探頭可更換的智能磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x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(chǎng)測(cè)量?jī)x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(duì)穩(wěn)恒場(chǎng)，交變場(chǎng)正負(fù)峰值及峰峰值和頻率，脈沖場(chǎng)峰值的測(cè)量。    關(guān)鍵詞：自動(dòng)定標(biāo) 磁場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)量方法靈敏度高、適應(yīng)范圍寬，既可測(cè)量恒定磁場(chǎng)，又可測(cè)量交變磁場(chǎng)。但在使用過(guò)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(guò)程比較復(fù)雜且需要較高精度的專(zhuān)業(yè)定標(biāo)設(shè)備，一般用戶不具備這種條件�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的同類(lèi)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(cè)量精度和較大測(cè)量范圍的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)。該測(cè)量?jī)x可以完成對(duì)穩(wěn)恒場(chǎng)，脈沖場(chǎng)峰值，交變場(chǎng)正負(fù)峰值、峰峰值及其頻率的測(cè)量，同時(shí)具有自動(dòng)測(cè)量功能。

1 測(cè)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(chǎng)，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(shì)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(shì)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(guò)霍爾器件的電流，Bo為外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)一個(gè)霍爾器件而言，在電流I恒定的情況下，EH與外磁場(chǎng)Bo成正比，設(shè)比例系數(shù)K=RH 。因此，對(duì)于不同的霍爾傳感器，可以通過(guò)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(shì)EH與外磁場(chǎng)Bo的比例關(guān)系。所以在霍爾器件的線性區(qū)，可以通過(guò)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(shì)EH與外磁場(chǎng)Bo的比例關(guān)系，從而完成線性區(qū)的定標(biāo)。把對(duì)應(yīng)工作電流下的非線性區(qū)霍爾電動(dòng)勢(shì)與外磁場(chǎng)Bo作成數(shù)據(jù)表格存儲(chǔ)在一個(gè)串行的E2PROM中，測(cè)量時(shí)就可以通過(guò)查表和線性擬合的方法求得外磁場(chǎng)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(duì)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(chǎng)測(cè)量?jī)x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(hào)處理與采集電路、頻率測(cè)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(pán)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(lái)檢測(cè)調(diào)零電路輸出，另一路用來(lái)采集保持后的感應(yīng)電壓信號(hào)。兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器MAX541中的一個(gè)用來(lái)輸出霍爾不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電壓，另一個(gè)用來(lái)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(cè)量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤(pán)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(lái)顯示交變磁場(chǎng)頻率，另一個(gè)由軟件控制根據(jù)不同的磁場(chǎng)顯示不同數(shù)值。當(dāng)測(cè)量穩(wěn)恒場(chǎng)時(shí)，顯示磁場(chǎng)值；當(dāng)測(cè)量脈沖場(chǎng)時(shí)，顯示峰值；當(dāng)測(cè)量交變磁場(chǎng)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(guò)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

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