基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统及其测量方法与流程

1.本发明涉及一种磁场测量系统及测量方法，尤其涉及一种基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.磁场测量系统是进行电磁场研究的一种常用仪器设备，广泛应用于核物理研究、电机制造、电磁信号分析等领域。测量磁场高于3t的强磁场测试仪器通常采用霍尔效应磁测技术手段，根据霍尔电压与外加磁场强度的线性关系，实现磁场检测。磁场测量系统一般选用多根磁探头实现宽量程磁场测量，在实际使用时要求操作者预估当前测量磁场的范围，选用合适的探头进行有效测量，这无疑增加了实际使用的不方便。其次，当使用霍尔传感器实现宽量程范围强磁场检测时，由于给霍尔传感器输入固定恒流激励电流时，霍尔电压与磁场强度成线性关系，其磁场分辨力基本保持不变。当被测量磁场场强较大时，有可能造成霍尔电压超过了磁场测量系统内adc采集信号输入范围，导致无法正常进行强磁场检测，或者严重影响强磁场的检测精度。
3.对于基于霍尔效应实现宽量程范围的强磁场检测场合，同时要求高采样速率和高采样精度，尤其还需要磁场分段检测的应用场合，常规的多探头匹配被测磁场范围的方法实际使用十分不方便，单片adc无法同时兼顾高采样速率和高采样精度，而且基于单mcu或者单fpga的测量装置往往容易卡顿，程序跑飞，不能满足宽量程、高精度、高可靠、高效率的强磁场检测需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能快速，方便的实现宽量程、高精度、高可靠、高效率的磁场信号检测的，基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统及其测量方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统，包括磁感知探头、信号调理和模拟转换子单元、控制与校准子单元和探头激励子单元，所述磁感知探头输入端和输出端分别连接探头激励子单元和信号调理和模拟转换子单元，控制与校准子单元与信号调理和模拟转换子单元、和探头激励子单元双向通信；所述磁感知探头包括霍尔传感器和热敏电阻，所述霍尔传感器用于在激励电流的作用下，将探测到的磁场信号转化为差分模拟磁场信号，输出霍尔感应电压，所述热敏电阻用于探测磁感知探头附近环境温度；所述信号调理和模拟转换子单元包括一精密信号调理支路、一常规信号调理支路、第一模拟开关、第二模拟开关、第一adc、第二adc；所述霍尔感应电压分为两路，分别连接精密信号调理支路和常规信号调理支路；所述精密信号调理支路包括依次连接的第一电压跟随器、钳位保护电路和第一放
大滤波模块，用于在小于1t的磁场环境下，将霍尔感应电压调理到第一adc和第二adc有效输入范围，输出两路第一调理信号；所述常规信号调理支路包括依次连接的第二电压跟随器和第二放大滤波模块，用于在≥1t的磁场环境下，将霍尔感应电压调理到第一adc和第二adc有效输入范围，输出两路第二调理信号；所述第一adc为高精度adc，经第一模拟开关选通输入第一调理信号或第第二调理信号，所述第二adc为高采样速率adc，经第二模拟开关选通输入第一调理信号或第第二调理信号；第一adc和第二adc的输出端连接控制与校准子单元，所述控制与校准子单元用于输入第一调理信号或第二调理信号，并对其校准后转换为磁场强度，并根据磁场强度，控制所述探头激励子单元输出激励电流至霍尔传感器。
6.作为优选：所述信号调理和模拟转换子单元还包括阻抗匹配和前级滤波单元，用于完成磁感知探头阻抗匹配和霍尔感应电压中的杂波滤除，其输入端连接磁感知探头，输出端分为两路，分别连接第一电压跟随器和第二电压跟随器。
7.作为优选：第一adc为高精度adc、分辨率为24位；第二adc为高采样速度adc，分辨率为18位，最大采样速率大于1msps。
8.作为优选：所述控制与校准子单元包括采用总线方式连接fpga和mcu。
9.作为优选：所述探头激励子单元包括运算放大器u1、三级管q1和dac芯片u2，其中，控制与校准子单元连接u2输入端，用于控制u2的输出电压，u1的阳极输入端口连接霍尔传感器的i-管脚，阴极输入端接u2输出端，u1的输出端接q1的基极，q1的发射极接恒压电源，集电极接霍尔传感器的i 管脚，霍尔传感器的i-管脚还经采样电阻r3接地；所述控制与校准子单元控制u2改变其输出电压u
dac
，使q1的基极电压变化，产生激励电流经q1流入霍尔传感器的i 管脚，并从i-管脚被r3采样，在r3上产生采样电压u
r3
，当u
r3
=u
dac
时，探头激励单元进入平衡状态，产生稳定的激励电流作用到霍尔传感器上，并由磁感知探头输出了与外界环境磁场大小呈线性关系的霍尔感应电压。
10.一种基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统的测量方法，包括以下步骤；（1）预设磁场测量范围，将其分为三个分段，第i个分段标记为ri，i=1～3，每个分段对应一磁场范围，第i个分段的磁场范围为{r
i-~r
i
}；将每个分段等分为三个子段，按其磁场范围从小到大依次为第一子段到第三子段，对每个ri，计算其第一子段到第三子段的激励电压u
daci1
、u
daci2
、u
daci3
；（2）构建一基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统，预设工作模式，所述工作模式为直流模式或交流模式；将磁感知探头置于待测磁场中，系统上电，根据待测磁场预选一分段ri；（3）由控制与校准子单元控制u2输出分段ri第二子段的激励电压u
daci2
；（4）探头激励子单元产生激励电流i1流入霍尔传感器，由磁感知探头输出霍尔感应电压u1，其关系满足公式，式中，bc为环境磁场，r3为采样电阻，p为霍尔传感器灵敏度；（5）霍尔感应电压u1分为两路送入调理和模拟转换子单元，一路经精密信号调理
支路输出两路第一调理信号，一路经常规信号调理支路输出两路第二调理信号；此时，若ri＜1t，第一模拟开关和第二模拟开关选通第一调理信号，分别送入第一adc和第二adc；ri≥1t，第一模拟开关和第二模拟开关选通第二调理信号，分别送入第一adc和第二adc；（6）控制与校准子单元根据当前测量模式对第一adc或第二adc的信号进行选通和校准；所述选通为，若当前测量为直流模式选通第一adc，交流模式选通第二adc；所述校准包括（61）-（63）；（61）根据电路自身电压采集误差曲线，对u1进行校准，得到校准压u2；（62）根据热敏电阻探测的温度对校准电压u2行温度漂移校准，得到精确电压u3；（63）通过下式将精确电压u3转换为磁场强度b1；式中，γ为磁场线性系数，λ为磁场零点漂移量，j=1或2，且当j=1时，aj为精密信号调理支路中第一放大滤波模块的放大倍数，当j=2时，aj为常规信号调理支路中第二放大滤波模块的放大倍数；（7）判断b1是否位于ri的磁场范围内；若是，至步骤（8），若否，至步骤（9）；（8）再次判断b1位于ri的哪个子段上，若位于第二子段，则b1为该分段内最佳磁场强度b，若位于其它子段，调整u2输出对应子段的激励电压，并调整γ、λ、的值，重复步骤（4）-（7），直至得到的b1位于对应子段，此时b1为该分段内最佳磁场强度b；（9）先根据b1的值确定其位于哪个分段内，切换至该分段，并按步骤（3）-（8），得到最佳磁场强度b。
11.作为优选：步骤（2）具体为，对于ri的三个子段；第一子段：测量范围为，激励电压为，式中p为霍尔传感器灵敏度；第二子段：测量范围为 ，激励电压为；第三子段：测量范围为 ，激励电压为。
12.作为优选：步骤（61）具体采用下式进行校准；
u2= u1
△
u1△
u1=a
×u13
b
×u12
c
×
u1 d式中，u2为校准电压，a、b、c、d为电压误差校准系数；步骤（62）具体采用下式进行校准；u3= u2 α
×
t β式中，α、β为温漂校准系数，t为磁感知探内热敏电阻探测到的温度值。
13.作为优选：步骤（9）中，先根据b1的值确定其位于哪个分段内，切换至该分段，具体为；先判断步骤（2）预选的分段是否为第一个或第三个分段，若是，再判断b1是否超出仪器磁场测量范围，是则结束，若否，则调整到第二个分段；再根据b1的值切换分段，若b1＜ri，切换至第一个分段，若b1＞ri，切换至第三个分段。
14.本发明中：所述磁感知探头：包括霍尔传感器、热敏电阻、手持式探头结构和探头线缆及接口。手持式探头结构包括探头、探头杆、探头顶帽等；霍尔传感器装在探头杆前端，由探头顶帽包裹。热敏电阻装在霍尔传感器电路板后端。将探头连接到测量系统并上电后，霍尔传感器在激励电流的作用下，将探头附近的磁场信息转换为微弱的电压信号传递给信号调理和模拟转换子单元。此时电压信号的强弱与外界磁场的大小成一定线性关系。
15.信号调理和模拟转换子单元中，精密信号调理支路用于测量磁场范围为0-1t时使用，进行弱磁场的测量，对大于等于1t的磁场范围，我们采用常规信号调理支路。第一、第二电压跟随器用于完成差分信号的隔离，两个电压跟随器能有效隔离两条调理支路间信号干扰，降低前端阻抗匹配网络对后级放大倍数精度的影响。常规信号调理支路通过对信号进行放大和滤波处理后由模拟开关切换进入不同的adc芯片电路，完成数字和模拟信号的采集；精密信号调理支路除了采用高增益的差分运放、高精密电阻和低噪声系统的参考电源等手段保证信号调理精度外，还在电路里增加了钳位保护电路，所述钳位保护电路主要用于在测量强磁场时精密调理支路器件保护；第一放大滤波模块、第二放大滤波模块用于将被测信号调理在adc有效输入范围内，提高信号信噪比；第一模拟开关、第二模拟开关用于匹配信号调理电路和adc采集电路，配合对探头激励电路霍尔激励电流的控制，保证了各个磁场测量分段内信号采集精度。
16.控制与校准子单元，包括了fpga电路、mcu电路以及人机交互控制部分。在基于fpga与mcu的双核架构中，mcu主要完成系统流程控制、数据运算，fpga完成数据采集、预处理以及底层控制动作的操控；fpga与mcu之间采用总线方式连接，方便指令和数据交互；人机交互部分主要包括显示屏和按键，完成指令识别和系统工作状态反馈等功能。
17.关于第一adc和第二adc：第一adc为高精度adc、第二adc为高采样速度adc；第一adc为分辨率24位的adc，理论最小分辨力可达0.6uv，能保障磁场测量系统对弱磁场的检测能力；第二adc为分辨率为18位的adc，理论最小分辨力可达38.1uv，其最大采样速率大于1msps，能保障磁场测试系统对兆赫兹以下级别的交变磁场的检测能力。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：磁感知探头采用了集成设计，探头内热敏电阻的阻值随探头周围环境温度变化而变化，后级的控制与校准子单元依据热敏电阻阻值变化对霍尔传感器进行温度补偿校准。
19.信号调理和模拟转换子单元，基于两片各具特色的adc芯片同时进行数据采集，并将数据传递给后级的控制与校准子单元，使得系统同时兼顾了高精度采集和高采样速率采集的特点。其次，电路中前级低通高阶滤波电路能有效匹配霍尔传感器检测带宽，同时减弱外界的高频干扰进入磁场测量系统。两路调理支路前端都采用了电压跟随器进行隔离，减弱了支路间的信号干扰的同时，也降低了前端电路阻抗对信号放大精度的影响，特别是工作在温度下时，减弱了电路温度漂移的影响。
20.控制与校准子单元：采用基于fpga与mcu的双核架构，融合了fpga并行运算优势与mcu数据分析控制的优势，将系统内底层控制动作都由fpga去控制执行，保证了动作执行的同时性、及时性和可靠性；将系统人机交互和系统级控制都由mcu去执行，保证了系统控制稳定性。双核的架构从根源上提高了测量系统的鲁棒性。
21.探头激励子单元：在实际测量时，可根据测量磁场强度范围需要，通过调节dac输出电压大小来控制三极管流通状态，从而调节流过霍尔传感器的电流。使得霍尔传感器工作在不同的敏感度状态，从而在保证测量精度前提下实现宽量程范围磁场的分段检测。所述探头激励子单元十分便于对霍尔传感器工作状态控制，提高了单个探头实现宽量程、高精度、高可靠、高效率的磁场信号检测的可靠性。
22.综上，本发明仅采用单根磁感知探头，基于fpga mcu协同计算和控制，采用两种信号调理电路搭配1片高速adc和1片高精度adc同时完成磁信号采集，配合软件调节磁探头恒流源激励电路实现多个量程范围的磁场检测，在保证磁场采集精度的前提下，最终可实现了20t宽量程范围的多段磁场高精度磁场检测功能。相较于传统多探头分量程范围实现宽量程范围磁场信号采集，本发明具有控制简单、操作方便、校准容易等特点。
附图说明
23.图1为本发明系统框图；图2为信号调理和模拟转换子单元结构示意图；图3为探头激励电路子单元电路原理图；图4为本发明流程图。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
25.实施例1：参见图1到图4，一种基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统，包括磁感知探头、信号调理和模拟转换子单元、控制与校准子单元和探头激励子单元，所述磁感知探头输入端和输出端分别连接探头激励子单元和信号调理和模拟转换子单元，控制与校准子单元与信号调理和模拟转换子单元、和探头激励子单元双向通信；所述磁感知探头包括霍尔传感器和热敏电阻，所述霍尔传感器用于在激励电流的作用下，将探测到的磁场信号转化为差分模拟磁场信号，输出霍尔感应电压，所述热敏电阻用于探测磁感知探头附近环境温度；所述信号调理和模拟转换子单元包括一精密信号调理支路、一常规信号调理支路、第一模拟开关、第二模拟开关、第一adc、第二adc；所述霍尔感应电压分为两路，分别连接精密信号调理支路和常规信号调理支路；
所述精密信号调理支路包括依次连接的第一电压跟随器、钳位保护电路和第一放大滤波模块，用于在小于1t的磁场环境下，将霍尔感应电压调理到第一adc和第二adc有效输入范围，输出两路第一调理信号；所述常规信号调理支路包括依次连接的第二电压跟随器和第二放大滤波模块，用于在≥1t的磁场环境下，将霍尔感应电压调理到第一adc和第二adc有效输入范围，输出两路第二调理信号；所述第一adc为高精度adc，经第一模拟开关选通输入第一调理信号或第第二调理信号，所述第二adc为高采样速率adc，经第二模拟开关选通输入第一调理信号或第第二调理信号；第一adc和第二adc的输出端连接控制与校准子单元，所述控制与校准子单元用于输入第一调理信号或第二调理信号，并对其校准后转换为磁场强度，并根据磁场强度，控制所述探头激励子单元输出激励电流至霍尔传感器。
26.所述信号调理和模拟转换子单元还包括阻抗匹配和前级滤波单元，用于完成磁感知探头阻抗匹配和霍尔感应电压中的杂波滤除，其输入端连接磁感知探头，输出端分为两路，分别连接第一电压跟随器和第二电压跟随器。
27.第一adc为高精度adc、分辨率为24位；第二adc为高采样速度adc，分辨率为18位，最大采样速率大于1msps。
28.所述控制与校准子单元包括采用总线方式连接fpga和mcu。
29.所述探头激励子单元包括运算放大器u1、三级管q1和dac芯片u2，其中，控制与校准子单元连接u2输入端，用于控制u2的输出电压，u1的阳极输入端口连接霍尔传感器的i-管脚，阴极输入端接u2输出端，u1的输出端接q1的基极，q1的发射极接恒压电源，集电极接霍尔传感器的i 管脚，霍尔传感器的i-管脚还经采样电阻r3接地；所述控制与校准子单元控制u2改变其输出电压u
dac
，使q1的基极电压变化，产生激励电流经q1流入霍尔传感器的i 管脚，并从i-管脚被r3采样，在r3上产生采样电压u
r3
，当u
r3
=u
dac
时，探头激励单元进入平衡状态，产生稳定的激励电流作用到霍尔传感器上，并由磁感知探头输出了与外界环境磁场大小呈线性关系的霍尔感应电压。
30.一种基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统的测量方法，包括以下步骤；（1）预设磁场测量范围，将其分为三个分段，第i个分段标记为ri，i=1～3，每个分段对应一磁场范围，第i个分段的磁场范围为{r
i-~r
i
}；将每个分段等分为三个子段，按其磁场范围从小到大依次为第一子段到第三子段，对每个ri，计算其第一子段到第三子段的激励电压u
daci1
、u
daci2
、u
daci3
；（2）构建一基于单霍尔探头的宽量程强磁场测量系统，预设工作模式，所述工作模式为直流模式或交流模式；将磁感知探头置于待测磁场中，系统上电，根据待测磁场预选一分段ri；（3）由控制与校准子单元控制u2输出分段ri第二子段的激励电压u
daci2
；（4）探头激励子单元产生激励电流i1流入霍尔传感器，由磁感知探头输出霍尔感应电压u1，其关系满足公式，式中，bc为环境磁场，r3为采样电阻，p为霍尔传感器灵敏度；
（5）霍尔感应电压u1分为两路送入调理和模拟转换子单元，一路经精密信号调理支路输出两路第一调理信号，一路经常规信号调理支路输出两路第二调理信号；此时，若ri＜1t，第一模拟开关和第二模拟开关选通第一调理信号，分别送入第一adc和第二adc；ri≥1t，第一模拟开关和第二模拟开关选通第二调理信号，分别送入第一adc和第二adc；（6）控制与校准子单元根据当前测量模式对第一adc或第二adc的信号进行选通和校准；所述选通为，若当前测量为直流模式选通第一adc，交流模式选通第二adc；所述校准包括（61）-（63）；（61）根据电路自身电压采集误差曲线，对u1进行校准，得到校准压u2；（62）根据热敏电阻探测的温度对校准电压u2行温度漂移校准，得到精确电压u3；（63）通过下式将精确电压u3转换为磁场强度b1；式中，γ为磁场线性系数，λ为磁场零点漂移量，j=1或2，且当j=1时，aj为精密信号调理支路中第一放大滤波模块的放大倍数，当j=2时，aj为常规信号调理支路中第二放大滤波模块的放大倍数；（7）判断b1是否位于ri的磁场范围内；若是，至步骤（8），若否，至步骤（9）；（8）再次判断b1位于ri的哪个子段上，若位于第二子段，则b1为该分段内最佳磁场强度b，若位于其它子段，调整u2输出对应子段的激励电压，并调整γ、λ的值，重复步骤（4）-（7），直至得到的b1位于对应子段，此时b1为该分段内最佳磁场强度b；（9）先根据b1的值确定其位于哪个分段内，切换至该分段，并按步骤（3）-（8），得到最佳磁场强度b。
31.其中，步骤（2）具体为，对于ri的三个子段；第一子段：测量范围为 ，激励电压为，式中p为霍尔传感器灵敏度；第二子段：测量范围为，激励电压为；第三子段：测量范围为 ，激励电压为。
32.步骤（61）具体采用下式进行校准；u2= u1
△
u1△
u1=a
×u13
b
×u12
c
×
u1 d式中，u2为校准电压，a、b、c、d为电压误差校准系数；步骤（62）具体采用下式进行校准；u3= u2 α
×
t β式中，α、β为温漂校准系数，t为磁感知探内热敏电阻探测到的温度值。
33.步骤（9）中，先根据b1的值确定其位于哪个分段内，切换至该分段，具体为；先判断步骤（2）预选的分段是否为第一个或第三个分段，若是，再判断b1是否超出仪器磁场测量范围，是则结束，若否，则调整到第二个分段；再根据b1的值切换分段，若b1＜ri，切换至第一个分段，若b1＞ri，切换至第三个分段。
34.实施例2：参见图1到图4，基于本发明的测量系统及测量方法，我们实际能够测0-20t范围的磁场。以20t宽量程磁场测量系统为例，在本实施例中，我们分为三个分段，第一分段0-1t、第二分段1-2t、第三分段2-20t。信号采集参数包括采样频率、采样深度、采样方式、显示单位等。再将各个分段分成3个子段，这样一共就有9组激励电压值和γ、λ参数。实际操作时，测量范围为0-1t时，我们选通选通第一调理信号，也就是选用经精密信号调理支路，其它两段我们选用常规信号调理支路。
35.关于γ、λ的值根据实际情况测量得到。其中一种测量方式为：在标准磁场环境下，测量出标准磁场和adc实际采集到的电压值的关系，进行曲线拟合出来的参数。另，电压校准和温度校准的参数都是预先测量出来的。温度参数是在工作温度下，对传感器温度响应曲线拟合得来；电压校准是磁场测量系统直接采集标准电压信号后，利用电压源输出信号和adc实际采集电压信号，进行拟合得来。
36.具体测量方法如下：步骤（1）（2），同实施例1步骤（1）-（2），操作者首先在控制与校准子单元人机交互部分完成磁场测量范围设置和信号采集参数配置，再根据待测磁场预选的一分段，此处为r2，测量磁场范围为1t-2t，设置采样频率500psp，采样深度为5000，采样方式为连续触发，显示单位为t，r2又分为三个子段，分别是r
21
、r
22
、r
23
。
37.步骤（3）控制与校准子单元控制u2输出r2第二子段r
22
的激励电压u
dac22
，选择r
22
段对应的γ、λ值。
38.步骤（4）-（6），同实施例1步骤（4）-（6），得到磁场强度b1；步骤（7），同实施例1步骤（7），为了进一步提高磁场采集精度，需要判断b1是否位于r2的磁场范围内，若是，至步骤（8），若否，至步骤（9）；步骤（8），b1位于r2内的磁场范围，若b1刚好在r
22
段上，则b1为该分段内最佳磁场强度b，若不在r
22
段，而是在r
21
段，那么将按照r
21
段相关的校准参数，对校准参数进行调整，得到新的磁场强度值，对b1进行迭代更新，更新后的值，其测量精度更高。若初始的b1在r
23
段，也同理。经过上述操作方式，测试系统针对当前分段下找到了更优的校准参数，提高了磁场测量结果精度。若此时操作者调整了测量分段，系统将以新的分段重复上述的测量过程。
39.步骤（9），b1不在r2内的磁场范围，则需要调整至r1或r3，具体的，
本实施例中，步骤（2）预选的就是分段r2，那么我们只需要看b1的值，若b1＜r2，切换至分段r1，若b1＞r2，切换至分段r。
40.若本实施例在步骤（2）时，预选的为分段r1或r3，就要看b1是否超出仪器磁场测量范围，是则结束，若否，则切换到分段r2。
41.切换好分段后，我们再按照步骤（3）-（8）去循环即可。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。