一 种 三 维 矢 量 磁 场 测 量 仪 的 设 计

刘梦欣， 李锦明， 成乃朋， 成雅丽

(中北大学 仪器与电子学院，太原 030051)

0 引 言

随着电磁发射技术的飞速发展，人们对电磁发射系统的可控性和稳定性提出了更高的要求。电磁设备发射过程中产生的低频强磁场会对电源系统和控制系统造成严重的干扰[1-2]，如何精准、实时地获取电磁炮发射过程中磁场数据，是研究电磁发射过程中磁场特性，提高电磁发射设备稳定性和可控性亟待解决的问题。目前国产的磁场测量仪器精度普遍偏低，进口仪器价格昂贵，且大多数系统只能测量一维磁场或者二维磁场，空间三维磁场分布情况需要通过多次测量和复杂的数据处理才能得到，无法实现快速准确的测量[3-4]。

本文设计的三维矢量磁场测量仪通过使用具有差分对称结构的点式探头，设计模值运算电路，完成空间点三维磁场强度大小的实时测量，通过AD转换模块将X、Y、Z方向的磁场分量转换为数字分量由FPGA完成数据处理，得到测量点的方向角。相对于传统的磁场测量仪，该三维矢量磁场测量仪稳定性好、测量精度高，既能测量空间点的磁场强度大小，又能判断测量点的方向，可广泛应用于磁场监测与控制领域。

1 三维矢量磁场测量原理

三维空间任意点的磁场强度B可以分解成3个相互垂直的分量Bx、By、Bz，如图1所示，且满足：

(1)

(2)

式中：|B|为磁场强度B的模值;θ、γ、β分别为磁场强度B的方向角。采用差分对称点式探头获取X、Y、Z方向的磁场强度分量Bx、By、Bz后，即可求得测量点空间三维磁场强度大小|B|与方向角θ、γ、β。

图1 空间三维磁场矢量图

2 实时三维磁场测量仪的总体设计

实时三维磁场测量仪的总框图如图2所示，主要由三维点式探头、信号调理电路、模值运算电路、ADC转换模块、FPGA控制模块、显示模块、及电源管理模块构成[5-7]。

图2 系统总体框图

系统工作流程如下：系统上电后，三维差分点式探头将X、Y、Z方向磁场分量转换为差分电信号UBx(n,p)、UBy(n,p)、UBz(n,p)，经差分放大后输出UBx、UBy、UBz至模值运算电路求取测量点磁场强度的大小U|B|。测量点X、Y、Z方向的磁场分量及磁场强度的大小U|B|经低通滤波后，由AD转换芯片转换为相应通道的数字信号，最后由FPGA完成方向角的计算及数据的存储与显示。

2.1 三维差分点式传感探头设计

由于线性霍尔器件灵敏度高、体积小、适应频率和稳定范围广，可用来测量“点”磁场，且适应性强，既可测量恒定磁场，又可测量交变磁场，故而在本系统中采用6片高灵敏度线性霍尔元件分布在正方体相互正交的三个面构成三维点式探头[8-9]。如图3(a)所示,每个方向均有一对差分输出UBn、UBp。为了满足点式测量，提高测量精度，传感器探头采用超薄柔性电路板完成点式探头制作,如图3(b)所示。

(a)

(b)

2.2 信号调理电路设计

为了满足AD转换模块的电压输入要求，提高模值运算电路的精度，信号调理电路成为设计中必不可少的一部分[10]。

信号调理电路由差分放大电路、低通滤波电路组成,如图4所示。其中，差分放大电路采用低功率全差分运算放大器与比例运算电路实现两级放大，低通滤波采用二阶巴特沃斯低通滤波电路实现。

图4 信号调理电路原理图

X、Y、Z方向的差分电信号UBx(n,p)、UBy(n,p)、UBz(n,p)由N、P处进入差分放大电路，经放大后由A点输出UBx、UBy、UBz进入低通滤波电路滤除电路及环境的干扰噪声，并由B点输出至AD转换模块。

2.3 模值运算电路设计

为了实时获取测量点空间三维磁场强度的大小，即B的模值|B|，设计了模值运算电路，通过对X、Y、Z方向的磁场强度信号UBx、UBy、UBz的处理，完成磁场强度模值信号U|B|的实时获取。模值运算电路由平方和运算电路与开方运算电路组成。

图5所示为平方和运算电路原理图，其中R11=R12=R13=R14。X、Y、Z3个方向的磁场强度信号UBx、UBy、UBz分别由C、D、F处进入平方和运算电路，平方运算由器件AD633完成并输出至点F、G、H作为反相输入加法电路的输入，由运算放大器实现加法运算，并输出至点I，

由式(4)可知,UI为负值，可满足后续开方运算电路的输入必须为负电压的要求。图6所示为开方运算电路原理图。其中，R17/R16=100，由AD633完成平方运算构成反函数型的开方运算电路[11-14]。

图5 平方和运算电路原理图

图6 开方运算电路原理图

分析开方运算电路有：

(5)

由(5)可得：

(6)

因此，为了保证运放反馈极性，I点输入UI必须为负电压，由式(4)可知UI满足负电压的条件，且有：

(7)

2.4 A/D转换模块设计

A/D转换单元负责将UBx、UBy、UBz、U|B|4路模拟信号转换为数字信号，选用4通道逐次逼近型模数转换器AD7904，设置采样方式为4路循环采样，二进制补码输出编码方式，输入范围-2.5～2.5 V。A/D采集电路原理图如图7所示。

图7 A/D采集电路原理图

3 测试与验证

3.1 模值运算电路测试

图8 模值运算电路各信号波形图

为了验证模值运算电路的有效性，测量模值运算电路的精度，设置UBy=UBz=0,采用高精度电压表对信号进行测量，测量结果如表1所示。由表1可知，当矢量和运算电路的输入大于1.0 V时，电路的相对误差<2%。因此，针对不同磁场强度范围，需通过调节差分放大电路的放大倍数，使得输入模值运算电路的信号大于1 V，以满足电路的高测量要求。

3.2 三维矢量磁场测量仪总体测试

采用三维矢量磁场测量仪测量圆形磁铁中心轴线上的磁场强度，在确定磁场强度大致范围为-300～+300 mT后，调整合适的电路参数，测试结果如表2所示，表2测试结果绘制测量误差分析图如图9所示，为了便于显示，数据已进行四舍五入。

表1 模值运算电路测试结果

表2 三维矢量磁场测量仪总体测试结果

图9 三维矢量磁场测量仪测试结果误差分析图

由图9可知，该三维矢量磁场测量仪总测量测量误差小，精度高，测量的磁场强度大小的相对误差小于1%，方向角的绝对误差小于1°。

4 结 语

三维矢量磁场强度的测量在磁场监测与控制领域具有重大的实践意义和研究价值。本文设计的三维矢量磁场测量仪通过设计模值运算电路实现三维磁场强度大小实时计算，并由FPGA完成方向角的计算，测量误差小，功能模块化，可根据实际测量需要选择合适的磁传感器，调节电路的放大倍数实现不同特性磁场的高精度可靠测量，可广泛应用于各种磁场测量领域，具有很好的实际应用价值。