劉絨俠，吳成靜，王 健

(西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，西安 710032)

在工業(yè)、國(guó)防和科學(xué)研究中，例如在粒子回旋加速器、地球資源探測(cè)、地震預(yù)測(cè)和磁性材料研究等方面，經(jīng)常要使用儀器對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。磁場(chǎng)的測(cè)量方法也比較多，但具體使用哪種測(cè)量方法需要根據(jù)磁場(chǎng)的類型和強(qiáng)弱來(lái)決定。而利用霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，這是由于霍爾元件的面積可以做得很小，從而可以用來(lái)測(cè)量狹縫中的磁場(chǎng)。本文針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)——利用霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線管的磁場(chǎng)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了智能化磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，并將測(cè)量曲線最終顯示在液晶屏幕上，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量的智能化［1］。該儀器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和教學(xué)使用，性能良好、質(zhì)量穩(wěn)定。

1 測(cè)量?jī)x的測(cè)量機(jī)理

將一塊長(zhǎng)方形半導(dǎo)體霍爾元件薄片垂直放入磁場(chǎng)中，在與電流I、磁場(chǎng)B垂直方向上產(chǎn)生的電勢(shì)差為霍爾電勢(shì)差?；魻栃?yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式(1)中:KH為霍爾元件靈敏度;I為流過(guò)霍爾元件的工作電流;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。在測(cè)量霍爾電壓UH時(shí)，為了減少和消除不等位電勢(shì)、熱效應(yīng)和磁效應(yīng)引起的系統(tǒng)誤差，采用換向方法，改變工作電流I和磁場(chǎng)B的方向加以消除。計(jì)算霍爾電壓UH。

式(2)中:U1，U2，U3，U4為改變磁場(chǎng) B 和電流 I的方向測(cè)得的霍爾電壓值。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x硬件部分由螺線管磁場(chǎng)測(cè)試儀、圓光柵位移傳感器、霍爾元件傳感器、工作電流單元、勵(lì)磁電流單元、儀表放大器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和液晶顯示屏六個(gè)部分構(gòu)成。儀器硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，霍爾元件輸出的霍爾電壓經(jīng)過(guò)放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器采樣、CPU處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示出對(duì)應(yīng)位移的霍爾電壓和磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于位置坐標(biāo)參數(shù)，采用光柵位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了位置坐標(biāo)自動(dòng)記錄并顯示［3］;勵(lì)磁電流和工作電流單元，由測(cè)量?jī)x器內(nèi)部提供，確保勵(lì)磁電流0～1 A、霍爾元件工作電流0～20 mA的穩(wěn)定輸出，連續(xù)可調(diào)［4］。

圖1 儀器硬件電路設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)量?jī)x主程序采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)式編程思想，即把對(duì)時(shí)間比較敏感的子程序放在中斷子程序中進(jìn)行處理(如鍵盤掃描子程序);為盡量減少中斷占用的時(shí)間，對(duì)于一些耗時(shí)的操作采用設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，由主程序掃描監(jiān)測(cè)處理。主程序包括鍵盤消息處理子程序、常規(guī)任務(wù)處理子程序，主要負(fù)責(zé)鍵盤消息處理和新建任務(wù)的處理。鍵盤消息處理子程序借用Windows的消息處理機(jī)制，當(dāng)主程序掃描到鍵盤緩沖區(qū)中有按鍵消息存在時(shí)，鍵盤消息處理子程序?qū)呙鑳?nèi)存中記錄當(dāng)前活動(dòng)窗口信息的數(shù)據(jù)，即將消息發(fā)往當(dāng)前活動(dòng)窗口。該窗口處理子程序?qū)⒋_認(rèn)該消息是否是有效的消息，對(duì)于有效的消息將進(jìn)行處理，而對(duì)于不支持的消息將不予響應(yīng)直接退出。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 測(cè)量?jī)x器特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x的主要特點(diǎn)是使用方法簡(jiǎn)潔，可實(shí)時(shí)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并顯示測(cè)量結(jié)果，提高了測(cè)量效率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)只需將主機(jī)與螺線管連線按照面板上的標(biāo)志對(duì)應(yīng)連接;打開(kāi)主機(jī)電源即可顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面，2 s后即進(jìn)入操作菜單，進(jìn)入下一級(jí)界面;測(cè)試前首先設(shè)置好霍爾元件的靈敏度、工作電流和螺線管的勵(lì)磁電流，設(shè)定好后按確認(rèn)鍵即可將所設(shè)狀態(tài)保存，下次開(kāi)機(jī)可不必設(shè)定。進(jìn)入測(cè)量菜單后，移動(dòng)位移測(cè)試桿，即可自動(dòng)將測(cè)試點(diǎn)的霍爾電壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度記錄下來(lái)，并可進(jìn)行曲線的快速繪制和數(shù)據(jù)的整體顯示。在測(cè)量方式上可選擇位移自動(dòng)移動(dòng)和手動(dòng)移動(dòng)兩種。手動(dòng)方式下要求測(cè)試桿的移動(dòng)速度要適當(dāng)，以便能采集到合適的數(shù)據(jù)進(jìn)而畫(huà)出平滑的曲線。一般測(cè)量一組數(shù)據(jù)僅需2 min。

只要快速移動(dòng)光柵傳感器測(cè)出軸線上每一點(diǎn)的霍爾電勢(shì)UH，通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)8031內(nèi)，經(jīng)CPU數(shù)據(jù)處理之后，按照位移與磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行數(shù)字顯示，包括位移、霍爾電勢(shì)、磁場(chǎng)值，以及顯示磁場(chǎng)分布曲線，并具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，可將測(cè)量數(shù)據(jù)和處理結(jié)果保存，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后調(diào)出查看。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

為了檢驗(yàn)該智能化儀器的測(cè)試效果，用其對(duì)螺線管中軸線上的磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)通過(guò)光柵編碼器設(shè)定水平移動(dòng)螺距:在螺線管邊沿每格0.5 cm，中心部分每間隔1 cm;對(duì)于每一個(gè)采集位置測(cè)量4組數(shù)據(jù):U1(+B，+I)、U2(+B，－I)、U3(－B，+I)、U4(－B，－I)，磁場(chǎng)方向和電流方向由測(cè)試儀的內(nèi)部電路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換。測(cè)試結(jié)果如表1所示，得到的螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖3所示。該測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合得很好。

6 結(jié)束語(yǔ)

該智能化磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x將傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)結(jié)合為一體，能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)測(cè)量和測(cè)量曲線顯示，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，曲線顯示穩(wěn)定，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，有效地改善了實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，既充分體現(xiàn)經(jīng)典的物理思想和原理，更有效利用現(xiàn)代測(cè)試控制技術(shù)。

表1 螺線管內(nèi)不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果

圖3 螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)分布曲線

［1］張敬波，吳漢華.探頭可更換的智能磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的研制［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004(11):36－40.

［2］朱筱瑋，劉絨俠.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［3］楊文龍.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［4］楊振江.A/D.D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)與實(shí)用線路［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［5］王黎，賈拴穩(wěn)，李立新，等.新型多用磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)(演示)儀［J］.大學(xué)物理，2003，22(11):35－36.

［6］Hassan H I S，Arabi K，Kaminska B.Testing digital to analog converters based on oscillation-test strategy using sigma-delta modulating［C］.Computer Design:VLSI in Computer and Processors，1998.ICCD98:40－46.