基于三维磁敏传感器的磁场测量系统

基于三维磁敏传感器的磁场测量系统

磁体测量系统广泛应用于电机、带电粒器、铝电解槽等设备的磁体测量。在高速磁浮列车电磁场的研究过程中,也需要利用磁场测量系统对列车气隙磁场的空间分布情况进行精确的测量。国内外现有的磁场测量系统中所采用的传感器一般都是一维传感器,每次只能测量一个方向的磁场。当需要测量空间中三维磁场的分布时,需要精确地调整传感器的位置和姿态才能实现,这就要求传感器的运动控制系统具有多个自由度,如美国从事高能物理研究的GSI实验室中磁场测量系统的运动控制平台就具有6个自由度(三维旋转加三维平移)。为了降低磁场测量系统的复杂性,提高磁场的测量速度,我们设计了三维磁敏传感器,并将其应用于高速磁浮列车气隙磁场测量系统中,取得了良好的效果。1制作磁敏传感器当前市场上存在的磁敏传感器有多种类型,其中基于霍尔效应的磁敏传感器最为常见。霍尔传感器的磁场测量范围大,典型测量范围为10-7～101T,分辨率高,可以达到10-7T,可用于测量交、直流磁场和脉冲磁场的各种分量,也可用于测量缝隙磁场。其不足之处是存在不等位输出电压,且输出受温度变化的影响较大。由于磁浮列车的气隙磁场是个三维磁场,因此我们采用将霍尔元件粘贴在立方体表面的方法来制作三维磁敏传感器。将六个性能参数相同的霍尔元件分别粘贴在一个很小的立方体(3mm×3mm×3mm)的六个面上,互相平行的两个面上的霍尔元件以差动的方式进行电路连接,共同完成某一个方向的磁场测量;由于立方体相邻的三个面彼此正交,从而就可以构成一个三维的磁敏传感器,用于测量立方体中心点磁场的三个分量。由于霍尔元件的体积很小,这种三维磁敏传感器可以做成点式探头的形式。同时由于霍尔元件以差动的方式进行电路连接,可以有效地减小不等位输出电压和温度变化的影响。三维磁敏传感器的某一方向的电路连接示意图如图1所示(另外两个方向的电路连接示意图与图1完全相同)。H1和H2为粘贴在小立方体两个互相平行表面上的两个霍尔元件,采用差分的方式进行连接。因为霍尔元件的不等位输出电压是由于霍尔电极的装配误差等因素所造成的,与被测磁感应强度无关,而配对的两个霍尔元件由于粘贴方向相反,被测磁感应强度在两个霍尔元件上所产生的霍尔输出电压的极性也相反,所以在这种连接方式下,H1和H2输出的不等位电压相当于共模信号,而被测磁感应强度所产生的霍尔输出电压相当于差模信号。两个霍尔元件的输出信号接到差分放大器后,其不等位输出电压得到了抑制,而霍尔输出电压是单个霍尔元件输出电压的2倍。23d磁敏传感器的误差分析2.1输出电压的测量方法由于霍尔元件的输出电压与其垂直方向的磁感应强度成正比,所以当三维磁敏传感器上的霍尔元件在粘贴时出现角度偏差(或者由立方体表面不平造成)时,将会对传感器的测量精度带来影响。如图2所示,当粘贴在立方体V上的霍尔元件H出现偏角θ时,原本垂直于立方体表面的磁感应强度B在垂直于霍尔元件H表面方向上产生的分量BH为BH=Bcosθ(1)由于霍尔元件的输出电压只与垂直于其表面的磁感应强度成正比,从而导致的相对测量误差为当θ不同时,所引入的相对测量误差也不同,如表1所示。从表1可以看出,当霍尔元件粘贴偏角θ小于2°时,所引入的测量误差较小;当粘贴偏角大于8°时,引入的测量相对误差将大于1%。所以为了保证传感器的测量精度,应将霍尔元件的粘贴偏角严格控制在2°以内。由三维磁敏传感器的设计方法可知,每一方向磁感应强度的测量结果由互相平行的两个面上霍尔元件输出电压的平均值决定。当传感器互相平行的两个面上的霍尔元件都出现偏角时,由于其引入的误差由偏角的余弦值决定,而偏角的余弦值始终为正,所以不管这两个霍尔元件的偏角是否一致,该方向由偏角引入的总的测量误差都为两个面上误差的平均值。2.2测量结果的分析由于三维磁敏传感器是将霍尔元件粘贴在立方体的表面构成,所以传感器的体积对测量精度有着较大的影响。假设传感器的边长为d,需要测量空间中某个方向上x这一点的磁感应强度,而利用三维磁敏传感器测量得到的是x+d/2和x-d/2这两点磁感应强度的平均值。如果测量对象是一个均匀场,结果当然是等效的。但大多数情况下磁场的空间分布并不是均匀的,此时就需要评估传感器的体积对测量精度的影响。如果被测磁场相对比较均匀,其不均匀度为a,并且这种不均匀性存在于传感器所在位置处,被测点磁感应强度的真实值为B,则采用所设计的三维磁敏传感器进行测量时,测量结果为由此产生的相对测量误差为如果被测磁场为不均匀磁场,当磁感应强度的变化梯度g(单位:T/m)是均匀的,被测点磁感应强度的真实值为B,传感器的边长为d,则采用所设计的三维磁敏传感器进行测量时,测量结果为测量结果与真实值相等,可见此时传感器的体积不会对测量误差产生影响。如果被测磁场为不均匀磁场,并且磁感应强度的变化梯度也是不均匀的,假设传感器互相平行的两个测量表面上磁感应强度的变化梯度分别为g1和g2,被测点磁感应强度的真实值为B,传感器的边长为d,则采用所设计的三维磁敏传感器进行测量时,测量结果为由此产生的相对测量误差为式(7)对于传感器体积对磁场测量精度影响的计算具有普遍性。为了证实这一点,我们以无限长导线在空气中所产生的磁感应强度的测量为例来进行说明。假设流过导线的电流为I,根据电磁场理论可知,与导线距离为r处的磁感应强度为而采用三维磁敏传感器的测量结果为由此产生的相对测量误差为此时传感器两个互相平行的测量表面上磁感应强度的变化梯度分别为将式(11)和式(12)代入式(7),同样可以得出式(10),可见式(7)给出的分析结果具有普遍性。根据式(9)的计算结果,表2列出了当d与r具有不同尺寸比时传感器体积对无限长导线所产生磁场的测量精度的影响:从表2可以看出,传感器的体积越小,引入的测量误差越小;当测量无限长导线在空气中所产生的磁感应强度时,为了保证测量精度,传感器的边长应小于传感器与激励源距离的1/10。3传感器的总体均方误差从上面的分析可以看出,三维磁敏传感器的测量精度受到霍尔元件的粘贴偏角和传感器体积的影响,此外粘贴在三维磁敏传感器表面上的霍尔元件本身还存在零位误差和温度误差。根据误差分析理论,传感器的总体均方误差σ可以使用下式进行估算:式中:σ1代表霍尔元件的粘贴偏角所导致的测量误差,当粘贴偏角在2°以内时,该项误差最大为0.06%;σ2代表传感器体积所产生的测量误差,一般可以控制在0.1%以内;σ3代表霍尔元件的零位误差(主要