基于磁場傳感器磁成像裝置研究?

趙曉鋒，陳子軒，杜西亮

(1.黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省微納敏感器件與系統(tǒng)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；3.重慶文理學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，重慶 402160)

目前，用于磁場測量的裝置或儀器在航空航天、工業(yè)、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]，被測磁場的測量范圍一般在10－15T～103T[2－3]。較為成熟的磁場測量方法包括電磁效應(yīng)法、霍爾元件陣列、磁阻元件陣列法和核磁共振法等[4－5]，通過測量待測環(huán)境的磁場信息，可實現(xiàn)磁性材料的無損探測與分析[6－8]。

袁鑫安等[9]利用隧穿磁電阻(TMR)傳感器陣列制作一種新型電流場檢測系統(tǒng)，用于非接觸檢測管道裂紋，在不接觸管道的情況下可直觀有效地檢測和估計管道上的裂紋。Lee 等[10]利用3×3霍爾傳感器陣列制作的磁場測量系統(tǒng)可以快速地掃描一維磁場并繪制磁場分布圖，準(zhǔn)確地測量了單個磁體的位置和磁體周圍的磁場分布。劉夢欣等[11]利用3個霍爾元件設(shè)計三維矢量磁場測量儀，由FPGA 完成方向角的計算，具有測量誤差小、功能模塊化等特點。近年來，磁場測量儀能夠?qū)崿F(xiàn)單點的磁場測量或者掃描一維磁場[12－13]。

本文采用磁場矢量傳感器設(shè)計一種空間磁場測量裝置，利用預(yù)設(shè)測量位置和對應(yīng)的磁場矢量相結(jié)合，通過并行獲取的磁場矢量實現(xiàn)待測磁場空間的磁成像，分析待測空間的磁場分布，為進(jìn)一步研究待測磁性材料性質(zhì)、待測空間磁性變化規(guī)律等奠定基礎(chǔ)。

1 磁成像裝置工作原理

1.1 磁成像裝置基本結(jié)構(gòu)

圖1 給出磁成像裝置基本結(jié)構(gòu)，包括磁場矢量傳感器、三維移動平臺(安裝傳感器)和儀器箱等，在儀器箱中放置傳感器信號處理電路、移動平臺驅(qū)動電路和電源等。三維移動平臺由鋁合金框架、亞克力板載物臺(放置待測樣品)、行程定位開關(guān)和步進(jìn)電機等組成，其中三組步進(jìn)電機分別沿x軸、y軸和z軸方向控制三維移動平臺運動。在待測磁場空間中，通過三維移動平臺調(diào)整傳感器的位置坐標(biāo)(x，y，z)，同時磁場矢量傳感器可實時采集待測磁場空間中相應(yīng)坐標(biāo)位置的磁場分量(Bx、By和Bz)，可實現(xiàn)磁場掃描式測量，由微控制器作為主控芯片完成三維移動平臺的控制、磁場信息獲取和數(shù)據(jù)處理。

圖1 磁成像裝置基本結(jié)構(gòu)

本文選用實驗室研制的霍爾元件，選擇性能接近一致的3 只芯片，按照磁敏感方向垂直正交封裝構(gòu)成磁場矢量傳感器，圖2 給出封裝后的傳感器照片(其中插圖為霍爾元件芯片照片)，根據(jù)霍爾元件的工作原理[14]，該傳感器可以分別測量三維磁場分量(Bx、By和Bz)，恒流源供電(I)時，理想情況下磁場矢量傳感器三個磁敏感方向霍爾元件輸出電壓為:

圖2 磁場矢量傳感器示意圖

式中:ρ為半導(dǎo)體電阻率，μn為電子遷移率，d為霍爾元件敏感層厚度，I為霍爾元件工作電流。

1.2 磁成像原理

如圖3 所示，在空間中任意的磁感應(yīng)強度B分解成磁場分量Bx、By和Bz[15]，且滿足:

圖3 空間磁場矢量圖

式中:α為B與Bz的夾角，β為B在xy面投影與Bx的夾角，

為實現(xiàn)空間磁場矢量測量和磁成像，設(shè)待測磁場空間中某位置處的參量包括被測量位置坐標(biāo)信息(x，y，z)和待測磁場信息(Bx，By，Bz)，通過Excel 文件的形式將上述參量保存至計算機中，其中坐標(biāo)信息(x，y，z)為傳感器在待測空間的坐標(biāo)位置，可通過設(shè)置三維移動平臺的步進(jìn)距離和空間測量范圍等參數(shù)調(diào)整傳感器位置，利用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、分析和預(yù)處理，并將上面6 個變量以矩陣的形式存儲，將三維空間切割分成xi×yj×zk份。由傳感器分別測量B的三個分量Bx、By和Bz，根據(jù)式(2)計算磁場矢量B與各個敏感軸的夾角α和β，以及磁場矢量的模｜B｜，可實現(xiàn)對應(yīng)位置B的大小和方向的測量。通過對數(shù)據(jù)處理后的待測磁場空間坐標(biāo)信息和磁場信息進(jìn)行多項式插值處理，在待測空間的每一個待測位置處繪制對應(yīng)的磁場矢量，最終繪制整個待測磁場空間的磁場矢量，形成空間磁場分布圖。

2 磁成像裝置設(shè)計

2.1 磁成像裝置硬件電路設(shè)計

圖4 為磁成像裝置硬件電路設(shè)計框圖，主要包括微控制器、三維移動平臺驅(qū)動電路、磁場矢量傳感器信號處理電路等。由微控制器控制三維移動平臺使磁場傳感器到達(dá)待測磁場空間的預(yù)設(shè)坐標(biāo)位置，并將采集的磁場信息轉(zhuǎn)換為輸出電壓(VHx、VHy和VHz)，再經(jīng)過信號放大電路、濾波電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路等信號處理，最終將采集的磁場信息和預(yù)設(shè)的位置信息傳輸給計算機，應(yīng)用軟件完成圖像處理、圖像分析、圖像顯示等功能，該裝置供電電源為＋12 V直流穩(wěn)壓電源。

圖4 磁成像裝置硬件電路設(shè)計框圖

圖5 為三維移動平臺步進(jìn)電機驅(qū)動電路框圖，通過微控制器設(shè)置步進(jìn)電機驅(qū)動器(TB6600)的脈沖數(shù)量和頻率，以控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的角度和速度(即絲杠直線位移的大小和速度)，采用T8 絲桿連接步進(jìn)電機，將步進(jìn)電機的角位移轉(zhuǎn)換為絲杠的線位移，每個脈沖信號控制絲杠直線位移0.005 mm，可快速、準(zhǔn)確調(diào)整傳感器在待測磁場空間的預(yù)設(shè)位置。

圖5 步進(jìn)電機驅(qū)動電路框圖

圖6 為傳感器的信號處理電路，可完成放大、濾波和調(diào)零等，采用儀表放大器(AD620)進(jìn)行一級放大和濾波，利用運算放大器(OP07)進(jìn)行調(diào)零和二次放大，U2作為調(diào)零電路，U3作為電壓跟隨器，U4作為二次放大電路，其中A/D 轉(zhuǎn)換為微控制器內(nèi)置。該裝置通過儀表放大器將霍爾輸出電壓由雙端輸出電壓調(diào)整為單端輸出電壓，可去除共模信號。儀表放大電路由外接電阻(RG0)調(diào)節(jié)放大器的增益，降低電路設(shè)計的復(fù)雜性，利用外接電容(CVS＋、CVS－)作為去耦電容，減小儀表運放電源電壓的波動，利用外接電容(CVH＋和CVH－)作為濾波電容，濾除高頻信號，增強霍爾輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖6 傳感器信號處理電路

根據(jù)儀表放大器AD602 的特性，當(dāng)RG0＝1 kΩ，霍爾輸出電壓的一級放大約為50 倍，通過運算放大器對儀表放大器輸出電壓進(jìn)行調(diào)零和二次放大，利用U2設(shè)計加減運算電路對霍爾輸出電壓進(jìn)行調(diào)零，其輸出值為:

式中:R3、R4、R5的阻值均為20 kΩ，Rz0的阻值為5 kΩ。

利用U4對調(diào)零后的電壓進(jìn)行二級放大，其輸出值為:

式中:R6＝10 kΩ，RG1、RG2為恒定電阻，RG3為可調(diào)電阻。

根據(jù)式(4)，通過調(diào)節(jié)RG3的阻值設(shè)定二級放大的倍數(shù)，使Vout2滿足A/D 轉(zhuǎn)換輸入電壓。通過采用上述3 組獨立的信號處理電路對磁場矢量傳感器的輸出電壓進(jìn)行并行放大、濾波等處理，使霍爾輸出電壓并行傳輸給微控制器的3 個模擬信號通道端口，結(jié)合三維移動平臺可實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地采集待測空間的磁場信息。

2.2 磁成像裝置軟件設(shè)計

2.2.1 磁成像裝置控制流程

圖7 給出磁成像裝置控制流程，通過微控制器控制三維移動平臺中步進(jìn)電機的運動，使得磁場矢量傳感器在待測磁場空間中掃描磁場信息，保障掃描空間內(nèi)磁場矢量信息與預(yù)設(shè)位置信息的對應(yīng)性。當(dāng)傳感器完成第1 個設(shè)定位置的磁場分量測量，移動平臺會帶動傳感器測量第2 個設(shè)定位置的磁場信息，依次獲取全部設(shè)定位置的磁場信息，并通過串口通信的方式發(fā)送給計算機，最終形成磁場分布圖像。

圖7 磁成像裝置控制流程圖

2.2.2 磁場矢量數(shù)據(jù)處理流程

由微控制器和開發(fā)的Python 應(yīng)用軟件實現(xiàn)數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)篩選及分析、磁場數(shù)據(jù)存儲和人機交互界面功能。采用微控制器中已經(jīng)連接好的10位快速A/D 轉(zhuǎn)換芯片對磁場矢量傳感器輸出的模擬信號進(jìn)行采集，通過均值濾波的方式對磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，防止外部環(huán)境引起的信號干擾。微控制器將對應(yīng)測量位置的霍爾輸出電壓和位置信息通過串口打印到顯示屏上，通過編寫的Python 程序捕捉USB 數(shù)據(jù)線傳輸?shù)拇艌鲂畔⒑臀恢眯畔ⅲ詣诱淼紼xcel 文件中并保存。整理Excel 文件的數(shù)據(jù)為數(shù)值矩陣，轉(zhuǎn)換成三維的立方數(shù)據(jù)矩陣，并與位置坐標(biāo)結(jié)合，經(jīng)過軟件程序的計算，完成空間磁場矢量圖像的繪制。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 磁場矢量傳感器特性測試

在室溫條件下，采用磁場發(fā)生器系統(tǒng)對磁場傳感器樣品進(jìn)行磁敏特性測試。外加磁場范圍為－1 000 Gs～＋1 000 Gs，步長為200 Gs。圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)分別給出磁場矢量傳感器x、y、z方向霍爾元件的磁敏感特性曲線。實驗結(jié)果表明，霍爾輸出電壓與外加磁場B具有較好的線性關(guān)系，磁靈敏度分別為1.21×10－2mV/Gs、1.19×10－2mV/Gs和1.30×10－2mV/Gs，最大零點漂移為2.80 mV。本裝置傳感器測量磁場的范圍為－1 000 Gs～＋1 000 Gs，磁場分辨率為2 Gs，由于地磁場遠(yuǎn)小于傳感器的磁場分辨率，因此本裝置在測量中忽略地磁場的影響。

圖8 霍爾輸出電壓與外加磁場關(guān)系曲線

3.2 空間磁場矢量測試與分布

圖9 給出4 個條形磁鐵構(gòu)成的待測磁場環(huán)境，條形磁鐵長度、寬度和高度分別約為48 mm、18 mm、4 mm，將條形磁鐵并排放置在亞克力板載物臺上。測試中將待測永磁鐵放置在傳感器的上方，實際測試永磁鐵下表面和下方一定空間的磁場，測試空間為150 mm×150 mm×60 mm，設(shè)置移動平臺步進(jìn)距離為3 mm，共設(shè)定50 000 個測量位置，空間分辨率為3 mm3。

圖9 條形磁鐵陣列排布方式

圖10(a)給出條形磁鐵陣列表面的三維磁感應(yīng)強度彩云圖，圖10(b)和圖10(c)分別為磁感應(yīng)強度投影彩云圖和矢量圖，其中x、y軸分別代表x、y方向的測量范圍，z軸坐標(biāo)代表磁感應(yīng)強度的大小，在軟件中，由式(2)計算每一個測量點的磁感應(yīng)強度大小和方向，并利用插值法將4 個條形磁鐵附近的磁場信息插入到待測空間的預(yù)設(shè)位置信息中。從圖10(a)中可以看出，在位置Ⅰ處的磁場矢量模較大且大于0，定義磁極為N 極，位置Ⅱ處的磁場矢量模較大且小于0，定義磁極為S 極。通過對磁鐵表面空間磁感應(yīng)強度分布圖像進(jìn)行分析，在每一個條形磁鐵的表面中間位置處磁感應(yīng)強度較強，邊緣位置磁感應(yīng)強度較弱，磁感應(yīng)強度由邊緣向中間逐漸增強，且磁感應(yīng)強度大小具有一定的對稱性，中間磁場最大約為472 Gs，這與條形磁鐵的磁場大小基本一致。鄰近的兩個條形磁鐵表面呈正反向磁場交替式連接，兩個條形磁鐵連接位置磁感應(yīng)強度大小相等且方向相反，相互抵消，磁場大小近似0 Gs。

圖10 條形磁鐵陣列表面磁感應(yīng)強度示意圖

圖10(b)一個方格代表一個磁場成像的像素點，對比圖10(a)，①號和③號區(qū)域的磁極為N 極，②號和④號區(qū)域的磁極為S 極，外圍磁場較弱，可忽略不計，可以看出4 個條形磁鐵表面為強磁場區(qū)域且鄰近的磁場區(qū)域磁場方向相反；每個條形磁場區(qū)域沿x方向約有16 個像素點長度，沿y方向上約有6 個像素點寬度，設(shè)置的每個像素點大小均為3 mm×3 mm，從圖中可以推斷出所測量的磁性樣品平面尺寸約為48 mm×18 mm，與待測永磁鐵大小基本相符。圖10(c)給出條形磁鐵陣列表面空間磁場矢量在xy平面的投影圖。第1 個和第3 個磁鐵表面磁性均為N 極并呈發(fā)散趨勢，第2 個和第4 個磁鐵上表面磁性均為S 極并呈吸收趨勢，四個磁鐵為N 極和S 極交替連接，在每個磁性為N 極的磁鐵四周磁感線都由兩邊的磁性為S 極的磁鐵吸收。每個條形磁鐵的中間磁感線密集，四周磁感線稀疏且向中間呈吸收或發(fā)散趨勢，但磁感應(yīng)強度由內(nèi)向外逐漸減小。從圖中可以看出，相鄰的兩個磁鐵，磁性相反，在連接處的磁感線近乎平行趨勢。

圖11(a)、圖11(b)分別給出條形磁鐵陣列表面和附近待測空間磁場矢量分布圖，每個測量位置均由有向線段表示磁場矢量，箭頭方向表示磁場的方向，線段長度表示磁場的大小。從圖11(a)中可以看出，在每個條形磁鐵的表面中間位置有向線段密集，即磁感線密集且磁感應(yīng)強度較強，邊緣磁感線稀疏。鄰近的兩個條形磁鐵表面呈正反向磁場交替式連接，且在兩個條形磁鐵連接位置的磁感應(yīng)強度大小相等且磁場矢量方向相反，相互抵消。

圖11 條形磁鐵陣列表面空間磁矢量分布三維圖

從圖11(b)中可以看出，在z方向(即傳感器距離被測物體的高度)離磁鐵表面越遠(yuǎn)，有向線段的長度越短，表示磁感應(yīng)強度越小，直至衰減到地磁場大小。距離磁鐵表面約39 mm 附近，磁場基本為地磁場，距離磁鐵表面39 mm～60 mm 的待測空間檢測不到磁鐵的磁場。

4 結(jié)論

針對空間磁場矢量測量與分布，本文設(shè)計并制作了由磁場矢量傳感器、三維移動平臺和信號處理電路等構(gòu)成的磁成像裝置。通過對條形磁鐵陣列附近的空間磁場測量、測試數(shù)據(jù)處理和成像分析，主要結(jié)論如下:①該裝置可實現(xiàn)待測空間的磁場矢量測量，并能夠形成空間磁場分布云圖，清晰反映被測空間的磁場大小和方向；②該裝置通過三維移動平臺縮小傳感器的測量間距，可有效提高待測空間磁場矢量測量的空間分辨率，增強被測空間磁場矢量的成像效果。