基于电磁感应法的交变磁场测量电路设计*

黄剑平,穆瑞珍,林海峰

(厦门理工学院福建省光电技术与器件重点实验室,福建 厦门 361024)

随着科技的发展,交变磁场的应用日益广泛,越来越多的领域都需要对交变磁场进行检测,如生物科技、医疗仪器、工业技术、军事科学、实验技术等[1-3]。交变磁场测量的方法有:电磁感应法、霍尔效应法、磁阻效应法、磁饱和法、磁共振法、磁光法等[4-7]。其中相比较其他方法,电磁感应法是最基本、最简单、最实用的测量方法,本文根据电磁感应法原理,设计了一种交变磁场测量电路。相比大多数测量交变磁场的传感器采用很多层漆包线绕制,这里采用薄层线圈绕制,线圈体积小,可应用于空间受限的场合。

1 基本测量原理与传感器设计

电磁感应法是基于法拉第电磁感应定律。把绕有匝数为N、截面积为S的圆形线圈放在磁场强度为B=Bmsin(ωt)的交变磁场中,线圈法线与磁感应线夹角为θ,如图1所示,则线圈中产生的感应电动势为[8]:

(1)

式中:εm=NSωBmcosθ为感应电动势的幅值,则

(2)

可以看出,要求得磁场强度,需要求出探测线圈的感应电动势幅值εm,磁场的角频率ω以及线圈法线与磁场方向的夹角θ。

图1 探测线圈位于交变磁场位置示意图

在探测磁场时,测得的是探测线圈界定范围内磁感应强度的平均值,为了能得到“点”的磁感应强度值,需要探测线圈满足一定的尺寸条件。如图2所示,D1、D2分为为绕线线圈的内径和外径,L为轴向绕线长度。当满足:

图4 前置精密放大电路

(3)

图2 线圈绕线结构图

实际制作中,采用线径为0.31 mm的漆包线在空心骨架上来回绕线2层,这样可近似当成薄层线圈,绕线骨架尺寸D1=11.06 mm,则绕线长度L应为11.06×0.866=9.578 mm,绕线总圈数为9.578÷0.31×2≈62圈。从线圈引出漆包线连接到电路板上时,需要拧成双绞线形式以较小干扰。

2 系统设计

2.1 系统硬件框图

整个系统的硬件设计框图如图3所示。探测交变磁场的线圈传感器产生微弱的感应电动势,经过由精密运放组成的前置放大电路放大后得到幅值较大的信号。放大电路的增益可调,由ATmega48单片机控制。一路信号经过精密全波整流电路,将交变信号转换为直流有效值信号,送到单片机进行AD采样。另一路信号经过比较整形电路,送到单片机进行周期测量,求出信号的频率值。

图3 系统硬件框图

2.2 前置精密放大电路

2.3 精密全波整流电路

图5 精密全波整流电路

2.4 单片机AD采样电路

图6 单片机AD采样电路

2.5 频率测量电路

要测量感应电动势信号的频率,需要将其转换为同频率的方波信号,如图7所示。经过前置放大后的信号,送到电压比较芯片LM311的正向比较输入端,与“地”电位进行比较。当信号大于0 V时,LM311输出端口的内部三极管截止,输出电压被电阻R1上拉,输出高电平VCC;当信号小于0 V时,LM311的内部输出三极管导通,输出接近0 V的低电平。LM311输出的信号再经过2个带施密特触发器功能的非门整形后,得到更平整的方波,送到ATmega48单片机的INT1外部中断口即PD3引脚进行信号的周期测量,从而求出其频率。

图7 比较整形电路

3 数据测量

3.1 波形观测

对所设计的电路进行测试。测试时,用亥姆霍兹线圈产生交变磁场,两个载流线圈同轴且间距与线圈本身的半径相同,将传感线圈放置于两个线圈圆心连线的中点处,线圈法线与磁场方向平行。设置线圈驱动交流电流的有效值为150 mA,频率为100 Hz,74HC4051的放大倍数设置为20倍,观测到放大后的波形如图8所示。

图5电路中的滤波电容C10先不焊,观测整流后的信号如图9所示,整流效果良好。接着焊上滤波电容C10,输出变为直流电平。

3.2 数据分析

(4)

式中:μ0为真空磁导率4π×10-7N·A-2,N′为亥姆霍兹线圈的匝数400,R为线圈半径0.1 m,IRMS为线圈驱动电流的有效值。计算所得数据如表1所示。

设置线圈的驱动电流固定为100 mA,逐步增加驱动频率,每次改变约50 Hz,计算相应的磁感应强度,如表2所示。

从上面测量结果可以看出,在测量范围内,测量结果的百分误差都在5%以内,测量相对准确。经分析,产生误差的原因主要有以下几个方面:①电阻精度引起放大倍数和整流误差,这可采用精度更高的电阻减小误差;②传感线圈引起的误差,今后根据实际情况可采用半径更大、更多匝数的探测线圈,另外,本文采用空心线圈进行探测,也可使用带磁芯的线圈以提高探测灵敏度,但在探测高频磁场时,需进一步考虑自感系数和杂散电容的影响;③多路开关74HC4051在导通时会有70 Ω～160 Ω的导通电阻,对第2级放大电路的放大倍数会产生影响,以后可选用导通电阻更小的多路开关芯片;④AD采样也有一定的误差。此外,选用更高精密度的运放和测量分辨率更高的单片机芯片,也能提高电路的性能。

表1 磁感应强度随驱动电流变化表

表2 磁感应强度随驱动频率变化表

4 小结

本文设计的交变磁场测量电路基于法拉第电磁感应原理,通过增益可控的前置放大电路和精密全波整流电路,将感应电动势进行放大后转换为有效值电压信号,通过比较整形电路将感应电动势整形为同频率的方波信号,通过单片机测量有效值和频率,从而求出磁感应强度的幅度值。传感器采用薄层线圈绕制,体积小巧,结构简单,在空间狭小的场合使用方便。探测电路结构简单,成本较低,性能稳定,测量结果准确,在交变磁场应用领域具有一定的实用价值。

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