肖 鵬，李 龍，余曉曦，王 巍，白凌志，廖 歐

(中國測試技術研究院 電子研究所，四川 成都610021)

0 引 言

特斯拉計是中強磁場測量的必備設備之一。中強磁場的測量主要有兩種方法，一種是核磁共振法［1］，該方法從原理上大大提高了磁場的測量精度，利用該方法研制的設備一般作為磁學計量的標準裝置;另外一種方法是利用半導體的霍爾效應測量磁場［2］，該方法相比較前者具有測試簡單方便、成本低廉等優(yōu)點，廣泛適用于各種現(xiàn)場測試。

傳統(tǒng)的基于霍爾效應的特斯拉計采用簡單的放大電路對霍爾片感應的電壓進行放大，然后通過數(shù)字表頭進行顯示，整個儀器的調(diào)零和校準都采用外置電位器進行調(diào)節(jié)，結構復雜且精度低。本文在借鑒國內(nèi)外特斯拉計優(yōu)點的基礎上，設計了一種高精度數(shù)字特斯拉計，該儀器具有測量精度高、結構簡單、成本低等特點，實現(xiàn)了特斯拉計的數(shù)字化。

1 總體設計

該儀器的設計原則以實用、可靠為出發(fā)點，同時要便于生產(chǎn)調(diào)試。在保證低成本的前提下，滿足0.5%的測量精度并兼顧高分辨率的要求，儀器最小分辨率為0.001 mT。

該儀器主要由霍爾傳感器、恒流源、放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、微控制器(MCU)以及鍵盤和顯示電路組成，如圖1所示。利用恒流源驅(qū)動霍爾傳感器，當有磁場磁力線垂直穿過霍爾片時，將產(chǎn)生微小的感應電動勢，采用自穩(wěn)零、低噪聲的前置放大器對霍爾電動勢進行拾取，利用主放大器對信號進行進一步的放大、調(diào)理，然后經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換送入微控制器進行軟件修正，并實時顯示。

圖1 總體框圖Fig 1 General block diagram

2 硬件單元電路的設計

2.1 霍爾元件的選擇

霍爾元件一般采用具有N 型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成。由于砷化銦元件的輸出信號沒有銻化銦元件大，受溫度的影響比銻化銦的要小，而且線性度也較好，因此，本儀器采用砷化銦作為霍爾傳感器。

當磁場的磁力線垂直穿過霍爾元件時，根據(jù)霍爾效應有

其中，B 為磁感應強度，I 為恒流源的電流值，KH為霍爾元件的靈敏度。

為了使每一個霍爾傳感器都可以與主機配套使用，所以，需要每一只傳感器在相同的磁感應強度B 下都有相同的輸出電壓VH，但是各個霍爾傳感器KH略有不同，這就要求恒流源I 的值可調(diào)，保持KH·I 為一常數(shù)。本儀器采用的砷化銦傳感器KH在10 mV/T·mA 左右，調(diào)節(jié)恒流源I的大小，使其KH·I 為100 mV/T，即當外部磁場為1 T 時，霍爾器件輸出為100 mV。

2.2 恒流源電流

為了保證磁場測量的準確性，需要高穩(wěn)定度的恒流源驅(qū)動霍爾傳感器。因此，該儀器設計了電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，如圖2 所示。它主要由參考電壓源、運算放大器、場效應管以及采樣電阻器組成。運算放大器設計為電壓跟隨器的形式，運算放大器的同向輸入端從參考電壓源取樣，由于運放驅(qū)動能力有限，如果不增加擴流單元會造成運放發(fā)熱、輸出偏移，影響運放本身的性能［3］，因此，采用場效應管進行擴流。與三極管擴流相比場效應管幾乎不需要電流驅(qū)動，避免了靜態(tài)工作點的調(diào)節(jié)。該電路可以驅(qū)動比較大的負載電阻器，不受運放的限制，輸出電流為

改變電阻R41的值就可以改變電流值。

圖2 恒流源Fig 2 Constant current source

2.3 放大調(diào)理電路

霍爾電壓的放大調(diào)理電路主要由前置放大器、主放大器以及加法器三部分組成。前置放大器的作用是在復雜的環(huán)境中盡量不失真地獲取信號，并對信號進行放大、阻抗變換，使前置輸出信號與主放大器的輸入要求匹配，為主放大器提供“干凈”的信號。本儀器采用斬波放大器ICL7650對霍爾電壓進行前置放大。該放大電路動態(tài)校零的穩(wěn)零技術［4］，減少了運放本身的調(diào)零環(huán)節(jié);同時，該運放具有輸入偏置電流小、溫度系數(shù)低、成本低廉等優(yōu)點。

為了滿足A/D 的量程范圍，需要通過主放大電路對信號進行進一步的放大，因此，根據(jù)分辨率的要求，設計了×1，×10 和×100三檔。量程切換采用了PHOTOMOS 器件作為開關，該器件切換時間短，遠小于A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣周期。確保了在信號下一采樣點可能超量程的情況下，將量程自動切換到更高或更低量程，同時保證測量值的精度和分辨率。

由于磁場測量時有方向之分，且A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為0～5 V，因此，設計了加法電路對主放過來的-2.5 ～+2.5 V的電壓進行電平搬移，使其適應A/D 轉(zhuǎn)換器的0～5 V輸入范圍。本儀器采用一片四運放OP4177 來完成主放和信號調(diào)理的電路，這樣既節(jié)約了芯片的成本也減少了PCB 的面積。放大調(diào)理電路如圖3 所示。

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換與微控制器

為滿足精度和分辨率的設計要求，本儀器選擇了低成本的16 位Σ-ΔA/D 轉(zhuǎn)換器AD7705。該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高、非線性小，非常適合中強磁場的低頻信號測量。從節(jié)約成本考慮，系統(tǒng)微控制器采用Atmega 32，該器件具備一個主從SPI 接口，與AD7705 的SPI 接口進行通信，同時該控制器還具有2 k 的SRAM 和1k 的EEPROM，這些資源完全滿足儀器軟件對后續(xù)測量值的修正和對系數(shù)的存儲等功能需求。

3 軟件關鍵技術的設計

3.1 最小二乘法擬合

從成本考慮，本儀器選擇的霍爾傳感器非線性誤差在0～3T 范圍內(nèi)小于1%，要設計0.5 級高精度的數(shù)字特斯拉計很難滿足要求，為此，儀器采用最小二乘法進行多項式擬合修正。通過對大量試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出一元二次多項式曲線擬合公式已完全滿足設計要求。設數(shù)據(jù)(xi，yi)為一組實測數(shù)據(jù)，其中xi為實際測量值，yi為擬合值，i=1，2，…，5，采用5 組數(shù)據(jù)進行曲線擬合，曲線擬合的方程為

圖3 放大調(diào)理電路Fig 3 Amplification－adjustment circuit

要得到該方程的系數(shù)需要對樣本點進行大量的數(shù)據(jù)矩陣運算，這對單片機系統(tǒng)資源來說，很難滿足計算要求。為此，推導了一元二次多項式最小二乘法待定系數(shù)的代數(shù)計算公式［5］，并將該計算公式固化于程序中，在使用時只需給出5 個相應的標準磁場值就可以實現(xiàn)智能化標定，計算得到的系數(shù)存儲于微控制器的EEPROM 中。

3.2 自調(diào)零

由于霍爾傳感器本身的工藝限制，傳感器電壓輸出端兩端很難保持在同一等電勢面上，這時即使處于零磁場，傳感器在恒流源的作用下也會有一個微小輸出，傳統(tǒng)傳感器往往需要一個電橋，手動調(diào)節(jié)電位器進行補償，操作繁瑣。為此，該儀器采用軟件技術進行自調(diào)零［6，7］。軟件調(diào)零的方法為:首先在零磁場時，測得100 組A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出值，然后去掉其中的最大值和最小值后取平均值ZERO 作為零磁場對應的A/D 轉(zhuǎn)換值。當測量目標磁場時，只需在A/D 轉(zhuǎn)換測量值上減去ZERO 的誤差即可，這樣不僅避免了額外的硬件調(diào)節(jié)，還簡化了儀器的操作。

3.3 量程自動切換

當測量磁感應強度量程固定時，既要保證測量的精度，又要保證測量的分辨率，很難同時兼顧。因此，該儀器特別設計了量程自動切換功能，量程的切換自適應采集信號的大?。?，9］。量程自動切換的狀態(tài)圖如圖4 所示，量程切換依據(jù)被測信號的瞬時值|ADC-ZERO|的大小來改變，其中ADC 為A/D 轉(zhuǎn)換器的瞬時值，ZERO 為在零磁場時ADC 的初始零值。

當|ADC-ZERO|＞30000 時，表明放大倍數(shù)K 偏大，需要減小放大倍數(shù)來擴大量程，提高測量的精度;當|ADCZERO|＜300 時，表明放大倍數(shù)偏小，需要增加放大倍數(shù)來縮小量程，提高分辨率。

4 系統(tǒng)測試

該儀器經(jīng)過對不同量程分別進行5 點標定后，利用PT2025 核磁共振特斯拉計對該儀器進行對比校驗，由于PT2025 精度高，完全可以作為標準器對其他磁場測量儀進行檢定、校準。本儀器檢測結果如表1 所示。

圖4 自動切換量程狀態(tài)圖Fig 4 Automatic switching range state diagram

表1 測試數(shù)據(jù)Tab 1 Test data

從表1 可以看出:在0～3 T 的范圍內(nèi)，相對誤差小于0.4%，達到了設計要求。

對該儀器還進行了穩(wěn)定性和重復性測試，24 h 穩(wěn)定性優(yōu)于±0.06%;連續(xù)3 天重復性測試結果小于0.2%。

5 結束語

本文設計的數(shù)字特斯拉計通過硬件電路和軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對磁感應強度高精度、高分辨率的智能化測量。經(jīng)過2 年多的長期使用證明:該儀器性能穩(wěn)定、可靠。與同等精度的特斯拉計相比，該儀器具有成本低廉、校準方便等優(yōu)點。該儀器滿足了國內(nèi)市場對高精度特斯拉計的需求。

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