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探頭可更換的智能磁場測量儀的研制
摘要：介紹了一種基于霍爾效應的高精度、寬范圍的智能磁場測量儀的硬件組成和軟件結(jié)構。該儀器具有探頭可更換、能自動完成相應定標的特點，具有自動轉(zhuǎn)換量程、自動調(diào)零的功能，可實現(xiàn)對穩(wěn)恒場，交變場正負峰值及峰峰值和頻率，脈沖場峰值的測量。 關鍵詞：自動定標 磁場測量 霍爾效應 自動調(diào)零 程控放大基于霍爾效應的磁場測量方法靈敏度高、適應范圍寬，既可測量恒定磁場，又可測量交變磁場。但在使用過程中，霍爾探頭容易由于人為因素造成損壞，這樣就需要更換新的探頭。然而不同探頭在相同電流下靈敏度不同，需要重新定標。定標過程比較復雜且需要較高精度的專業(yè)定標設備，一般用戶不具備這種條件�，F(xiàn)在國內(nèi)的同類產(chǎn)品多是在交付用戶使用前完成定標，一旦探頭損壞就只能返回重新定標。本文介紹一種更換探頭后可自動重新定標且具有較高測量精度和較大測量范圍的磁場測量儀的硬件組成和軟件結(jié)構。該測量儀可以完成對穩(wěn)恒場，脈沖場峰值，交變場正負峰值、峰峰值及其頻率的測量，同時具有自動測量功能。1 測量原理霍爾效應的基本原理如圖1所示。在Y方向通以電流I，并在Z方向施加磁感應強度為90的磁場，那么載流子在X方向受到洛侖茲力作用而在兩端產(chǎn)生霍爾電動勢EH。根據(jù)霍爾效應制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導體薄片，其霍爾電動勢為：EH=RH(IB0/d) (1)式中，RH為與材料有關的霍爾系數(shù)，d為霍爾器件的厚度，I為流過霍爾器件的電流，Bo為外磁場的磁感應強度。對一個霍爾器件而言，在電流I恒定的情況下，EH與外磁場Bo成正比，設比例系數(shù)K=RH 。因此，對于不同的霍爾傳感器，可以通過改變工作電流I，使其具有相同的比例系數(shù)�；魻柶骷亩司褪谴_定霍爾電動勢EH與外磁場Bo的比例關系。所以在霍爾器件的線性區(qū)，可以通過改變工作電流I，使其達到預先設置的霍爾電動勢EH與外磁場Bo的比例關系，從而完成線性區(qū)的定標。把對應工作電流下的非線性區(qū)霍爾電動勢與外磁場Bo作成數(shù)據(jù)表格存儲在一個串行的E2PROM中，測量時就可以通過查表和線性擬合的方法求得外磁場Bo。因此，只需在霍爾器件探頭上封裝一個串行E2PROM，將該探頭的工作電流和對應的非線性區(qū)表格存儲在其中即可。更換探頭后磁場測量儀的CPU可以從E2OPROM中取得該探頭的工作電流，然后調(diào)節(jié)一個可控的恒流源完成定標工作。
圖2
2 硬件設計該儀器的硬件電路主要由主控電路、定標電路、信號處理與采集電路、頻率測量電路等組成。電路的原理框圖如圖2所示。2．1 主控電路主控電路以AT89C52為核心，包括一個雙通道A／D轉(zhuǎn)換器MAXlll[1]、兩個D／A轉(zhuǎn)換器MAX541[2]、經(jīng)8279擴展的鍵盤顯示電路、一個定標參數(shù)存儲器X24128[3]以及與上位機通訊的RS232接口。為了減少干擾，在模擬電路與數(shù)字電路之間加有光電隔離電路。A／D轉(zhuǎn)換器MAXlll的一路用來檢測調(diào)零電路輸出，另一路用來采集保持后的感應電壓信號。兩個D／A轉(zhuǎn)換器MAX541中的一個用來輸出霍爾不等位電勢的補償電壓，另一個用來控制壓控恒流源。
經(jīng)8279擴展六個按鍵：電源鍵、定標鍵、調(diào)零鍵、量程轉(zhuǎn)換鍵、自動測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時經(jīng)8279擴展出雙8位的數(shù)字表頭，一個用來顯示交變磁場頻率，另一個由軟件控制根據(jù)不同的磁場顯示不同數(shù)值。當測量穩(wěn)恒場時，顯示磁場值；當測量脈沖場時，顯示峰值；當測量交變磁場時，由軟件控制依次顯示正、負峰值及峰峰值，顯示時間間隔由軟件控制為5s，當按下顯示暫保持鍵時，保持當前顯示數(shù)據(jù)，再次按顯示保持鍵，顯示下一個數(shù)據(jù)。參數(shù)存儲器X24128與霍爾器件封裝在一起，通過串行總線和主機相連。2．2 定標電路設計及工作原理定標電路主要由一個壓控恒流源和提供控制電壓的D／A轉(zhuǎn)換電路
[1] [2] [3]
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