檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀的研制

李建良，翟傳旭，李淑清，付麗舒

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

隨著地球物理勘探的發(fā)展，地震勘探將進(jìn)入一個新的階段，即進(jìn)入了高分辨率、高保真度、高信噪比的精確詳查階段[1]．檢波器的技術(shù)參數(shù)直接影響數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，靈敏度和阻尼都是檢波器的重要技術(shù)指標(biāo)，在大批量生產(chǎn)過程中，最難控制的參數(shù)是阻尼[2].地震檢波器線圈架磁導(dǎo)率直接影響著這兩項(xiàng)重要指標(biāo)，特別是阻尼參數(shù)的一致性．因此，地震檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試方法的研究是十分重要的，其成果用于檢波器組裝生產(chǎn)線，可提高檢波器組裝的合格率和保障阻尼參數(shù)一致性．目前能夠測量檢波器線圈架磁導(dǎo)率的儀器少，而且大多是用計(jì)算機(jī)顯示，測量時間長、穩(wěn)定性不高、體積大不方便攜帶．

本文研制了一種基于ATmega128單片機(jī)的檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀，可測量與線圈架的磁導(dǎo)率成反比的導(dǎo)通頻率值，根據(jù)測量值可以選擇合適的磁鋼與線圈架搭配使用，以提高檢波器的性能．

1 測量原理

磁導(dǎo)率是軟磁材料的一個關(guān)鍵性指標(biāo)．對磁導(dǎo)率的測量基本上都是在標(biāo)準(zhǔn)樣環(huán)上繞線測量．首先測量出繞組線圈的電感，然后計(jì)算出材料的磁導(dǎo)率．一般是在樣環(huán)上繞N砸線圈，因此可推得電感的表達(dá)式為

式中：D 為環(huán)的外直徑；d為內(nèi)徑；h為環(huán)的高度，N為線圈的匝數(shù)．樣環(huán)如圖1所示．代入式(3)得電感和磁導(dǎo)率的關(guān)系為

圖1 測磁導(dǎo)率用的樣環(huán)Fig.1 Sample loop measuring permeability

把環(huán)的內(nèi)徑

式中：a為環(huán)的壁厚．

磁導(dǎo)率的測量是間接測量，即測出磁芯上繞組線圈的電感量，再用公式計(jì)算出磁芯材料磁導(dǎo)率．所以，磁導(dǎo)率的測試儀器也就是電感測試儀．按照電感的測試原理，設(shè)計(jì)了一種測量方法及測試電路．利用通電線圈中插入鐵芯會改變其電感的原理，選取輸出頻率比較穩(wěn)定的電容三點(diǎn)式振蕩電路作為檢測電路[3]，如圖2所示．

圖2 檢測電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the detection circuit

圖2中，電感L為纏繞的線圈，在線圈中放入被測線圈架，使得振蕩電路輸出的頻率值發(fā)生相應(yīng)的變化．振蕩器的振蕩頻率為

可推導(dǎo)出電感為

由式(4)和式(6)可推出磁導(dǎo)率和振蕩頻率值之間的關(guān)系

式(7)表明，磁導(dǎo)率與檢測電路振蕩頻率的平方成反比．由此可得磁導(dǎo)率與頻率值的對應(yīng)關(guān)系

式中：0μ、0f分別為未放入線圈架時檢測電路的磁導(dǎo)率和振蕩頻率；1μ為待測線圈架的磁導(dǎo)率；1f為對應(yīng)的頻率值，稱其為導(dǎo)通頻率．

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由正弦信號發(fā)生、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和顯示 4部分電路組成．系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 3所示．

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.3 Architecture diagram of system hardware

產(chǎn)生正弦信號的信號發(fā)生模塊即為圖 2檢測電路．信號調(diào)理及采集電路見圖 4，其中信號調(diào)理由LM393完成，信號輸入端 INA＋與圖 2中電感線圈的下端連接，利用電壓比較的原理將振蕩電路輸出的正弦波信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號；信號采集電路利用單片機(jī)的 PD6引腳采集 LM393的脈沖輸出．AVR單片機(jī)內(nèi)部集成了定時/計(jì)數(shù)器，利用其定時計(jì)數(shù)器功能用電子計(jì)數(shù)法來采集頻率，主要是在單位定時時間里對被測信號脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)．這里主要是對高頻信號進(jìn)行采集，所以運(yùn)用測頻法[4]．用于信號顯示的液晶屏選用LCM128645ZK．

圖4 信號調(diào)理及采集電路原理圖Fig.4 Diagram of signal conditioning and collecting circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

采用 ICC AVR 軟件進(jìn)行單片機(jī)編程[5]．主程序的主要任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)初始化、識別和解釋命令，并獲得轉(zhuǎn)入相應(yīng)服務(wù)程序的入口，以便完成相應(yīng)的功能，并協(xié)調(diào)各部分軟、硬件有條不紊地工作．單片機(jī)系統(tǒng)主程序流程如圖5所示．

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main program

系統(tǒng)初始化主要是初始化硬件設(shè)備和分配寄存器，寄存器主要包括數(shù)據(jù)存儲寄存器、工作狀態(tài)寄存器等．正常工作時系統(tǒng)采集信號發(fā)生電路輸出的頻率值，并在定時時間內(nèi)對頻率值進(jìn)行累加，然后由數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，消除程序掃描對采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，并將處理后的數(shù)據(jù)通過液晶屏進(jìn)行顯示．顯示結(jié)果為導(dǎo)通頻率值，單位為Hz．

4 實(shí) 驗(yàn)

圖 6為測試儀實(shí)物圖．從測試儀上部的圓孔插入待測線圈架；液晶屏可以實(shí)時地顯示導(dǎo)通頻率；加減按鈕可以補(bǔ)償頻率值．

圖6 測試儀實(shí)物Fig.6 Physical testing instrument

采用美國福祿克公司生產(chǎn)的 PM6304/031精密電橋?qū)Ψ謩e放入20個檢波器線圈架的樣環(huán)電感值進(jìn)行了測量，通過式(2)轉(zhuǎn)換為磁導(dǎo)率作為標(biāo)準(zhǔn)值．用本測試儀對這20只檢波器線圈架重復(fù)進(jìn)行了100次測量，得到導(dǎo)通頻率，求其平均值和重復(fù)性誤差，并用式(7)換算為磁導(dǎo)率．實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1．

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment results

從表1可以看出，測試儀導(dǎo)通頻率的最大重復(fù)性誤差為 2,Hz，磁導(dǎo)率相對誤差絕對值的最大值為0.90%，平均值為 0.39%．可見，檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀的測試精度高、重復(fù)性好．

5 結(jié) 語

本文對檢波器線圈架磁導(dǎo)率測試儀的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．系統(tǒng)采用能夠輸出穩(wěn)定頻率信號的電容三點(diǎn)式振蕩電路作信號發(fā)生電路，采用 AVR單片機(jī)對頻率信號進(jìn)行采集，并將反映檢波器磁導(dǎo)率的頻率值實(shí)時地在液晶屏上顯示．實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性．工廠實(shí)際應(yīng)用也證實(shí)了系統(tǒng)的實(shí)用性．

［1］ 易碧金. 復(fù)雜地區(qū)地震數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油物探裝備，1994，4(3)：7–12.

［2］ 王維波，周瑤琪，栗寶鵑，等. 基于 Cirrus地球物理測量芯片的微地震數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J]. 物探裝備，2009，19(5)：281–285.

［3］ 周躍慶. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教程[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2005：203–209.

［4］ 彭芬. 基于單片機(jī)的低頻頻率量采集設(shè)計(jì)[J]. 武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7(3)：77–73，82.

［5］ 陳冬云，杜敬倉，任柯燕. ATmega128單片機(jī)原理與開發(fā)指導(dǎo)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：292–304.