基于霍爾效應(yīng)的磁敏傳感器最為常見。霍爾傳感器的磁場測量范圍大,典型測量范圍為10-7～101T,分辨率高,可以達到10-7T,可用于測量交、直流磁場和脈沖磁場的各種分量,也可用于測量縫隙磁場。其不足之處是存在不等位輸出電壓,且輸出受溫度變化的影響較大。由于磁浮列車的氣隙磁場是個三維磁場,因此我們采用將霍爾元件粘貼在立方體表面的方法來制作三維磁敏傳感器。將六個性能參數(shù)相同的霍爾元件分別粘貼在一個很小的立方體(3mm×3mm×3mm)的六個面上,互相平行的兩個面上的霍爾元件以差動的方式進行電路連接,共同完成某一個方向的磁場測量;由于立方體相鄰的三個面彼此正交,從而就可以構(gòu)成一個三維的磁敏傳感器,用于測量立方體中心點磁場的三個分量。由于霍爾元件的體積很小,這種三維磁敏傳感器可以做成點式探頭的形式。同時由于霍爾元件以差動的方式進行電路連接,可以有效地減小不等位輸出電壓和溫度變化的影響。三維磁敏傳感器的某一方向的電路連接示意圖如圖1所示(另外兩個方向的電路連接示意圖與圖1完全相同)。H1和H2為粘貼在小立方體兩個互相平行表面上的兩個霍爾元件,采用差分的方式進行連接。因為霍爾元件的不等位輸出電壓是由于霍爾電極的裝配誤差等因素所造成的,與被測磁感應(yīng)強度無關(guān),而配對的兩個霍爾元件由于粘貼方向相反,被測磁感應(yīng)強度在兩個霍爾元件上所產(chǎn)生的霍爾輸出電壓的極性也相反,所以在這種連接方式下,H1和H2輸出的不等位電壓相當(dāng)于共模信號,而被測磁感應(yīng)強度所產(chǎn)生的霍爾輸出電壓相當(dāng)于差模信號。兩個霍爾元件的輸出信號接到差分放大器后,其不等位輸出電壓得到了抑制,而霍爾輸出電壓是單個霍爾元件輸出電壓的2倍。23d磁敏傳感器的誤差分析2.1輸出電壓的測量方法由于霍爾元件的輸出電壓與其垂直方向的磁感應(yīng)強度成正比,所以當(dāng)三維磁敏傳感器上的霍爾元件在粘貼時出現(xiàn)角度偏差(或者由立方體表面不平造成)時,將會對傳感器的測量精度帶來影響。如圖2所示,當(dāng)粘貼在立方體V上的霍爾元件H出現(xiàn)偏角θ時,原本垂直于立方體表面的磁感應(yīng)強度B在垂直于霍爾元件H表面方向上產(chǎn)生的分量BH為BH=Bcosθ(1)由于霍爾元件的輸出電壓只與垂直于其表面的磁感應(yīng)強度成正比,從而導(dǎo)致的相對測量誤差為當(dāng)θ不同時,所引入的相對測量誤差也不同,如表1所示。從表1可以看出,當(dāng)霍爾元件粘貼偏角θ小于2°時,所引入的測量誤差較小;當(dāng)粘貼偏角大于8°時,引入的測量相對誤差將大于1%。所以為了保證傳感器的測量精度,應(yīng)將霍爾元件的粘貼偏角嚴格控制在2°以內(nèi)。由三維磁敏傳感器的設(shè)計方法可知,每一方向磁感應(yīng)強度的測量結(jié)果由互相平行的兩個面上霍爾元件輸出電壓的平均值決定。當(dāng)傳感器互相平行的兩個面上的霍爾元件都出現(xiàn)偏角時,由于其引入的誤差由偏角的余弦值決定,而偏角的余弦值始終為正,所以不管這兩個霍爾元件的偏角是否一致,該方向由偏角引入的總的測量誤差都為兩個面上誤差的平均值。2.2測量結(jié)果的分析由于三維磁敏傳感器是將霍爾元件粘貼在立方體的表面構(gòu)成,所以傳感器的體積對測量精度有著較大的影響。假設(shè)傳感器的邊長為d,需要測量空間中某個方向上x這一點的磁感應(yīng)強度,而利用三維磁敏傳感器測量得到的是x+d/2和x-d/2這兩點磁感應(yīng)強度的平均值。如果測量對象是一個均勻場,結(jié)果當(dāng)然是等效的。但大多數(shù)情況下磁場的空間分布并不是均勻的,此時就需要評估傳感器的體積對測量精度的影響。如果被測磁場相對比較均勻,其不均勻度為a,并且這種不均勻性存在于傳感器所在位置處,被測點磁感應(yīng)強度的真實值為B,則采用所設(shè)計的三維磁敏傳感器進行測量時,測量結(jié)果為由此產(chǎn)生的相對測量誤差為如果被測磁場為不均勻磁場,當(dāng)磁感應(yīng)強度的變化梯度g(單位:T/m)是均勻的,被測點磁感應(yīng)強度的真實值為B,傳感器的邊長為d,則采用所設(shè)計的三維磁敏傳感器進行測量時,測量結(jié)果為測量結(jié)果與真實值相等,可見此時傳感器的體積不會對測量誤差產(chǎn)生影響。如果被測磁場為不均勻磁場,并且磁感應(yīng)強度的變化梯度也是不均勻的,假設(shè)傳感器互相平行的兩個測量表面上磁感應(yīng)強度的變化梯度分別為g1和g2,被測點磁感應(yīng)強度的真實值為B,傳感器的邊長為d,則采用所設(shè)計的三維磁敏傳感器進行測量時,測量結(jié)果為由此產(chǎn)生的相對測量誤差為式(7)對于傳感器體積對磁場測量精度影響的計算具有普遍性。為了證實這一點,我們以無限長導(dǎo)線在空氣中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的測量為例來進行說明。假設(shè)流過導(dǎo)線的電流為I,根據(jù)電磁場理論可知,與導(dǎo)線距離為r處的磁感應(yīng)強度為而采用三維磁敏傳感器的測量結(jié)果為由此產(chǎn)生的相對測量誤差為此時傳感器兩個互相平行的測量表面上磁感應(yīng)強度的變化梯度分別為將式(11)和式(12)代入式(7),同樣可以得出式(10),可見式(7)給出的分析結(jié)果具有普遍性。根據(jù)式(9)的計算結(jié)果,表2列出了當(dāng)d與r具有不同尺寸比時傳感器體積對無限長導(dǎo)線所產(chǎn)生磁場的測量精度的影響:從表2可以看出,傳感器的體積越小,引入的測量誤差越小;當(dāng)測量無限長導(dǎo)線在空氣中所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度時,為了保證測量精度,傳感器的邊長應(yīng)小于傳感器與激勵源距離的1/10。3傳感器的總體均方誤差從上面的分析可以看出,三維磁敏傳感器的測量精度受到霍爾元件的粘貼偏角和傳感器體積的影響,此外粘貼在三維磁敏傳感器表面上的霍爾元件本身還存在零位誤差和溫度誤差。根據(jù)誤差分析理論,傳感器的總體均方誤差σ可以使用下式進行估算:式中:σ1代表霍爾元件的粘貼偏角所導(dǎo)致的測量誤差,當(dāng)粘貼偏角在2°以內(nèi)時,該項誤差最大為0.06%;σ2代表傳感器體積所產(chǎn)生的測量誤差,一般可以控制在0.1%以內(nèi);σ3代表霍爾元件的零位誤差(主要