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(yīng)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(gòu)。該儀器具有探頭可更換、能自動(dòng)完成相應(yīng)定標(biāo)的特點(diǎn)，具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程、自動(dòng)調(diào)零的功能，可實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)恒場，交變場正負(fù)峰值及峰峰值和頻率，脈沖場峰值的測量。    關(guān)鍵詞：自動(dòng)定標(biāo) 磁場測量 霍爾效應(yīng) 自動(dòng)調(diào)零 程控放大基于霍爾效應(yīng)的磁場測量方法靈敏度高、適應(yīng)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(biāo)。定標(biāo)過程比較復(fù)雜且需要較高精度的專業(yè)定標(biāo)設(shè)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(biāo)，一旦探頭損壞就只能返回重新定標(biāo)。本文介紹一種更換探頭后可自動(dòng)重新定標(biāo)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(gòu)。該測量儀可以完成對穩(wěn)恒場，脈沖場峰值，交變場正負(fù)峰值、峰峰值及其頻率的測量，同時(shí)具有自動(dòng)測量功能。

1 測量原理霍爾效應(yīng)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(yīng)強(qiáng)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(dòng)勢EH。根據(jù)霍爾效應(yīng)制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導(dǎo)體薄片，其霍爾電動(dòng)勢為：EH=RH(IB0/d)    (1)式中，RH為與材料有關(guān)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(yīng)強(qiáng)度。對一個(gè)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(shè)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�的定標(biāo)就是確定霍爾電動(dòng)勢EH與外磁場Bo的比例關(guān)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(dá)到預(yù)先設(shè)置的霍爾電動(dòng)勢EH與外磁場Bo的比例關(guān)系，從而完成線性區(qū)的定標(biāo)。把對應(yīng)工作電流下的非線性區(qū)霍爾電動(dòng)勢與外磁場Bo作成數(shù)據(jù)表格存儲(chǔ)在一個(gè)串行的E2PROM中，測量時(shí)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(gè)串行E2PROM，將該探頭的工作電流和對應(yīng)的非線性區(qū)表格存儲(chǔ)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(gè)可控的恒流源完成定標(biāo)工作。

圖2

2 硬件設(shè)計(jì)該儀器的硬件電路主要由主控電路、定標(biāo)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(gè)雙通道A／D轉(zhuǎn)換器MAXlll[1]、兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器MAX541[2]、經(jīng)8279擴(kuò)展的鍵盤顯示電路、一個(gè)定標(biāo)參數(shù)存儲(chǔ)器X24128[3]以及與上位機(jī)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(yīng)電壓信號。兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器MAX541中的一個(gè)用來輸出霍爾不等位電勢的補(bǔ)償電壓，另一個(gè)用來控制壓控恒流源。

    經(jīng)8279擴(kuò)展六個(gè)按鍵：電源鍵、定標(biāo)鍵、調(diào)零鍵、量程轉(zhuǎn)換鍵、自動(dòng)測量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時(shí)經(jīng)8279擴(kuò)展出雙8位的數(shù)字表頭，一個(gè)用來顯示交變磁場頻率，另一個(gè)由軟件控制根據(jù)不同的磁場顯示不同數(shù)值。當(dāng)測量穩(wěn)恒場時(shí)，顯示磁場值；當(dāng)測量脈沖場時(shí)，顯示峰值；當(dāng)測量交變磁場時(shí)，由軟件控制依次顯示正、負(fù)峰值及峰峰值，顯示時(shí)間間隔由軟件控制為5s，當(dāng)按下顯示暫保持鍵時(shí)，保持當(dāng)前顯示數(shù)據(jù)，再次按顯示保持鍵，顯示下一個(gè)數(shù)據(jù)。參數(shù)存儲(chǔ)器X24128與霍爾器件封裝在一起，通過串行總線和主機(jī)相連。2．2 定標(biāo)電路設(shè)計(jì)及工作原理定標(biāo)電路主要由一個(gè)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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