檢波器線圈架磁導率測試儀的研制

李建良，翟傳旭，李淑清，付麗舒

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

隨著地球物理勘探的發展，地震勘探將進入一個新的階段，即進入了高分辨率、高保真度、高信噪比的精確詳查階段[1]．檢波器的技術參數直接影響數據采集的質量，靈敏度和阻尼都是檢波器的重要技術指標，在大批量生產過程中，最難控制的參數是阻尼[2].地震檢波器線圈架磁導率直接影響著這兩項重要指標，特別是阻尼參數的一致性．因此，地震檢波器線圈架磁導率測試方法的研究是十分重要的，其成果用于檢波器組裝生產線，可提高檢波器組裝的合格率和保障阻尼參數一致性．目前能夠測量檢波器線圈架磁導率的儀器少，而且大多是用計算機顯示，測量時間長、穩定性不高、體積大不方便攜帶．

本文研制了一種基于ATmega128單片機的檢波器線圈架磁導率測試儀，可測量與線圈架的磁導率成反比的導通頻率值，根據測量值可以選擇合適的磁鋼與線圈架搭配使用，以提高檢波器的性能．

1 測量原理

磁導率是軟磁材料的一個關鍵性指標．對磁導率的測量基本上都是在標準樣環上繞線測量．首先測量出繞組線圈的電感，然后計算出材料的磁導率．一般是在樣環上繞N砸線圈，因此可推得電感的表達式為

式中：D 為環的外直徑；d為內徑；h為環的高度，N為線圈的匝數．樣環如圖1所示．代入式(3)得電感和磁導率的關系為

圖1 測磁導率用的樣環Fig.1 Sample loop measuring permeability

把環的內徑

式中：a為環的壁厚．

磁導率的測量是間接測量，即測出磁芯上繞組線圈的電感量，再用公式計算出磁芯材料磁導率．所以，磁導率的測試儀器也就是電感測試儀．按照電感的測試原理，設計了一種測量方法及測試電路．利用通電線圈中插入鐵芯會改變其電感的原理，選取輸出頻率比較穩定的電容三點式振蕩電路作為檢測電路[3]，如圖2所示．

圖2 檢測電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the detection circuit

圖2中，電感L為纏繞的線圈，在線圈中放入被測線圈架，使得振蕩電路輸出的頻率值發生相應的變化．振蕩器的振蕩頻率為

可推導出電感為

由式(4)和式(6)可推出磁導率和振蕩頻率值之間的關系

式(7)表明，磁導率與檢測電路振蕩頻率的平方成反比．由此可得磁導率與頻率值的對應關系

式中：0μ、0f分別為未放入線圈架時檢測電路的磁導率和振蕩頻率；1μ為待測線圈架的磁導率；1f為對應的頻率值，稱其為導通頻率．

2 硬件系統設計

系統硬件主要由正弦信號發生、信號調理、數據采集和顯示 4部分電路組成．系統硬件結構如圖 3所示．

圖3 系統硬件結構Fig.3 Architecture diagram of system hardware

產生正弦信號的信號發生模塊即為圖 2檢測電路．信號調理及采集電路見圖 4，其中信號調理由LM393完成，信號輸入端 INA＋與圖 2中電感線圈的下端連接，利用電壓比較的原理將振蕩電路輸出的正弦波信號轉換成脈沖信號；信號采集電路利用單片機的 PD6引腳采集 LM393的脈沖輸出．AVR單片機內部集成了定時/計數器，利用其定時計數器功能用電子計數法來采集頻率，主要是在單位定時時間里對被測信號脈沖進行計數．這里主要是對高頻信號進行采集，所以運用測頻法[4]．用于信號顯示的液晶屏選用LCM128645ZK．

圖4 信號調理及采集電路原理圖Fig.4 Diagram of signal conditioning and collecting circuit

3 軟件設計

采用 ICC AVR 軟件進行單片機編程[5]．主程序的主要任務是進行系統初始化、識別和解釋命令，并獲得轉入相應服務程序的入口，以便完成相應的功能，并協調各部分軟、硬件有條不紊地工作．單片機系統主程序流程如圖5所示．

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main program

系統初始化主要是初始化硬件設備和分配寄存器，寄存器主要包括數據存儲寄存器、工作狀態寄存器等．正常工作時系統采集信號發生電路輸出的頻率值，并在定時時間內對頻率值進行累加，然后由數據處理模塊對采集到的數據進行修正，消除程序掃描對采集數據準確性的影響，并將處理后的數據通過液晶屏進行顯示．顯示結果為導通頻率值，單位為Hz．

4 實 驗

圖 6為測試儀實物圖．從測試儀上部的圓孔插入待測線圈架；液晶屏可以實時地顯示導通頻率；加減按鈕可以補償頻率值．

圖6 測試儀實物Fig.6 Physical testing instrument

采用美國福祿克公司生產的 PM6304/031精密電橋對分別放入20個檢波器線圈架的樣環電感值進行了測量，通過式(2)轉換為磁導率作為標準值．用本測試儀對這20只檢波器線圈架重復進行了100次測量，得到導通頻率，求其平均值和重復性誤差，并用式(7)換算為磁導率．實驗結果見表1．

表1 實驗結果Tab.1 Experiment results

從表1可以看出，測試儀導通頻率的最大重復性誤差為 2,Hz，磁導率相對誤差絕對值的最大值為0.90%，平均值為 0.39%．可見，檢波器線圈架磁導率測試儀的測試精度高、重復性好．

5 結 語

本文對檢波器線圈架磁導率測試儀的工作原理和軟硬件設計進行了研究，并進行了實驗驗證．系統采用能夠輸出穩定頻率信號的電容三點式振蕩電路作信號發生電路，采用 AVR單片機對頻率信號進行采集，并將反映檢波器磁導率的頻率值實時地在液晶屏上顯示．實驗表明，系統具有較好的準確性和重復性．工廠實際應用也證實了系統的實用性．

［1］ 易碧金. 復雜地區地震數據采集記錄系統的設計[J].石油物探裝備，1994，4(3)：7–12.

［2］ 王維波，周瑤琪，栗寶鵑，等. 基于 Cirrus地球物理測量芯片的微地震數據采集器設計[J]. 物探裝備，2009，19(5)：281–285.

［3］ 周躍慶. 模擬電子技術基礎教程[M]. 天津：天津大學出版社，2005：203–209.

［4］ 彭芬. 基于單片機的低頻頻率量采集設計[J]. 武漢職業技術學院學報，2008，7(3)：77–73，82.

［5］ 陳冬云，杜敬倉，任柯燕. ATmega128單片機原理與開發指導[M]. 北京：機械工業出版社，2005：292–304.