一種新型工頻磁場測量儀的設計

廖文平+李麗+賀慧勇+劉嘉文+王燕+趙丹等

摘 要： 針對工頻磁場測量的靈活性和便攜性需求，提出了一種測量儀可任意姿態放置的工頻磁場測量儀設計方案，該方案把加速度傳感器和磁場傳感器結合起來得到工頻磁場水平方向和豎直方向上的分量，而無需對測量儀進行調平操作。該磁場測量儀包括三軸磁感應線圈、信號調理和A/D轉換電路組成的磁場傳感器模塊及控制與處理模塊、加速度傳感器模塊、存儲和顯示模塊等部分。初步試驗表明該方案可行，解決了傳統工頻磁場測量儀測量磁場水平分量和豎直分量需要調平的問題，結構簡單、使用靈活，有一定的開發應用價值。

關鍵詞： 磁場測量儀； 工頻磁場； 加速度傳感器； 磁場矢量分解

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0110?04

Design for new measurement instrument of power frequency magnetic field

LIAO Wenping1， LI Li2， HE Huiyong1， LIU Jiawen2， WANG Yang1， ZHAO Dan1，

SHANG Meixue1， LI Jie1， XU Peng1， WEI Mingsheng1

（1. School of Physics and Electronic Science， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China；

2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Company， Guangzhou 510080， China）

Abstract： For the requirements of flexibility and portability of power frequency magnetic field measurement， a design scheme of power frequency magnetic field measurement instrument which can place with arbitrary postures is proposed. The components in horizontal direction and vertical direction of the power frequency magnetic field are obtained by combining the acceleration sensor with magnetic field sensor in this scheme， and it is unnecessary to put the measurement instrument into leveling operation. The magnetic field measurement instrument is composed of magnetic field sensor module， control and processing module， acceleration sensor module， storage and display module， etc.. The preliminary experiment results show that the scheme is feasible. The problems of horizontal component and vertical component leveling operation needed by the traditional measurement instrument were solved. This measurement instrument has simple structure and flexible operation， and has certain development and application value.

Keywords： magnetic field measurement instrument； power frequency magnetic field； acceleration sensor； magnetic field vector decomposition

0 引 言

工頻磁場是由各種電壓等級的輸電線和各種用電器所產生的一種極低頻磁場，我國工頻為50 Hz。工頻高壓設備安置點與人們的生活范圍越來越近，此類設備附近的電磁環境很復雜[1]，其中工頻磁場引起了廣大民眾的關注。超低頻磁場對人體的可能危害一直在研究中，至今為止，有許多動物實驗和流行病學報道極低頻磁場對某些疾病的關系，但是現有的研究還不能確定極低頻磁場對人體的某些疾病的影響有一定的因果關系[2?4]。科研人員在該領域進行了大量的研究工作，例如在極低頻電磁場的生物學效應研究[3]、電力設施工頻磁場與周邊設施耦合研究和及職業人員磁場暴露水平[4?6]等。目前國標和一些行標都規定了磁感強度的接觸限值，例如我國的《電力行業勞動環境監測技術規范》規定了工頻磁場職業接觸限制[5]為500 μT。在一些研究工作中，需要確定工頻磁場的豎直分量和水平分量。傳統的工頻磁場測量儀一般要求水平放置才能測得水平方向上的磁感應強度的值，不便于現場快速測量。本文采用加速度傳感器測得加速度值，設計了一種測量儀可以任意姿態放置的工頻磁場測量儀，該測量儀把磁場測量模塊測得的三維磁場分解為水平分量和豎直分量，無需對測量儀進行調平操作，為工頻磁場測量提供了新的解決方案，其結構簡單、使用方便、實用性強。endprint

1 儀器總體設計方案

為了獲得磁場的水平和豎直方向上的磁場值，傳統的方法就是把磁場測量儀水平放置，那么就要把支撐磁場測量儀的工作臺調平。主要有兩種調平方式：手動調平和自動調平[7]。人工調節是手動調平的的主要方法，需要用到水準儀，同時需要多人配合操作工作臺的支撐腿，有操作時間長、調節難度大的缺點[7]。自動調平有液壓驅動和電機驅動兩種驅動方式，可以自動支撐、調平等，但是其中液壓驅動方式中液壓系統復雜，不容易控制，且維護較難；電機驅動方式的能耗較高，調平的控制算法復雜[7]。本文提出了一種新的設計方案，該方案利用加速度傳感器上各軸上的加速度值，把磁場值分解到豎直方向和水平方向上，省去了調平的操作，同時該方案結構簡單、能耗較低、磁場分解方法簡單、使用方便，適用于便攜式快速測量。總體方案設計框圖如圖1所示，主要包括磁場傳感器模塊、加速度傳感器模塊、控制與處理模塊、顯示和存儲模塊4個部分。

磁場傳感器模塊主要包括三軸磁感應線圈、信號調理電路、A/D轉換電路3個部分，其中三軸磁感應線圈利用電磁感應原理感應得到3個軸上的感應電壓，信號調理電路把3個軸上的感應電壓放大、濾波，A/D轉換電路主要是對3個軸上的感應電壓進行A/D轉換，便于后面的控制與處理模塊進行數據采集。控制與處理模塊使用單片機，主要是對加速度傳感器的數據采集及A/D芯片的控制，并結合加速度數據和A/D轉換后的數據進行磁場的水平和豎直分量的分解處理。顯示和存儲模塊由控制與處理模塊控制，負責把磁場的水平和豎直分量進行存儲記錄并直觀地顯示出來。

圖1 工頻磁場測量儀總體框圖

2 磁場測量分解原理

針對測量儀總體設計方案，為了降低儀器功耗和磁場解算方法的計算復雜度，這里提出了一種新的磁場分解方法。此方法把各軸磁場合成得為一個新的磁場，再利用三軸加速度傳感器測得的各軸加速度值把合成的磁場值分解到水平方向和豎直方向上。

本設計中三軸磁場傳感器的x軸、y軸、z軸分別與三軸加速度的x軸、y軸、z軸一一平行放置。加速度傳感器的x軸、t軸、z軸上的加速度分別是[gx，gy，gz]，把它們合成得到一個加速度[g]，也就是重力加速度，方向豎直向下；磁場傳感器的x軸、y軸、z軸方向上的磁場分別是[Bx，By，Bz]，這3個矢量合成得到磁場為[B；?]為合成后的磁場[B]和重力[g]之間的夾角，即可得到合成磁場矢量在豎直方向上的投影，即豎直方向上的磁場分量為：

[B⊥=B·cos?=g?Bg=gx·Bx+gy·By+gz·Bzg] （1）

可得到合成磁場在水平方向上的分量為：

[B//=B2-B2⊥=B2x+B2y+B2z-B2⊥] （2）

該方法通過矢量運算得到磁場的水平和豎直分量，沒有復雜的角度計算，計算簡單，實現中需要的代碼量較少。

3 硬件設計

3.1 加速度傳感器模塊

為了提高測量儀的減小體積和功耗，提高使用的便攜性，本設計采用的加速度傳感器芯片是ADXL345。ADXL345是美國ADI公司推出的一款基于MEMS技術的三軸加速度傳感器，片上集成了信號處理和I2C通信模塊，無需A/D轉換就可以實現與微處理器通信。它是一款小而超薄的3軸加速度傳感器，采用3 mm×5 mm×1 mm，14引腳超薄塑料封裝，芯片質量只有30 mg。該傳感器可以測量恒定和變化的加速度，在測量范圍設置為±2g、室溫25°，2.5 V供電電壓條件下，其靈敏度的典型值為256 計數點/g。ADXL345具有低功耗特性，供電電壓為2～3.6 V，在2.5 V供電電壓下，測量模式時的電流低至23 μA，待機模式時的電流低至0.1 μA，非常適合便攜式移動設備使用[8]。 ADXL345自動調節功耗，為了降低功耗和噪聲，這里設計加速度傳感器的供電電壓為3.3 V，輸出速率為100 Hz，。由于本設計只適合傳感器處于靜止時測量，對加速度的測量范圍無需很大，配置傳感器相關寄存器使測量范圍為±2g，分辨率是10位。

3.2 三軸磁感應線圈及信號調理電路

中國實際推薦的工頻磁場的職業接觸限制為500 μT，故設計本測量儀的測量范圍時0～5 mT。試制階段使用的是某工廠的非均勻磁場測量儀中的探測線圈，根據其具體參數和公式可以計算得到工頻磁場值B和感應電壓U的值之間的關系是U=171B，其中U的單位是V，B的單位是T。A/D芯片采集的電壓最大值是在直流偏置2.5 V上疊加的感應電壓的峰值，故磁感應強度最大值5 mT在探測探測線圈上產生的磁感應電壓峰值為：

[U0=1712B=1.21 V] （3）

放大電路的輸出電壓不能超過電源電壓5 V，可得到后級放大電路的放大倍數為：

[A=2.51.21=2.1] （4）

考慮到放大器芯片實際能輸出電壓略小于5 V，同時實際A/D芯片實際能采集到的電壓略小于5 V，這里取放大倍數為2。

信號調理電路主要是對磁感應線圈得到的三軸上的電壓進行放大和濾波。對單個軸的信號調理電路如圖2所示。為了便于單電源供電、簡化電路結構、提高便攜性，運算放大器選用了AD824芯片。AD824芯片是一款四通道、FET輸入、單電源供電、提供軌對軌輸出的運算放大器芯片[9]。

圖2 單軸信號調理電路

本電路使用同相放大的接法，增大了輸入阻抗，減少了后級放大電路對感應線圈上電壓的影響，可以提高測量的準確性。電路放大倍數的計算如下：

[A=1+R5R4=1+1010=2] （5）

為了實現準確地把電壓放大2倍，電路中的電阻R5使用了阻值50 kΩ的可調電阻，減少了因電阻精度的問題帶來的誤差。電路使用單電源供電，無需提供負電源，簡化了電路結構，提高了便攜性；放大電路輸入端接入了一個1 MΩ值的大電阻，為了防止輸入開路造成輸出的不確定；前級使用1個電源跟隨器為后級的3個通道的放大電路提供較穩定的2.5 V的直流偏置；加上對3個三軸磁感應線圈上的3個軸上的電壓所需的3個運算放大器，剛好可以在一片AD824芯片里實現，使電路的結構更加簡單；后一級的RC低通濾波電路用于濾除高頻磁場帶來的干擾。

3.3 單片機外圍接口電路

單片機外圍接口電路示意圖如圖3所示。 由于磁場測量的速度無需很高，同時為了降低功耗及成本，這里使用的單片機是STC89C52。為了便于對多路模擬電壓的A/D轉換控制，這里采用PCF8591作為A/D轉換芯片。PCF8591芯片使用I2C 接口進行控制，具有8 位A/D 及D/A 轉換器，其中有4 路A/D 轉換輸入，適合對多路模擬信號進行A/D轉換[10]。這里使用了PCF8591的3個A/D轉換通道，分別對磁感應線圈的3個軸上的放大之后的感應電壓進行A/D轉換。芯片AT24C16用于對磁場分量值的存儲、記錄；LCD1602液晶顯示屏用來對磁場分量值的顯示，控制起來簡單、實用。

圖3 單片機外圍接口電路示意圖

4 總體軟件設計

本設計的工頻磁場測量是一個循環測量的過程，如圖4所示。

圖4 總體軟件設計流程圖

LCD的初始化主要是對顯示模式的選擇；電壓值A/D轉換及數據采集主要包括采用模擬I2C時序對A/D芯片PCF8591的控制，對3個通道的A/D轉換后的數據進行采集。由于A/D轉換需要一定時間，每次讀走的數據都是上一次A/D轉換的值，在轉換期間可以進行其他程序的操作，提高了效率。由于PCF8591是8位芯片，參考電壓是5 V，所以A/D采集得到的每一個1代表的是[1256]=0.019 53 V，所以采到的值要乘以0.019 53，得到電壓的實際值。考慮到單片機模擬I2C通信和PCF8591的A/D轉換速度，這里使PCF8591在工頻磁場的一個周期20 ms里對經過信號調理之后的單軸上的電壓進行32次采樣，并計算得到電壓的有效值，通過電壓和磁感應強度的關系把電壓值換算為磁感應強度，依此類推可得到各個軸方向上的磁場值，最后結合三軸加速度傳感器測得的加速度值，利用磁場測量分解原理計算得到磁場的水平和豎直分量的值，

然后把它們存儲到AT24C16中，并通過LCD1602顯示。單片機里軟件實現在0.5 s的時間內完成上述操作，并等待到下一個0.5 s開始又一次的循環，實現在LCD1602上把磁場的水平和豎直分量的值進行更新。

5 結 語

本三維工頻磁場測量儀使用STC89C52單片機作為主控芯片，結合加速度傳感器測得的加速度值，采用一種新的方法把三軸磁場分解到水平和豎直方向，解決了傳統磁場測量儀測量工頻磁場水平和豎直分量時磁場傳感器必須水平放置的問題。同時該工頻磁場測量儀具有結構簡單、使用靈活方便的優點，有很好的開發應用前景。

參考文獻

[1] 李華亮，李麗，曾廣誠，等.500 kV變電站工頻磁場及個體暴露狀況調查[J].中國工業醫學雜志，2014（1）：48?49.

[2] 訾軍.極低頻磁場暴露水平與健康關系的研究[D].上海：復旦大學，2011.

[3] 董華，張學林，謝懷江.極低頻電磁場的生物效應[J].中國工業醫學雜志，2003（3）：173?176.

[4] 陳青松.極低頻電磁場職業接觸控制水平研究[D].北京：中國疾病預防控制中心，2011.

[5] 訾軍，周志俊.國際工頻電磁場職業接觸限值簡介[J].中國工業醫學雜志，2010（1）：65?67.

[6] 肖黎，余占清，張波，等.輸電線路工頻電磁場對汽車起重機的電磁騷擾[J].高電壓技術，2014（6）：1775?1780.

[7] 李勇建，魏貴玲，鄧勁松，等.自動調平技術研究[J].壓電與聲光，2010（6）：949?952.

[8] 袁西，陳棟，田湘，等.三軸數字加速度計ADXL345及其在捷聯慣導中的應用[J].電子設計工程，2010（3）：138?140.

[9] 張強.單電源低功耗運算放大器AD820/AD822/AD824的特點與應用[J].電子設計工程，1997（7）：38?41.

[10] 陳柱峰，沈治國.基于PCF8591的I2C總線A/D、D/A轉換[J].企業技術開發，2009（5）：18?21.