基于差動式三維磁場傳感器的高精度磁場測量系統

磁體測量系統是高能物理和核物理研究不可或缺的設備。例如，在開發高速磁體和高純度導致系統方面，必須通過測量設備內每個點的空間磁體分布來評估設備的性能指標。在研究高速磁浮列車時，還應使用磁體測量系統來測量懸掛磁體、推動磁體和導向磁體，以測試每個磁體的磁感應強度，并根據鐵路上可提供的電壓力。此外，磁體測量系統在評價損傷、醫學和環境磁體污染方面也發揮著重要作用。由于國產的磁場測量系統精度普遍偏低,目前在上述領域使用的磁場測量系統主要依賴進口,價格非常昂貴,而且大多數系統只能測量一維磁場或二維磁場,空間三維磁場的分布情況需要通過多次測量和復雜的數據處理才能得到,無法實現快速測量.為此我們研制了三維磁場精密測量系統,利用它可快速方便地對空間三維磁場進行測量.1通過差動的方式來進行磁場測量高性能三維磁敏傳感器的研制是三維磁場精密測量系統研制過程中首先要解決的問題.當前市場上存在的磁敏傳感器有多種類型,其中基于霍爾效應的磁敏傳感器最為常見.霍爾傳感器的磁場測量范圍大,典型測量范圍為10-7～10T,分辨率高,可以達到10-7T,可用于測量交、直流磁場和脈沖磁場的各種分量,也可用于測量縫隙磁場.其不足之處是存在不等位輸出電壓,且輸出受溫度變化的影響較大.在本系統中,我們采用將霍爾元件粘貼在立方體表面的方法來制作三維磁敏傳感器.將6個性能參數相同的霍爾元件分別粘貼在一個很小的立方體(3mm×3mm×3mm)的6個面上,互相平行的兩個面上的霍爾元件以差動的方式進行電路連接,共同完成某一個方向的磁場測量;由于立方體相鄰的三個面彼此正交,從而就可以構成一個三維的磁敏傳感器,用于測量立方體中心點磁場的三個分量.由于霍爾元件的體積很小,這種三維磁敏傳感器可以做成點式探頭的形式.同時由于霍爾元件以差動的方式進行電路連接,可以有效地減小不等位輸出電壓和溫度變化的影響.霍爾元件選用了南京新捷中旭微電子有限公司生產的SJ系列砷化鎵(GaAs)霍爾元件,它具有磁靈敏度高、線性度優良、溫度穩定性好、不等位電壓低、體積小等優點,其功能框圖如圖1所示,圖1中Ii為霍爾元件的輸入驅動電流,VH為霍爾輸出電壓.其霍爾輸出電壓與磁感應強度B、輸入驅動電流(電壓)的函數關系分別如圖2和圖3所示.綜合圖2和圖3的數據可以看出,該器件的靈敏度系數KH近似為0.25mV/(mA×mT).應用該器件所設計的三維磁敏傳感器的某一方向的電路連接示意圖如圖4所示(另外兩個方向的電路連接示意圖與圖4完全相同).H1和H2為粘貼在小立方體兩個互相平行表面上的兩個霍爾元件,采用差分的方式進行連接.因為霍爾元件的不等位輸出電壓是由于霍爾電極的裝配誤差等因素所造成的,與被測磁感應強度無關,而配對的兩個霍爾元件由于粘貼方向相反,被測磁感應強度在兩個霍爾元件上所產生的霍爾輸出電壓的極性也相反,所以在這種連接方式下,H1和H2輸出的不等位電壓相當于共模信號,而被測磁感應強度所產生的霍爾輸出電壓相當于差模信號.兩個霍爾元件的輸出信號接到差分放大器后,其不等位輸出電壓得到了抑制,而霍爾輸出電壓得到了有效的放大.2電壓比測量法實現動態圖4所示傳感器電路的最大輸出電壓UO設計為±10V左右,經壓頻變換器轉換為數字信號后輸入到微處理器的定時/計數輸入端,利用微處理器的內部定時器在固定的時間間隔內對V/F芯片的輸出信號進行計數,從而獲得數據采集的結果.因為霍爾元件的輸入電阻容易受到溫度變化的影響,這樣在采用恒壓源供電時,驅動回路中的電流就會隨溫度變化,導致在被測磁感應強度不變時,其霍爾輸出電壓也會發生漂移,從而影響磁場測量的精度,所以一般使用霍爾元件進行磁場測量時,都需要設計電流源電路來提供恒定的輸入驅動電流、抵消溫度變化對霍爾元件輸入電阻的影響.但是簡單的電流源電路并不能高精度地提供恒定的驅動電流,而將整個系統置于恒溫箱中又過于復雜,所以我們采用了電壓比測量法來實現對磁場的精密測量.如圖4所示,霍爾元件和電阻R串聯在同一個回路中,流過電阻R的電流是霍爾元件驅動電流的2倍;當由于磁電阻效應和溫度變化引起霍爾元件內阻變化時,兩個霍爾元件的驅動電流會發生變化,同時流過電阻R的電流也會同步發生變化,且傳感器的輸出電壓和電阻R上的壓降均與驅動電流成正比.當流過兩個霍爾元件的驅動電流均為I時,由于傳感器的輸出電壓UO=KIB,電阻R上的壓降UR=2IR,所以只要交替采集傳感器的輸出電壓UO和電阻R上的壓降UR,磁感應強度B即可根據UO與UR的比值求出,即B=(2R/K)×(UO/UR),(1)B=(2R/Κ)×(UΟ/UR),(1)式中:系數K為霍爾元件的靈敏度系數和差分放大器放大倍數的乘積的2倍.因為上式中不含驅動電流I,所以采用電壓比測量法消除了驅動電流變化對磁場測量精度的影響.由于霍爾元件的靈敏度系數KH同樣會受到溫度變化的影響,所以要實現磁場的精密測量,還需要考慮這一因素的影響.由上面的分析可以知道,當溫度變化時,霍爾元件的輸入電阻會發生變化,導致其驅動回路中的電流變化,引起電阻R兩端的壓降UR變化,從而溫度的變化情況可以通過對UR的采集間接得到;霍爾元件的靈敏度系數KH與溫度也有一定的對應關系.因此,在系統的設計過程中,應該在被測磁感應強度固定的情況下,對霍爾元件的靈敏度系數KH與電阻R兩端壓降UR之間的關系進行標定,在系統軟件中利用UR的實時采集結果對霍爾元件的靈敏度系數KH進行修正.3零系統調整和校正3.1不等位電壓的放通過調節圖4所示電路中電位器R2的阻值,可以在被測磁感應強度為0時使傳感器的輸出電壓UO為0,即兩個霍爾元件的不等位輸出電壓經過差分放大后被相互抵消.3.2系統標定方法由于本系統的探頭采用了線性元件,且系統的量程在探頭的線性傳輸范圍之內,所選用的放大器和數據采集器件也都具有很好的線性度,所以整個系統具有良好的線性特征.在標定時,只需選取系統量程中間某點已知磁感應強度值進行定標即可.系統的三個測量方向應分別進行標定.系統的標定包括系統準確度的標定和系統溫度系數的標定兩個環節.根據系統的量程及準確度,選用了計算線圈法進行標定.此法是制作一個精密長直螺線管,精確測量它的幾何尺寸,其中,真空中的磁導率μ0=4π×10-7,N為匝數,L為螺線管的長度,D為直徑,I為通過螺線管的電流,根據公式B=μ0NIL2+D2√?(2)B=μ0ΝΙL2+D2?(2)計算出該螺線管幾何中心處的磁感應強度B,以此值作為系統的定標值;該方法的準確度可以達到10-5.在一定的環境溫度下,調節圖4所示電路中電位器R1的阻值,使系統的測量結果與定標值相同即可,并記錄下此時電阻R兩端的壓降UR.固定電位器R1的阻值和磁感應強度B不變,在不同的環境溫度下重復進行測量,并記錄下B的測量結果與電阻R兩端壓降UR的對應關系,利用這一關系就可以在軟件中對霍爾元件的靈敏度系數KH進行修正.4理論計算結果分析利用所設計的三維精密磁場測量系統對長直螺線