基于電磁感應(yīng)法的交變磁場(chǎng)測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

黃劍平,穆瑞珍,林海峰

(廈門理工學(xué)院福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361024)

隨著科技的發(fā)展,交變磁場(chǎng)的應(yīng)用日益廣泛,越來越多的領(lǐng)域都需要對(duì)交變磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè),如生物科技、醫(yī)療儀器、工業(yè)技術(shù)、軍事科學(xué)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等[1-3]。交變磁場(chǎng)測(cè)量的方法有:電磁感應(yīng)法、霍爾效應(yīng)法、磁阻效應(yīng)法、磁飽和法、磁共振法、磁光法等[4-7]。其中相比較其他方法,電磁感應(yīng)法是最基本、最簡單、最實(shí)用的測(cè)量方法,本文根據(jù)電磁感應(yīng)法原理,設(shè)計(jì)了一種交變磁場(chǎng)測(cè)量電路。相比大多數(shù)測(cè)量交變磁場(chǎng)的傳感器采用很多層漆包線繞制,這里采用薄層線圈繞制,線圈體積小,可應(yīng)用于空間受限的場(chǎng)合。

1 基本測(cè)量原理與傳感器設(shè)計(jì)

電磁感應(yīng)法是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。把繞有匝數(shù)為N、截面積為S的圓形線圈放在磁場(chǎng)強(qiáng)度為B=Bmsin(ωt)的交變磁場(chǎng)中,線圈法線與磁感應(yīng)線夾角為θ,如圖1所示,則線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為[8]:

(1)

式中:εm=NSωBmcosθ為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值,則

(2)

可以看出,要求得磁場(chǎng)強(qiáng)度,需要求出探測(cè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值εm,磁場(chǎng)的角頻率ω以及線圈法線與磁場(chǎng)方向的夾角θ。

圖1 探測(cè)線圈位于交變磁場(chǎng)位置示意圖

在探測(cè)磁場(chǎng)時(shí),測(cè)得的是探測(cè)線圈界定范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值,為了能得到“點(diǎn)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度值,需要探測(cè)線圈滿足一定的尺寸條件。如圖2所示,D1、D2分為為繞線線圈的內(nèi)徑和外徑,L為軸向繞線長度。當(dāng)滿足:

圖4 前置精密放大電路

(3)

圖2 線圈繞線結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際制作中,采用線徑為0.31 mm的漆包線在空心骨架上來回繞線2層,這樣可近似當(dāng)成薄層線圈,繞線骨架尺寸D1=11.06 mm,則繞線長度L應(yīng)為11.06×0.866=9.578 mm,繞線總?cè)?shù)為9.578÷0.31×2≈62圈。從線圈引出漆包線連接到電路板上時(shí),需要擰成雙絞線形式以較小干擾。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。探測(cè)交變磁場(chǎng)的線圈傳感器產(chǎn)生微弱的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過由精密運(yùn)放組成的前置放大電路放大后得到幅值較大的信號(hào)。放大電路的增益可調(diào),由ATmega48單片機(jī)控制。一路信號(hào)經(jīng)過精密全波整流電路,將交變信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流有效值信號(hào),送到單片機(jī)進(jìn)行AD采樣。另一路信號(hào)經(jīng)過比較整形電路,送到單片機(jī)進(jìn)行周期測(cè)量,求出信號(hào)的頻率值。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 前置精密放大電路

2.3 精密全波整流電路

圖5 精密全波整流電路

2.4 單片機(jī)AD采樣電路

圖6 單片機(jī)AD采樣電路

2.5 頻率測(cè)量電路

要測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的頻率,需要將其轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào),如圖7所示。經(jīng)過前置放大后的信號(hào),送到電壓比較芯片LM311的正向比較輸入端,與“地”電位進(jìn)行比較。當(dāng)信號(hào)大于0 V時(shí),LM311輸出端口的內(nèi)部三極管截止,輸出電壓被電阻R1上拉,輸出高電平VCC;當(dāng)信號(hào)小于0 V時(shí),LM311的內(nèi)部輸出三極管導(dǎo)通,輸出接近0 V的低電平。LM311輸出的信號(hào)再經(jīng)過2個(gè)帶施密特觸發(fā)器功能的非門整形后,得到更平整的方波,送到ATmega48單片機(jī)的INT1外部中斷口即PD3引腳進(jìn)行信號(hào)的周期測(cè)量,從而求出其頻率。

圖7 比較整形電路

3 數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 波形觀測(cè)

對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí),用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng),兩個(gè)載流線圈同軸且間距與線圈本身的半徑相同,將傳感線圈放置于兩個(gè)線圈圓心連線的中點(diǎn)處,線圈法線與磁場(chǎng)方向平行。設(shè)置線圈驅(qū)動(dòng)交流電流的有效值為150 mA,頻率為100 Hz,74HC4051的放大倍數(shù)設(shè)置為20倍,觀測(cè)到放大后的波形如圖8所示。

圖5電路中的濾波電容C10先不焊,觀測(cè)整流后的信號(hào)如圖9所示,整流效果良好。接著焊上濾波電容C10,輸出變?yōu)橹绷麟娖健?/p>

3.2 數(shù)據(jù)分析

(4)

式中:μ0為真空磁導(dǎo)率4π×10-7N·A-2,N′為亥姆霍茲線圈的匝數(shù)400,R為線圈半徑0.1 m,IRMS為線圈驅(qū)動(dòng)電流的有效值。計(jì)算所得數(shù)據(jù)如表1所示。

設(shè)置線圈的驅(qū)動(dòng)電流固定為100 mA,逐步增加驅(qū)動(dòng)頻率,每次改變約50 Hz,計(jì)算相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,如表2所示。

從上面測(cè)量結(jié)果可以看出,在測(cè)量范圍內(nèi),測(cè)量結(jié)果的百分誤差都在5%以內(nèi),測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。經(jīng)分析,產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面:①電阻精度引起放大倍數(shù)和整流誤差,這可采用精度更高的電阻減小誤差;②傳感線圈引起的誤差,今后根據(jù)實(shí)際情況可采用半徑更大、更多匝數(shù)的探測(cè)線圈,另外,本文采用空心線圈進(jìn)行探測(cè),也可使用帶磁芯的線圈以提高探測(cè)靈敏度,但在探測(cè)高頻磁場(chǎng)時(shí),需進(jìn)一步考慮自感系數(shù)和雜散電容的影響;③多路開關(guān)74HC4051在導(dǎo)通時(shí)會(huì)有70 Ω～160 Ω的導(dǎo)通電阻,對(duì)第2級(jí)放大電路的放大倍數(shù)會(huì)產(chǎn)生影響,以后可選用導(dǎo)通電阻更小的多路開關(guān)芯片;④AD采樣也有一定的誤差。此外,選用更高精密度的運(yùn)放和測(cè)量分辨率更高的單片機(jī)芯片,也能提高電路的性能。

表1 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電流變化表

表2 磁感應(yīng)強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)頻率變化表

4 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的交變磁場(chǎng)測(cè)量電路基于法拉第電磁感應(yīng)原理,通過增益可控的前置放大電路和精密全波整流電路,將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行放大后轉(zhuǎn)換為有效值電壓信號(hào),通過比較整形電路將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)整形為同頻率的方波信號(hào),通過單片機(jī)測(cè)量有效值和頻率,從而求出磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅度值。傳感器采用薄層線圈繞制,體積小巧,結(jié)構(gòu)簡單,在空間狹小的場(chǎng)合使用方便。探測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,性能穩(wěn)定,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,在交變磁場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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