基于差動式三維磁場傳感器的高精度磁場測量系統(tǒng)

基于差動式三維磁場傳感器的高精度磁場測量系統(tǒng)

磁體測量系統(tǒng)是高能物理和核物理研究不可或缺的設(shè)備。例如，在開發(fā)高速磁體和高純度導(dǎo)致系統(tǒng)方面，必須通過測量設(shè)備內(nèi)每個點(diǎn)的空間磁體分布來評估設(shè)備的性能指標(biāo)。在研究高速磁浮列車時，還應(yīng)使用磁體測量系統(tǒng)來測量懸掛磁體、推動磁體和導(dǎo)向磁體，以測試每個磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并根據(jù)鐵路上可提供的電壓力。此外，磁體測量系統(tǒng)在評價損傷、醫(yī)學(xué)和環(huán)境磁體污染方面也發(fā)揮著重要作用。由于國產(chǎn)的磁場測量系統(tǒng)精度普遍偏低,目前在上述領(lǐng)域使用的磁場測量系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口,價格非常昂貴,而且大多數(shù)系統(tǒng)只能測量一維磁場或二維磁場,空間三維磁場的分布情況需要通過多次測量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理才能得到,無法實現(xiàn)快速測量.為此我們研制了三維磁場精密測量系統(tǒng),利用它可快速方便地對空間三維磁場進(jìn)行測量.1通過差動的方式來進(jìn)行磁場測量高性能三維磁敏傳感器的研制是三維磁場精密測量系統(tǒng)研制過程中首先要解決的問題.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10-7～10T,分辨率高,可以達(dá)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.在本系統(tǒng)中,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6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6個面上,互相平行的兩個面上的霍爾元件以差動的方式進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)式探頭的形式.同時由于霍爾元件以差動的方式進(jìn)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.霍爾元件選用了南京新捷中旭微電子有限公司生產(chǎn)的SJ系列砷化鎵(GaAs)霍爾元件,它具有磁靈敏度高、線性度優(yōu)良、溫度穩(wěn)定性好、不等位電壓低、體積小等優(yōu)點(diǎn),其功能框圖如圖1所示,圖1中Ii為霍爾元件的輸入驅(qū)動電流,VH為霍爾輸出電壓.其霍爾輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、輸入驅(qū)動電流(電壓)的函數(shù)關(guān)系分別如圖2和圖3所示.綜合圖2和圖3的數(shù)據(jù)可以看出,該器件的靈敏度系數(shù)KH近似為0.25mV/(mA×mT).應(yīng)用該器件所設(shè)計的三維磁敏傳感器的某一方向的電路連接示意圖如圖4所示(另外兩個方向的電路連接示意圖與圖4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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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,而霍爾輸出電壓得到了有效的放大.2電壓比測量法實現(xiàn)動態(tài)圖4所示傳感器電路的最大輸出電壓UO設(shè)計為±10V左右,經(jīng)壓頻變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入到微處理器的定時/計數(shù)輸入端,利用微處理器的內(nèi)部定時器在固定的時間間隔內(nèi)對V/F芯片的輸出信號進(jìn)行計數(shù),從而獲得數(shù)據(jù)采集的結(jié)果.因為霍爾元件的輸入電阻容易受到溫度變化的影響,這樣在采用恒壓源供電時,驅(qū)動回路中的電流就會隨溫度變化,導(dǎo)致在被測磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時,其霍爾輸出電壓也會發(fā)生漂移,從而影響磁場測量的精度,所以一般使用霍爾元件進(jìn)行磁場測量時,都需要設(shè)計電流源電路來提供恒定的輸入驅(qū)動電流、抵消溫度變化對霍爾元件輸入電阻的影響.但是簡單的電流源電路并不能高精度地提供恒定的驅(qū)動電流,而將整個系統(tǒng)置于恒溫箱中又過于復(fù)雜,所以我們采用了電壓比測量法來實現(xiàn)對磁場的精密測量.如圖4所示,霍爾元件和電阻R串聯(lián)在同一個回路中,流過電阻R的電流是霍爾元件驅(qū)動電流的2倍;當(dāng)由于磁電阻效應(yīng)和溫度變化引起霍爾元件內(nèi)阻變化時,兩個霍爾元件的驅(qū)動電流會發(fā)生變化,同時流過電阻R的電流也會同步發(fā)生變化,且傳感器的輸出電壓和電阻R上的壓降均與驅(qū)動電流成正比.當(dāng)流過兩個霍爾元件的驅(qū)動電流均為I時,由于傳感器的輸出電壓UO=KIB,電阻R上的壓降UR=2IR,所以只要交替采集傳感器的輸出電壓UO和電阻R上的壓降UR,磁感應(yīng)強(qiáng)度B即可根據(jù)UO與UR的比值求出,即B=(2R/K)×(UO/UR),(1)B=(2R/Κ)×(UΟ/UR),(1)式中:系數(shù)K為霍爾元件的靈敏度系數(shù)和差分放大器放大倍數(shù)的乘積的2倍.因為上式中不含驅(qū)動電流I,所以采用電壓比測量法消除了驅(qū)動電流變化對磁場測量精度的影響.由于霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH同樣會受到溫度變化的影響,所以要實現(xiàn)磁場的精密測量,還需要考慮這一因素的影響.由上面的分析可以知道,當(dāng)溫度變化時,霍爾元件的輸入電阻會發(fā)生變化,導(dǎo)致其驅(qū)動回路中的電流變化,引起電阻R兩端的壓降UR變化,從而溫度的變化情況可以通過對UR的采集間接得到;霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH與溫度也有一定的對應(yīng)關(guān)系.因此,在系統(tǒng)的設(shè)計過程中,應(yīng)該在被測磁感應(yīng)強(qiáng)度固定的情況下,對霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH與電阻R兩端壓降UR之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定,在系統(tǒng)軟件中利用UR的實時采集結(jié)果對霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH進(jìn)行修正.3零系統(tǒng)調(diào)整和校正3.1不等位電壓的放通過調(diào)節(jié)圖4所示電路中電位器R2的阻值,可以在被測磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時使傳感器的輸出電壓UO為0,即兩個霍爾元件的不等位輸出電壓經(jīng)過差分放大后被相互抵消.3.2系統(tǒng)標(biāo)定方法由于本系統(tǒng)的探頭采用了線性元件,且系統(tǒng)的量程在探頭的線性傳輸范圍之內(nèi),所選用的放大器和數(shù)據(jù)采集器件也都具有很好的線性度,所以整個系統(tǒng)具有良好的線性特征.在標(biāo)定時,只需選取系統(tǒng)量程中間某點(diǎn)已知磁感應(yīng)強(qiáng)度值進(jìn)行定標(biāo)即可.系統(tǒng)的三個測量方向應(yīng)分別進(jìn)行標(biāo)定.系統(tǒng)的標(biāo)定包括系統(tǒng)準(zhǔn)確度的標(biāo)定和系統(tǒng)溫度系數(shù)的標(biāo)定兩個環(huán)節(jié).根據(jù)系統(tǒng)的量程及準(zhǔn)確度,選用了計算線圈法進(jìn)行標(biāo)定.此法是制作一個精密長直螺線管,精確測量它的幾何尺寸,其中,真空中的磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7,N為匝數(shù),L為螺線管的長度,D為直徑,I為通過螺線管的電流,根據(jù)公式B=μ0NIL2+D2√?(2)B=μ0ΝΙL2+D2?(2)計算出該螺線管幾何中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,以此值作為系統(tǒng)的定標(biāo)值;該方法的準(zhǔn)確度可以達(dá)到10-5.在一定的環(huán)境溫度下,調(diào)節(jié)圖4所示電路中電位器R1的阻值,使系統(tǒng)的測量結(jié)果與定標(biāo)值相同即可,并記錄下此時電阻R兩端的壓降UR.固定電位器R1的阻值和磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變,在不同的環(huán)境溫度下重復(fù)進(jìn)行測量,并記錄下B的測量結(jié)果與電阻R兩端壓降UR的對應(yīng)關(guān)系,利用這一關(guān)系就可以在軟件中對霍爾元件的靈敏度系數(shù)KH進(jìn)行修正.4理論計算結(jié)果分析利用所設(shè)計的三維精密磁場測量系統(tǒng)對長直螺線