基于電磁感應法的交變磁場測量電路設計*

黃劍平,穆瑞珍,林海峰

(廈門理工學院福建省光電技術與器件重點實驗室,福建 廈門 361024)

隨著科技的發展,交變磁場的應用日益廣泛,越來越多的領域都需要對交變磁場進行檢測,如生物科技、醫療儀器、工業技術、軍事科學、實驗技術等[1-3]。交變磁場測量的方法有:電磁感應法、霍爾效應法、磁阻效應法、磁飽和法、磁共振法、磁光法等[4-7]。其中相比較其他方法,電磁感應法是最基本、最簡單、最實用的測量方法,本文根據電磁感應法原理,設計了一種交變磁場測量電路。相比大多數測量交變磁場的傳感器采用很多層漆包線繞制,這里采用薄層線圈繞制,線圈體積小,可應用于空間受限的場合。

1 基本測量原理與傳感器設計

電磁感應法是基于法拉第電磁感應定律。把繞有匝數為N、截面積為S的圓形線圈放在磁場強度為B=Bmsin(ωt)的交變磁場中,線圈法線與磁感應線夾角為θ,如圖1所示,則線圈中產生的感應電動勢為[8]:

(1)

式中:εm=NSωBmcosθ為感應電動勢的幅值,則

(2)

可以看出,要求得磁場強度,需要求出探測線圈的感應電動勢幅值εm,磁場的角頻率ω以及線圈法線與磁場方向的夾角θ。

圖1 探測線圈位于交變磁場位置示意圖

在探測磁場時,測得的是探測線圈界定范圍內磁感應強度的平均值,為了能得到“點”的磁感應強度值,需要探測線圈滿足一定的尺寸條件。如圖2所示,D1、D2分為為繞線線圈的內徑和外徑,L為軸向繞線長度。當滿足:

圖4 前置精密放大電路

(3)

圖2 線圈繞線結構圖

實際制作中,采用線徑為0.31 mm的漆包線在空心骨架上來回繞線2層,這樣可近似當成薄層線圈,繞線骨架尺寸D1=11.06 mm,則繞線長度L應為11.06×0.866=9.578 mm,繞線總圈數為9.578÷0.31×2≈62圈。從線圈引出漆包線連接到電路板上時,需要擰成雙絞線形式以較小干擾。

2 系統設計

2.1 系統硬件框圖

整個系統的硬件設計框圖如圖3所示。探測交變磁場的線圈傳感器產生微弱的感應電動勢,經過由精密運放組成的前置放大電路放大后得到幅值較大的信號。放大電路的增益可調,由ATmega48單片機控制。一路信號經過精密全波整流電路,將交變信號轉換為直流有效值信號,送到單片機進行AD采樣。另一路信號經過比較整形電路,送到單片機進行周期測量,求出信號的頻率值。

圖3 系統硬件框圖

2.2 前置精密放大電路

2.3 精密全波整流電路

圖5 精密全波整流電路

2.4 單片機AD采樣電路

圖6 單片機AD采樣電路

2.5 頻率測量電路

要測量感應電動勢信號的頻率,需要將其轉換為同頻率的方波信號,如圖7所示。經過前置放大后的信號,送到電壓比較芯片LM311的正向比較輸入端,與“地”電位進行比較。當信號大于0 V時,LM311輸出端口的內部三極管截止,輸出電壓被電阻R1上拉,輸出高電平VCC;當信號小于0 V時,LM311的內部輸出三極管導通,輸出接近0 V的低電平。LM311輸出的信號再經過2個帶施密特觸發器功能的非門整形后,得到更平整的方波,送到ATmega48單片機的INT1外部中斷口即PD3引腳進行信號的周期測量,從而求出其頻率。

圖7 比較整形電路

3 數據測量

3.1 波形觀測

對所設計的電路進行測試。測試時,用亥姆霍茲線圈產生交變磁場,兩個載流線圈同軸且間距與線圈本身的半徑相同,將傳感線圈放置于兩個線圈圓心連線的中點處,線圈法線與磁場方向平行。設置線圈驅動交流電流的有效值為150 mA,頻率為100 Hz,74HC4051的放大倍數設置為20倍,觀測到放大后的波形如圖8所示。

圖5電路中的濾波電容C10先不焊,觀測整流后的信號如圖9所示,整流效果良好。接著焊上濾波電容C10,輸出變為直流電平。

3.2 數據分析

(4)

式中:μ0為真空磁導率4π×10-7N·A-2,N′為亥姆霍茲線圈的匝數400,R為線圈半徑0.1 m,IRMS為線圈驅動電流的有效值。計算所得數據如表1所示。

設置線圈的驅動電流固定為100 mA,逐步增加驅動頻率,每次改變約50 Hz,計算相應的磁感應強度,如表2所示。

從上面測量結果可以看出,在測量范圍內,測量結果的百分誤差都在5%以內,測量相對準確。經分析,產生誤差的原因主要有以下幾個方面:①電阻精度引起放大倍數和整流誤差,這可采用精度更高的電阻減小誤差;②傳感線圈引起的誤差,今后根據實際情況可采用半徑更大、更多匝數的探測線圈,另外,本文采用空心線圈進行探測,也可使用帶磁芯的線圈以提高探測靈敏度,但在探測高頻磁場時,需進一步考慮自感系數和雜散電容的影響;③多路開關74HC4051在導通時會有70 Ω～160 Ω的導通電阻,對第2級放大電路的放大倍數會產生影響,以后可選用導通電阻更小的多路開關芯片;④AD采樣也有一定的誤差。此外,選用更高精密度的運放和測量分辨率更高的單片機芯片,也能提高電路的性能。

表1 磁感應強度隨驅動電流變化表

表2 磁感應強度隨驅動頻率變化表

4 小結

本文設計的交變磁場測量電路基于法拉第電磁感應原理,通過增益可控的前置放大電路和精密全波整流電路,將感應電動勢進行放大后轉換為有效值電壓信號,通過比較整形電路將感應電動勢整形為同頻率的方波信號,通過單片機測量有效值和頻率,從而求出磁感應強度的幅度值。傳感器采用薄層線圈繞制,體積小巧,結構簡單,在空間狹小的場合使用方便。探測電路結構簡單,成本較低,性能穩定,測量結果準確,在交變磁場應用領域具有一定的實用價值。

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