劉 亞，羅志會，徐校明，馬雪佳，潘禮慶

(三峽大學(xué) 磁電子與納磁探測研究所，湖北 宜昌443002)

0 引 言

隨著電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，各種磁性材料和磁器件的應(yīng)用越來越普遍，對微弱磁場測量精度也提出了更高的要求。當(dāng)前，根據(jù)測量系統(tǒng)敏感元件的工作原理分類主要有磁通門傳感器、磁阻傳感器和電感式傳感器等。磁通門傳感器由一套環(huán)繞磁芯的線圈組成，高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場的飽和激勵(lì)下，基于磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的非線性關(guān)系來測量微弱磁場。磁通門傳感器分辨率最高可達(dá)10－11T，但缺點(diǎn)是體積偏大、易碎、響應(yīng)速度較慢(上限響應(yīng)頻率約為1 kHz)［1，2］。磁阻傳感器主要由鐵磁材料如鎳鐵導(dǎo)磁合金制成，這種合金薄膜的電阻值隨外界磁場的變化而變化，通過電橋電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。這種傳感器的遲滯誤差和零點(diǎn)溫度漂移可通過對傳感器正反向交替磁化的方法加以消除。但是控制電路復(fù)雜，體積較大，應(yīng)用成本高［3］。采用PNI 公司開發(fā)精密電感式傳感器SEN—R65，匹配3D MagIC 專用驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出的數(shù)字量可直接送入微處理器，不需要信號調(diào)理，避免了在傳感器與微處理器之間構(gòu)建A/D 轉(zhuǎn)換接口。該傳感器組件省去了信號調(diào)理，大大簡化電路，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等特點(diǎn)［2］。

本文基于LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)三軸微弱磁場矢量檢測系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)顯示、存儲、回放、分析磁場的大小和方向，功能易擴(kuò)展，界面友好，應(yīng)用前景廣闊［4］。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在構(gòu)建三軸磁傳感器系統(tǒng)時(shí)，3D MagIC 芯片外接3 只磁傳感器，通過SPI 總線接口與單片機(jī)STC12LE2052AD通信，再通過RS—232 接口與電腦通信，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system hardware

檢測系統(tǒng)選取2 只SEN—R65 傳感器和1 只SEN—Z 傳感器(兩種傳感器僅器件封裝不同)，與阻值為100 Ω 的偏置電阻器相連，減小了各軸的傳感器靈敏度和測量信號的放大電路特性不完全相同引起的測量誤差。SEN—R65 傳感器作為一個(gè)LR 弛豫振蕩電路的電感元件，電感值與傳感器軸平行方向的有效磁場呈比例。SEN—R65 傳感器功耗低、尺寸小、磁場測量范圍大、分辨率高和工作溫度范圍廣，滿足微弱磁場的探測要求。

3D MagIC 芯片集成了放大和A/D 轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)了微弱信號放大，再通過A/D 轉(zhuǎn)換得到各軸磁場強(qiáng)度數(shù)字量。3D MagIC 還包含一個(gè)SPI 接口電路，可以與主微處理器進(jìn)行通信，具有支持全雙工操作、數(shù)據(jù)傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)。

為減少磁場梯度的影響，3 只傳感器的位置盡可能的接近。確保三者軸線相交于一點(diǎn)，減小軸間不正交誤差影響。3 個(gè)磁軸要形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交基，標(biāo)定時(shí)存在誤差，需要進(jìn)行誤差分析和預(yù)補(bǔ)償來提升系統(tǒng)的測量精度［5，6］。

2 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的軟件采用LabVIEW 可視化界面編程。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口設(shè)置、串口寫、串口讀檢測、串口緩存和中斷等功能，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信號處理能力，實(shí)現(xiàn)磁場波形的顯示、線性度分析、數(shù)據(jù)存儲、波形回放、誤差補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

2.1 上位機(jī)與串口通信

由于上位機(jī)與下位機(jī)通信必須具有通信協(xié)議，RS—232串口的配置基本情況:波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8、校驗(yàn)位無、停止位1，當(dāng)上位機(jī)向0x01 啟動(dòng)發(fā)送，傳感器開始測量，然后返回測量結(jié)果數(shù)據(jù)。

軟件編程利用了函數(shù)庫中的VISA 函數(shù)。VISA 本身不提供硬件編程能力，只有一個(gè)高層的API(應(yīng)用程序接口)，具有可擴(kuò)展性和接口無關(guān)性。串口通信通過當(dāng)串口接收到字符串的時(shí)候，使用VISA Enable Event，VISA 會產(chǎn)生一個(gè)事件。在while 循環(huán)中，在VISA Read 函數(shù)前面放置一個(gè)VISA Wait on Event 函數(shù)。只有當(dāng)串口接收到一個(gè)字符的時(shí)候VISA Read 函數(shù)才會得到執(zhí)行。直到數(shù)據(jù)到達(dá)串口的時(shí)候，調(diào)用VISA Wait on Event 函數(shù)的線程會一直被阻塞著，在程序停止前需要執(zhí)行一個(gè)Disable VISA Events 函數(shù)。因此，VISA Read 函數(shù)只有在端口上有數(shù)據(jù)的時(shí)候才會被執(zhí)行，子VI 如圖2。

圖2 串口通信子VIFig 2 Sub-VI of serial communication

2.2 信號提取、顯示、保存及回放

3D MagIC 將返回每個(gè)傳感器正反向測量結(jié)果，格式為24 位的二進(jìn)制補(bǔ)碼(范圍:－8 388 608 ～8 388 607)，通過串口傳到電腦上，LabVIEW 軟件識別到的是字符串，經(jīng)過字符串轉(zhuǎn)數(shù)值操作，把有用信號提取為數(shù)值波形實(shí)時(shí)顯示［7］，子VI 如圖3 所示。

圖3 有效信號提取子VIFig 3 Sub-VI of effective signal extraction

2.3 零點(diǎn)校準(zhǔn)與誤差補(bǔ)償

三軸磁傳感器自身存在一定的誤差范圍，在零磁場環(huán)境下，其讀數(shù)不一定為零，從而使零點(diǎn)發(fā)生偏移［7］。在標(biāo)定時(shí)，測量系統(tǒng)在零磁場環(huán)境中輸出結(jié)果，通過上位機(jī)分析并編程校準(zhǔn)，補(bǔ)償零點(diǎn)偏移誤差。三軸磁傳感器最重要的性能是線性區(qū)和靈敏度。每只傳感器性能的好壞，直接由線性度反映。LabVIEW 界面程序采集不同磁場下的數(shù)據(jù)量輸出，然后進(jìn)行線性擬合。

3 測試環(huán)境

為防止外界磁場的干擾，將傳感器放在磁屏蔽中進(jìn)行測試，如圖4。在放入傳感器之前，給磁屏蔽筒通過16 A 的強(qiáng)電流消除剩余磁場，使筒內(nèi)凈磁場小于2 nT。

要測量傳感器的精度和線性度，需要改變被測磁場大小。亥姆霍茲線圈是由一對相同半徑的載流圓線圈組成，其軸線中心點(diǎn)附近產(chǎn)生較寬范圍的均勻磁場，磁場與供電電流有很好的線性關(guān)系，使用磁場空間有很寬的均勻區(qū)，常用作弱磁場檢測的勻強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)磁場［8，9］。通過LabVIEW 和GPIB 總線，控制Keithley 2612B 數(shù)值源表，可以等時(shí)間等量的改變輸出電流，精確控制磁屏蔽筒中磁場大小。測試過程中，每間隔2 s 使數(shù)值源表輸出增加或減少1 mA。

圖4 測試環(huán)境Fig 4 Test environment

4 測試結(jié)果與分析

總磁場是各分量磁場的矢量和，容易產(chǎn)生累積誤差，在零磁場環(huán)境中所測總磁場大小在0.3 μT 左右。采用Lab-VIEW 校準(zhǔn)后，各分量與總磁場結(jié)果如圖5 所示。在磁屏蔽筒中，由于每個(gè)傳感器分辨率在15 nT，所以，各軸測量值以0 基線上小幅度跳動(dòng)，誤差的非對稱分布主要與磁傳感器裝配的角度誤差有關(guān)。由于總磁場不考慮方向，直接計(jì)算分量磁場的矢量，誤差具有累積的趨勢，大小集中在0 ～40 nT 之間。

圖5 校準(zhǔn)后三軸磁場與總磁場大小Fig 5 Three axis magnetic field and total magnetic field size after calibration

在磁屏蔽筒中，由電流源表Keithley 2612B 給亥姆霍茲線圈加－10 ～10 mA 電流，使其Y 軸方向產(chǎn)生變化的磁場［10］，分別利用Origin 8 和LabVIEW 對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性度分析，都采用最小二乘法，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小。由圖6(a)和圖6(b)可以看出:兩者前端基直線斜率為－2.742 26，－2.742 3，截距為－3.848 68，－3.848 7，相比較兩者處理的結(jié)果相近。

圖6 Origin8 和LabVIEW 線性擬合處理圖ig 6 Linear fitting processing diagram of Origin8 and LabVIEW

在磁屏蔽筒外，利用傳感器測量當(dāng)?shù)卮艌龃笮∪鐖D7所示，測量過程中，在硬件平臺上不停的翻轉(zhuǎn)傳感器，穩(wěn)定顯示當(dāng)?shù)卮艌龃笮?0μT，證明本系統(tǒng)可以正確測量空間某范圍內(nèi)的磁場。

圖7 當(dāng)?shù)卮艌鰷y量Fig 7 Local magnetic field measurement

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種三軸微弱磁場檢測系統(tǒng)，利用Lab-VIEW 編寫的上位機(jī)程序，具有數(shù)據(jù)圖形和表格顯示、保存、回放、線性度分析等功能，修正多軸矢量傳感器零偏誤差，該磁場傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、線性度良好、分辨率達(dá)15 nT。此三軸微弱監(jiān)測系統(tǒng)可廣泛運(yùn)用到高精度電子羅盤、停車場車位檢測、交通車輛檢測［11］。

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