基于差动式三维磁场传感器的高精度磁场测量系统

基于差动式三维磁场传感器的高精度磁场测量系统

磁体测量系统是高能物理和核物理研究不可或缺的设备。例如，在开发高速磁体和高纯度导致系统方面，必须通过测量设备内每个点的空间磁体分布来评估设备的性能指标。在研究高速磁浮列车时，还应使用磁体测量系统来测量悬挂磁体、推动磁体和导向磁体，以测试每个磁体的磁感应强度，并根据铁路上可提供的电压力。此外，磁体测量系统在评价损伤、医学和环境磁体污染方面也发挥着重要作用。由于国产的磁场测量系统精度普遍偏低,目前在上述领域使用的磁场测量系统主要依赖进口,价格非常昂贵,而且大多数系统只能测量一维磁场或二维磁场,空间三维磁场的分布情况需要通过多次测量和复杂的数据处理才能得到,无法实现快速测量.为此我们研制了三维磁场精密测量系统,利用它可快速方便地对空间三维磁场进行测量.1通过差动的方式来进行磁场测量高性能三维磁敏传感器的研制是三维磁场精密测量系统研制过程中首先要解决的问题.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10-7～10T,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.在本系统中,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6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6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.霍尔元件选用了南京新捷中旭微电子有限公司生产的SJ系列砷化镓(GaAs)霍尔元件,它具有磁灵敏度高、线性度优良、温度稳定性好、不等位电压低、体积小等优点,其功能框图如图1所示,图1中Ii为霍尔元件的输入驱动电流,VH为霍尔输出电压.其霍尔输出电压与磁感应强度B、输入驱动电流(电压)的函数关系分别如图2和图3所示.综合图2和图3的数据可以看出,该器件的灵敏度系数KH近似为0.25mV/(mA×mT).应用该器件所设计的三维磁敏传感器的某一方向的电路连接示意图如图4所示(另外两个方向的电路连接示意图与图4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,而霍尔输出电压得到了有效的放大.2电压比测量法实现动态图4所示传感器电路的最大输出电压UO设计为±10V左右,经压频变换器转换为数字信号后输入到微处理器的定时/计数输入端,利用微处理器的内部定时器在固定的时间间隔内对V/F芯片的输出信号进行计数,从而获得数据采集的结果.因为霍尔元件的输入电阻容易受到温度变化的影响,这样在采用恒压源供电时,驱动回路中的电流就会随温度变化,导致在被测磁感应强度不变时,其霍尔输出电压也会发生漂移,从而影响磁场测量的精度,所以一般使用霍尔元件进行磁场测量时,都需要设计电流源电路来提供恒定的输入驱动电流、抵消温度变化对霍尔元件输入电阻的影响.但是简单的电流源电路并不能高精度地提供恒定的驱动电流,而将整个系统置于恒温箱中又过于复杂,所以我们采用了电压比测量法来实现对磁场的精密测量.如图4所示,霍尔元件和电阻R串联在同一个回路中,流过电阻R的电流是霍尔元件驱动电流的2倍;当由于磁电阻效应和温度变化引起霍尔元件内阻变化时,两个霍尔元件的驱动电流会发生变化,同时流过电阻R的电流也会同步发生变化,且传感器的输出电压和电阻R上的压降均与驱动电流成正比.当流过两个霍尔元件的驱动电流均为I时,由于传感器的输出电压UO=KIB,电阻R上的压降UR=2IR,所以只要交替采集传感器的输出电压UO和电阻R上的压降UR,磁感应强度B即可根据UO与UR的比值求出,即B=(2R/K)×(UO/UR),(1)B=(2R/Κ)×(UΟ/UR),(1)式中:系数K为霍尔元件的灵敏度系数和差分放大器放大倍数的乘积的2倍.因为上式中不含驱动电流I,所以采用电压比测量法消除了驱动电流变化对磁场测量精度的影响.由于霍尔元件的灵敏度系数KH同样会受到温度变化的影响,所以要实现磁场的精密测量,还需要考虑这一因素的影响.由上面的分析可以知道,当温度变化时,霍尔元件的输入电阻会发生变化,导致其驱动回路中的电流变化,引起电阻R两端的压降UR变化,从而温度的变化情况可以通过对UR的采集间接得到;霍尔元件的灵敏度系数KH与温度也有一定的对应关系.因此,在系统的设计过程中,应该在被测磁感应强度固定的情况下,对霍尔元件的灵敏度系数KH与电阻R两端压降UR之间的关系进行标定,在系统软件中利用UR的实时采集结果对霍尔元件的灵敏度系数KH进行修正.3零系统调整和校正3.1不等位电压的放通过调节图4所示电路中电位器R2的阻值,可以在被测磁感应强度为0时使传感器的输出电压UO为0,即两个霍尔元件的不等位输出电压经过差分放大后被相互抵消.3.2系统标定方法由于本系统的探头采用了线性元件,且系统的量程在探头的线性传输范围之内,所选用的放大器和数据采集器件也都具有很好的线性度,所以整个系统具有良好的线性特征.在标定时,只需选取系统量程中间某点已知磁感应强度值进行定标即可.系统的三个测量方向应分别进行标定.系统的标定包括系统准确度的标定和系统温度系数的标定两个环节.根据系统的量程及准确度,选用了计算线圈法进行标定.此法是制作一个精密长直螺线管,精确测量它的几何尺寸,其中,真空中的磁导率μ0=4π×10-7,N为匝数,L为螺线管的长度,D为直径,I为通过螺线管的电流,根据公式B=μ0NIL2+D2√‚(2)B=μ0ΝΙL2+D2‚(2)计算出该螺线管几何中心处的磁感应强度B,以此值作为系统的定标值;该方法的准确度可以达到10-5.在一定的环境温度下,调节图4所示电路中电位器R1的阻值,使系统的测量结果与定标值相同即可,并记录下此时电阻R两端的压降UR.固定电位器R1的阻值和磁感应强度B不变,在不同的环境温度下重复进行测量,并记录下B的测量结果与电阻R两端压降UR的对应关系,利用这一关系就可以在软件中对霍尔元件的灵敏度系数KH进行修正.4理论计算结果分析利用所设计的三维精密磁场测量系统对长直螺线