一种磁性元件的磁场测量装置及测量方法

摘要

一种磁性元件的磁场测量装置及探测方法，包括磁传感探头、测量电路、量程调节机构和辅助电路。磁传感探头由第一磁传感器、第二磁传感器构成，用于磁信号的获取；测量电路由驱动芯片、微处理器构成，用于磁电信号的转换及处理；量程调节机构由导槽、滑动杆、复位弹簧构成，用于改变磁传感探头的位置；本发明采用差分消除地磁场和共模干扰等影响，在开放空间实现对磁性元件磁场的准确测量，可通过机械结构调节探头位置，配合算法处理来扩展测量的量程。具有精度高，可操作性好，且不受地磁场干扰，探头不宜损坏，易于维护，性价比高等特点。

说明书

技术领域

本发明一种磁性元件的磁场测量装置及测量方法，用于探测磁性元件的磁场强度。

背景技术

对磁现象进行观察和利用，是人类最古老的技术领域之一。远在公元之前三世纪，古 人就使用了磁罗盘，后来又把它用于航海业。近年来，随着电子行业的迅猛发展，各种磁 性材料和磁器件的应用越来越普遍，对弱磁场测量精度也提出了更高的要求。当前，根据 测量系统敏感元件的工作原理划分，主要有霍尔元件、磁通门传感器、磁阻传感器、巨磁 阻传感器等。基于上述磁敏感元件，匹配相应的测量电路和显示装置，可以制作不同量程 的磁场测量装置和应用产品，如磁强计、高斯计等。但现阶段用于磁性元件磁场的测量的 装置或产品，存在如下问题：

1、基于霍尔元件的高斯计。高斯计是检测磁场磁感应强度的专用仪器，是磁性元件磁 场测量中用途最为广泛的仪器之一。实际商用的大部分磁场强度测量仪表，如SHT-B型数 字式特斯拉计、HT201数字式特斯拉计/高斯计和GM55数字式高斯计等，大多采用高精度、 高稳定性的GaAs霍尔元件作为磁传感器，有两个量程。第一量程为0～200mT，分辨率 为0.01mT；第二量程为0～2000mT，分辨率为0.1mT。如价格高达万元的LZ-860高 斯计可以测量直流和交流磁场，但分辨率最高也只有10uT。此外，由于霍尔元件本身的发 热量大，且对温度敏感，通常需要增加硬件来使霍尔元件保持恒温，同时采用软件对测量 结果需要进行非线性误差修正、显示值大小修正、峰值保持、软件调零等，系统设计复杂， 测量精度不高，价格昂贵。

2、基于磁通门、各向异性磁阻、巨磁阻设计的传感系统虽然具有较高的精度，但测量 量程不大(通常只有几十uT)，且需要附加复杂的放大电路(一般要放大数百至上千倍) 和滤波反馈电路，乃至置位/复位电路来改善测量精度，导致系统结构复杂、体积大、功 耗高，价格昂贵，其应用场合受到限制。

目前为止，用于磁性元件磁场测量的高斯计精度大多在0.01mT级别，对于测量一些 小型磁性元件的磁场强度，准确性不高，且易受地磁场干扰。因此急需开发出精度高、量 程大、抗地磁场干扰、高性价比的磁性元件磁场测量装置。

发明内容

鉴于上述磁场测量装置存在的局限性，为了有效探测磁性元件的磁场强度，本发明要 解决的技术问题在于针对现有技术的问题，提出一种精度高(0.1μT)、量程可调节、抗 地磁场干扰、便于操作的磁场测量装置及探测方法。

本发明采取的技术方案为：

一种磁性元件的磁场测量装置，包括磁传感探头，与磁传感探头相连的测量电路，测 量电路与量程调节机构机械连接，测量电路通过导线与辅助电路连接，其中，

所述磁传感探头用于感应被测物体和周围环境的磁场强度信号；

所述测量电路用于将获取的磁场强度信号转换成数字电信号，并进行信号处理；

所述量程调节机构用于改变磁传感探头的位置；

所述辅助电路用于为装置工作提供电源，并显示当前磁场大小，辅助检测量程调节机 构的档位切换。

所述所述磁传感探头由第一磁传感器和第二磁传感器构成，所述第一磁传感器和所述 第二磁传感器沿中心轴线同向布置，两者之间的距离大于12cm。

所述测量电路由驱动芯片、微处理器和外围电路构成，所述驱动芯片连接第一磁传感 器和第二磁传感器，驱动芯片与微处理器连接，通过所述微处理器对驱动芯片的测量参数 进行配置，并读取两个传感器的测量数据。

所述量程调节机构还包括导槽、滑动杆、按键、复位弹簧，其中，

所述按键与导槽配合，并与所述滑动杆固定连接，用于调节滑动杆的位置；

所述复位弹簧一端与所述导槽连接，一端与所述滑动杆连接；

所述滑动杆与所述导槽为圆柱配合，所述滑动杆的一端与测量电路连接。

所述量程调节机构设有档位A、档位B、档位C、档位D，在所述复位弹簧的作用下，通 过手动调节所述按键的档位，改变磁传感探头与被测磁性元件之间的距离。

一种磁性元件的磁场测量装置的测量方法，在档位A测量时，第一磁传感器贴近磁性 元件，驱动芯片驱动第一磁传感器和第二磁传感器同时进行磁场强度测量，并将测量结果 转换成数字信号传送给单片机，经过差分处理，消除地磁场的影响，测得磁性元件表面的 磁场强度。

一种磁性元件的磁场测量装置的测量方法，对于小型磁性元件的磁场强度大于磁传感 器D档位量程时，通过调节按键使磁传感探头与磁性元件的距离，测量探头移至该点时的 磁场强度,则磁性元件表面的磁场强度用如下公式进行计算：

$H_0=k{\left(\frac{r_0+d}{r_0}\right)}^3{H}^{\prime }$

其中，r₀为元件表面到质心的距离，k为修正系数，不同元件的形状、磁场强度不同， 值不同。

一种磁性元件的磁场测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：系统上电，主控电路初始化，并对第一磁传感器、第二磁传感器进行配置；

步骤2：将手持磁传感装置贴近被测磁性元件，仔细观察显示器上磁场大小，当磁场 强度大于+/-200uT，磁场饱和，系统报警提示，将按键调节到B档；

步骤3：根据B档测量的结果，确定是否需要采用步骤2进一步调节量程；

步骤4：当测量结果在量程范围内时，直接读取测量结果。

本发明一种磁性元件的磁场测量装置及测量方法，技术效果如下：

1)、采用两个磁传感器差分测量，消除地磁场和共模干扰等影响，在开放空间对磁性 元件的磁场进行准确测量。

2)、同时通过调节探头与被测磁性元件的位置，配合电路处理来扩展测量装置的量程。 具有测量精度高，量程大，不受地磁场干扰，探头不宜被强磁场损坏，可靠性好，易于维 护，性价比高。

3)、本发明装置在+/-200uT的量程范围内，测量精度在0.015uT，量程可扩展到T级。 可用于工业生产或实验中小型磁性元件的磁场测量。具有精度高，可操作性好，且不受地 磁场干扰的特点。

附图说明

图1为本发明磁场探测装置的结构示意图。

图2为本发明磁场探测装置的磁传感探头、测量电路结构示意图。

图3为本发明磁场探测装置的导槽、按键结构示意图。

图4为本发明的磁场探测装置的电路连接框图。

图中，1—第一磁传感器，2—第二磁传感器，3—驱动芯片，4—微处理器，5—导槽， 6—滑动杆，7—按键，8—复位弹簧。

具体实施方式

如图1～图3所示，一种磁性元件的磁场测量装置，包括磁传感探头，与磁传感探头相 连的测量电路，测量电路与量程调节机构机械连接，测量电路通过导线与辅助电路连接， 其中，磁传感探头用于感应被测物体和周围环境的磁场强度信号；测量电路用于将获取的 磁场强度信号转换成数字电信号，并进行信号处理；量程调节机构用于改变磁传感探头的 位置；辅助电路用于为装置工作提供电源，并显示当前磁场大小，识别当前的档位。

磁传感探头由第一磁传感器1和第二磁传感器2构成，所述第一磁传感器1和所述第 二磁传感器2沿中心轴线同向布置，两者之间的距离大于12cm。

测量电路由驱动芯片、微处理器和外围电路构成，所述驱动芯片连接第一磁传感器1 和第二磁传感器2，驱动芯片与微处理器连接，通过所述微处理器对驱动芯片的测量参数 进行配置，并读取两个传感器的测量数据。

量程调节机构还包括导槽、滑动杆、按键、复位弹簧，其中，按键与导槽配合，并与 所述滑动杆固定连接，用于调节滑动杆的位置；复位弹簧一端与所述导槽连接，一端与所 述滑动杆连接；滑动杆与所述导槽为圆柱配合，所述滑动杆的一端与测量电路连接。

量程调节机构设有档位A、档位B、档位C、档位D，在所述复位弹簧的作用下，通过 手动调节所述按键的档位，改变磁传感探头与被测磁性元件之间的距离。

本发明磁传感探头配置两个磁传感器：第一磁传感器1、第二磁传感器2采用PNI公 司开发的精密电感式传感器SEN-R65，该传感器稳定性好，不宜被强磁场损坏。匹配3D MagIC专用的驱动芯片3，通过SPI接口和微处理器4连接，因此驱动芯片3输出的数字 量可直接送入微处理器4中，不需要信号调理，避免了在传感器与微处理器4之间构建AD 转换接口。该传感器组件省去了信号调理，大大简化电路。在实际探测时，第一磁传感器 1贴近被测目标，第二磁传感器2远离被测目标(如大于12cm,磁场强度200uT的元件对 第二磁传感器2影响在5nT以下)，通过对两个磁传感器探测信号的差分处理来消除地磁 场的影响，高灵敏检测目标对象的磁场强度。

量程调节机构的按键在档位A、档位B、档位C、档位D不同档位时，磁传感探头与 被测磁性元件的距离不同，其中量程调节机构上档位A、档位B、档位C、档位D之间的距 离均为d。通常，传感器精度高则量程小。该解决方案中，精密电感式传感器SEN-R65的 线性量程范围+/-200uT，精度0.015uT。为了方便不同磁场强度的磁性元件测量，可以通 过按键的移动来改变探头与被测元件的距离，间接测量磁性元件的远场磁场强度，来折算 磁性元件的近场磁场强度，从而扩展测量装置的量程，这可能降低测量装置的精度，如 0.1uT，但大幅提升装置的测量范围，使其方便应用于不同磁场强度元件的测量。

理论研究表明，一个磁性元件到传感器的距离是磁性物体本身大小的3倍及以上时， 该这个磁性物体可以看成是磁偶极子。磁偶极子的磁场分布可以简单的表述为

$H=\frac{{\mu }_{0}m}{{4\mathrm{\pi r}}^3}\sqrt{3\cos {\theta }^3+1}$

式中μ₀为磁场在真空中的磁导率，大小为4π*10^-7H/m，在空气中一般采用该值近似 为磁导率，m为磁性物体的磁矩，r为检测点到磁源质心的距离，H为磁偶极子的磁场强 度，θ为r和磁偶极子磁矩之间的夹角。

假设在某一点时磁场强度为H₁，和磁源距离为r₀，该点的磁场强度超出传感器的测 量范围。可将量程调节机构的距离向后移r cm，此时磁场大小衰减到测量装置可以探测的 量程内，测得此时磁场强度大小为H₂，和磁源距离为r+r₀。因此H₁和H₂之间的关系为

$H_1=H_2\frac{{(r_0+r)}^3}{{r^3}_0}$

当被测的磁性元件不满足理想磁偶极子的条件时，测量结果将出现误差。可以基于上 述的测量方法，对不同尺寸磁性元件的测量结果进行修正，通过实测标定补偿系数k₀，这 样H₁和H₂之间的关系就可以表示为

$H_1=H_2(1+k_0)\frac{{(r_0+r)}^3}{r^{3}0}$

补偿系数k₀是一个可以根据实验来确定的具体值，也可以通过软件仿真计算出来， 它与被测物体的磁场分布、大小、形状有密切的关系。因此可以根据实验和软件仿真来确 定这个补偿系数k₀的取值范围，然后在微处理器中进行预设置，根据具体用途修正。

具体而言，对于磁场强度大于±200μT的小型磁性元件(外形尺寸相对固定)，可以 使用这套装置来测量磁性物体表面某一点的磁场大小。通过调节按键调节磁传感探头与磁 性元件的距离，如B档时元件和第一磁传感器的距离为d，测得磁场强度H',则磁性元件 表面的磁场强度H₀可以用如下公式进行标定：

$H_0=k{\left(\frac{r_0+d}{r_0}\right)}^3{H}^{\prime }$

其中，r₀为元件表面到质心的距离，k为修正系数，可以通过实验标定测试确定，也 可以通过软件仿真确定，不同元件的形状、磁场强度不同，k值不同。

一种磁性元件的磁场测量装置的测量方法，在档位A测量时，第一磁传感器1贴近磁 性元件，驱动芯片驱动第一磁传感器1和第二磁传感器2同时进行磁场强度测量，并将测 量结果转换成数字信号传送给微处理器，经过差分处理，消除地磁场的影响，测得磁性元 件表面的磁场强度。

一种磁性元件的磁场探测装置及其测量方法，包括以下步骤：

步骤1：系统上电，主控电路初始化，并对两个磁传感器进行配置；

步骤2：将手持磁传感装置贴近被测磁性元件，仔细观察显示器上磁场大小，当磁场 强度大于+/-200uT，磁场饱和，系统报警提示，将量程调节机构调节到档位B；

步骤3：根据档位B测量的结果，确定是否需要采用步骤2进一步调节量程；

步骤4：当测量结果在量程范围内时，直接读取测量结果；

当需要长期测量磁场大小时，可以用RS-232接到PC机上，这样可以通过labview或 者VC++等编写串口接收并处理数据同时实时显示出来。

微处理器4采用STC12LE2052AD单片机作为核心部件，还可以由其他种类的单片机或 者ARM等智能芯片。

第一磁传感器1、第二磁传感器2为电感式单轴磁传感器(PNI公司的SEN-R65)，将 磁场强度转化为数字信号输出，灵敏度高达15nT。在实际探测时，一个磁传感器用于贴近 被测目标，另一个磁传感器远离被测目标，用于探测磁场，通过对两个磁传感器探测信号 的差分处理来消除地磁场和共模干扰的影响，高灵敏地探测目标对象的磁场强度。

量程调节机构用于改变磁传感器探头的位置。它是一种可以等间距的产生距离的机械 装置，通过选择不同的距离档实现测量不同量程的磁场。然后再通过单片机或者ARM芯片 的距离补偿算法来显示出真实的磁场大小。

辅助电路用于为装置工作提供电源，并显示当前磁场大小，识别当前的档位。

图4为本发明的磁性元件的磁场测量装置的电路设计框图，PNI专用驱动芯片驱动第 一磁传感器1、第二磁传感器2，同时把磁场信号转换为数字信号通过SPI接口连到微处 理器。当磁性元件的磁场大于±200μT时，滑动按键7调节量程，确保磁传感器脱离饱和 状态，然后开始测量远场磁场，单片机进行数据采集和差分处理，并根据不同的档位调用 相应的距离补偿算法，驱动LCD液晶显示器实时显示磁场，同时也可以通过RS-232接口 传给PC机。

采用该探测装置对磁场进行实验探测，不仅可明显的监测到磁场的存在，同时比HT201 高斯计(如HT201高斯计精度0.1mT、0.01mT)有更高的精度和更加大的量程。

本发明所涉及的液晶显示器显示电路、RS232通信电路、单片机控制电路、档位识别 等，都属于已有技术且在电子罗盘、金属检测、磁定位等等领域已有多种形式和应用。在 此只是列举部分实现方式，不对电路的细部特征再做具体叙述。

本发明的核心在于从磁敏探测的原理出发，选用高精度PNI精密电感式磁传感器，通 过差分技术消除地磁场等共模信号的干扰，通过机械结构设置不同的档位来改变测量装置 的量程，提高测量装置的适用范围。实际测量中，辅助人工判断选择量程，此磁性元件的 磁场测量装置具备良好的可操作性，降低误测的概率。