基于LabVIEW 的三軸微弱磁場檢測系統*

劉 亞，羅志會，徐校明，馬雪佳，潘禮慶

(三峽大學 磁電子與納磁探測研究所，湖北 宜昌443002)

0 引 言

隨著電子行業的迅猛發展，各種磁性材料和磁器件的應用越來越普遍，對微弱磁場測量精度也提出了更高的要求。當前，根據測量系統敏感元件的工作原理分類主要有磁通門傳感器、磁阻傳感器和電感式傳感器等。磁通門傳感器由一套環繞磁芯的線圈組成，高導磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵下，基于磁感應強度與磁場強度的非線性關系來測量微弱磁場。磁通門傳感器分辨率最高可達10－11T，但缺點是體積偏大、易碎、響應速度較慢(上限響應頻率約為1 kHz)［1，2］。磁阻傳感器主要由鐵磁材料如鎳鐵導磁合金制成，這種合金薄膜的電阻值隨外界磁場的變化而變化，通過電橋電路將電阻變化轉換為電壓變化。這種傳感器的遲滯誤差和零點溫度漂移可通過對傳感器正反向交替磁化的方法加以消除。但是控制電路復雜，體積較大，應用成本高［3］。采用PNI 公司開發精密電感式傳感器SEN—R65，匹配3D MagIC 專用驅動芯片，其輸出的數字量可直接送入微處理器，不需要信號調理，避免了在傳感器與微處理器之間構建A/D 轉換接口。該傳感器組件省去了信號調理，大大簡化電路，具有體積小、精度高、穩定性好、價格低等特點［2］。

本文基于LabVIEW 虛擬儀器技術設計三軸微弱磁場矢量檢測系統，能實時顯示、存儲、回放、分析磁場的大小和方向，功能易擴展，界面友好，應用前景廣闊［4］。

1 系統硬件設計

在構建三軸磁傳感器系統時，3D MagIC 芯片外接3 只磁傳感器，通過SPI 總線接口與單片機STC12LE2052AD通信，再通過RS—232 接口與電腦通信，系統硬件結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構框圖Fig 1 Structure block diagram of system hardware

檢測系統選取2 只SEN—R65 傳感器和1 只SEN—Z 傳感器(兩種傳感器僅器件封裝不同)，與阻值為100 Ω 的偏置電阻器相連，減小了各軸的傳感器靈敏度和測量信號的放大電路特性不完全相同引起的測量誤差。SEN—R65 傳感器作為一個LR 弛豫振蕩電路的電感元件，電感值與傳感器軸平行方向的有效磁場呈比例。SEN—R65 傳感器功耗低、尺寸小、磁場測量范圍大、分辨率高和工作溫度范圍廣，滿足微弱磁場的探測要求。

3D MagIC 芯片集成了放大和A/D 轉換電路，實現了微弱信號放大，再通過A/D 轉換得到各軸磁場強度數字量。3D MagIC 還包含一個SPI 接口電路，可以與主微處理器進行通信，具有支持全雙工操作、數據傳輸速率快等優點。

為減少磁場梯度的影響，3 只傳感器的位置盡可能的接近。確保三者軸線相交于一點，減小軸間不正交誤差影響。3 個磁軸要形成一個標準正交基，標定時存在誤差，需要進行誤差分析和預補償來提升系統的測量精度［5，6］。

2 LabVIEW 軟件設計

檢測系統的軟件采用LabVIEW 可視化界面編程。上位機實現串口設置、串口寫、串口讀檢測、串口緩存和中斷等功能，同時利用計算機強大的信號處理能力，實現磁場波形的顯示、線性度分析、數據存儲、波形回放、誤差補償等功能。

2.1 上位機與串口通信

由于上位機與下位機通信必須具有通信協議，RS—232串口的配置基本情況:波特率9 600 bit/s、數據位8、校驗位無、停止位1，當上位機向0x01 啟動發送，傳感器開始測量，然后返回測量結果數據。

軟件編程利用了函數庫中的VISA 函數。VISA 本身不提供硬件編程能力，只有一個高層的API(應用程序接口)，具有可擴展性和接口無關性。串口通信通過當串口接收到字符串的時候，使用VISA Enable Event，VISA 會產生一個事件。在while 循環中，在VISA Read 函數前面放置一個VISA Wait on Event 函數。只有當串口接收到一個字符的時候VISA Read 函數才會得到執行。直到數據到達串口的時候，調用VISA Wait on Event 函數的線程會一直被阻塞著，在程序停止前需要執行一個Disable VISA Events 函數。因此，VISA Read 函數只有在端口上有數據的時候才會被執行，子VI 如圖2。

圖2 串口通信子VIFig 2 Sub-VI of serial communication

2.2 信號提取、顯示、保存及回放

3D MagIC 將返回每個傳感器正反向測量結果，格式為24 位的二進制補碼(范圍:－8 388 608 ～8 388 607)，通過串口傳到電腦上，LabVIEW 軟件識別到的是字符串，經過字符串轉數值操作，把有用信號提取為數值波形實時顯示［7］，子VI 如圖3 所示。

圖3 有效信號提取子VIFig 3 Sub-VI of effective signal extraction

2.3 零點校準與誤差補償

三軸磁傳感器自身存在一定的誤差范圍，在零磁場環境下，其讀數不一定為零，從而使零點發生偏移［7］。在標定時，測量系統在零磁場環境中輸出結果，通過上位機分析并編程校準，補償零點偏移誤差。三軸磁傳感器最重要的性能是線性區和靈敏度。每只傳感器性能的好壞，直接由線性度反映。LabVIEW 界面程序采集不同磁場下的數據量輸出，然后進行線性擬合。

3 測試環境

為防止外界磁場的干擾，將傳感器放在磁屏蔽中進行測試，如圖4。在放入傳感器之前，給磁屏蔽筒通過16 A 的強電流消除剩余磁場，使筒內凈磁場小于2 nT。

要測量傳感器的精度和線性度，需要改變被測磁場大小。亥姆霍茲線圈是由一對相同半徑的載流圓線圈組成，其軸線中心點附近產生較寬范圍的均勻磁場，磁場與供電電流有很好的線性關系，使用磁場空間有很寬的均勻區，常用作弱磁場檢測的勻強標準磁場［8，9］。通過LabVIEW 和GPIB 總線，控制Keithley 2612B 數值源表，可以等時間等量的改變輸出電流，精確控制磁屏蔽筒中磁場大小。測試過程中，每間隔2 s 使數值源表輸出增加或減少1 mA。

圖4 測試環境Fig 4 Test environment

4 測試結果與分析

總磁場是各分量磁場的矢量和，容易產生累積誤差，在零磁場環境中所測總磁場大小在0.3 μT 左右。采用Lab-VIEW 校準后，各分量與總磁場結果如圖5 所示。在磁屏蔽筒中，由于每個傳感器分辨率在15 nT，所以，各軸測量值以0 基線上小幅度跳動，誤差的非對稱分布主要與磁傳感器裝配的角度誤差有關。由于總磁場不考慮方向，直接計算分量磁場的矢量，誤差具有累積的趨勢，大小集中在0 ～40 nT 之間。

圖5 校準后三軸磁場與總磁場大小Fig 5 Three axis magnetic field and total magnetic field size after calibration

在磁屏蔽筒中，由電流源表Keithley 2612B 給亥姆霍茲線圈加－10 ～10 mA 電流，使其Y 軸方向產生變化的磁場［10］，分別利用Origin 8 和LabVIEW 對數據進行線性度分析，都采用最小二乘法，校準數據的殘差平方和最小。由圖6(a)和圖6(b)可以看出:兩者前端基直線斜率為－2.742 26，－2.742 3，截距為－3.848 68，－3.848 7，相比較兩者處理的結果相近。

圖6 Origin8 和LabVIEW 線性擬合處理圖ig 6 Linear fitting processing diagram of Origin8 and LabVIEW

在磁屏蔽筒外，利用傳感器測量當地磁場大小如圖7所示，測量過程中，在硬件平臺上不停的翻轉傳感器，穩定顯示當地磁場大小為40μT，證明本系統可以正確測量空間某范圍內的磁場。

圖7 當地磁場測量Fig 7 Local magnetic field measurement

5 結 論

本文設計了一種三軸微弱磁場檢測系統，利用Lab-VIEW 編寫的上位機程序，具有數據圖形和表格顯示、保存、回放、線性度分析等功能，修正多軸矢量傳感器零偏誤差，該磁場傳感器結構簡單、工作穩定、線性度良好、分辨率達15 nT。此三軸微弱監測系統可廣泛運用到高精度電子羅盤、停車場車位檢測、交通車輛檢測［11］。

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