劉夢(mèng)欣, 李錦明, 成乃朋, 成雅麗
(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院,太原 030051)
隨著電磁發(fā)射技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對(duì)電磁發(fā)射系統(tǒng)的可控性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。電磁設(shè)備發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的低頻強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾[1-2],如何精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地獲取電磁炮發(fā)射過(guò)程中磁場(chǎng)數(shù)據(jù),是研究電磁發(fā)射過(guò)程中磁場(chǎng)特性,提高電磁發(fā)射設(shè)備穩(wěn)定性和可控性亟待解決的問(wèn)題。目前國(guó)產(chǎn)的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器精度普遍偏低,進(jìn)口儀器價(jià)格昂貴,且大多數(shù)系統(tǒng)只能測(cè)量一維磁場(chǎng)或者二維磁場(chǎng),空間三維磁場(chǎng)分布情況需要通過(guò)多次測(cè)量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理才能得到,無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測(cè)量[3-4]。
本文設(shè)計(jì)的三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x通過(guò)使用具有差分對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)式探頭,設(shè)計(jì)模值運(yùn)算電路,完成空間點(diǎn)三維磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的實(shí)時(shí)測(cè)量,通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊將X、Y、Z方向的磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為數(shù)字分量由FPGA完成數(shù)據(jù)處理,得到測(cè)量點(diǎn)的方向角。相對(duì)于傳統(tǒng)的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x,該三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高,既能測(cè)量空間點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小,又能判斷測(cè)量點(diǎn)的方向,可廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域。
三維空間任意點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B可以分解成3個(gè)相互垂直的分量Bx、By、Bz,如圖1所示,且滿(mǎn)足:
(1)
(2)
式中:|B|為磁場(chǎng)強(qiáng)度B的模值;θ、γ、β分別為磁場(chǎng)強(qiáng)度B的方向角。采用差分對(duì)稱(chēng)點(diǎn)式探頭獲取X、Y、Z方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度分量Bx、By、Bz后,即可求得測(cè)量點(diǎn)空間三維磁場(chǎng)強(qiáng)度大小|B|與方向角θ、γ、β。
圖1 空間三維磁場(chǎng)矢量圖
實(shí)時(shí)三維磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的總框圖如圖2所示,主要由三維點(diǎn)式探頭、信號(hào)調(diào)理電路、模值運(yùn)算電路、ADC轉(zhuǎn)換模塊、FPGA控制模塊、顯示模塊、及電源管理模塊構(gòu)成[5-7]。
圖2 系統(tǒng)總體框圖
系統(tǒng)工作流程如下:系統(tǒng)上電后,三維差分點(diǎn)式探頭將X、Y、Z方向磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為差分電信號(hào)UBx(n,p)、UBy(n,p)、UBz(n,p),經(jīng)差分放大后輸出UBx、UBy、UBz至模值運(yùn)算電路求取測(cè)量點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小U|B|。測(cè)量點(diǎn)X、Y、Z方向的磁場(chǎng)分量及磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小U|B|經(jīng)低通濾波后,由AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為相應(yīng)通道的數(shù)字信號(hào),最后由FPGA完成方向角的計(jì)算及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示。
由于線性霍爾器件靈敏度高、體積小、適應(yīng)頻率和穩(wěn)定范圍廣,可用來(lái)測(cè)量“點(diǎn)”磁場(chǎng),且適應(yīng)性強(qiáng),既可測(cè)量恒定磁場(chǎng),又可測(cè)量交變磁場(chǎng),故而在本系統(tǒng)中采用6片高靈敏度線性霍爾元件分布在正方體相互正交的三個(gè)面構(gòu)成三維點(diǎn)式探頭[8-9]。如圖3(a)所示,每個(gè)方向均有一對(duì)差分輸出UBn、UBp。為了滿(mǎn)足點(diǎn)式測(cè)量,提高測(cè)量精度,傳感器探頭采用超薄柔性電路板完成點(diǎn)式探頭制作,如圖3(b)所示。
(a)
(b)
為了滿(mǎn)足AD轉(zhuǎn)換模塊的電壓輸入要求,提高模值運(yùn)算電路的精度,信號(hào)調(diào)理電路成為設(shè)計(jì)中必不可少的一部分[10]。
信號(hào)調(diào)理電路由差分放大電路、低通濾波電路組成,如圖4所示。其中,差分放大電路采用低功率全差分運(yùn)算放大器與比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大,低通濾波采用二階巴特沃斯低通濾波電路實(shí)現(xiàn)。
圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖
X、Y、Z方向的差分電信號(hào)UBx(n,p)、UBy(n,p)、UBz(n,p)由N、P處進(jìn)入差分放大電路,經(jīng)放大后由A點(diǎn)輸出UBx、UBy、UBz進(jìn)入低通濾波電路濾除電路及環(huán)境的干擾噪聲,并由B點(diǎn)輸出至AD轉(zhuǎn)換模塊。
為了實(shí)時(shí)獲取測(cè)量點(diǎn)空間三維磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小,即B的模值|B|,設(shè)計(jì)了模值運(yùn)算電路,通過(guò)對(duì)X、Y、Z方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)UBx、UBy、UBz的處理,完成磁場(chǎng)強(qiáng)度模值信號(hào)U|B|的實(shí)時(shí)獲取。模值運(yùn)算電路由平方和運(yùn)算電路與開(kāi)方運(yùn)算電路組成。
圖5所示為平方和運(yùn)算電路原理圖,其中R11=R12=R13=R14。X、Y、Z3個(gè)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)UBx、UBy、UBz分別由C、D、F處進(jìn)入平方和運(yùn)算電路,平方運(yùn)算由器件AD633完成并輸出至點(diǎn)F、G、H作為反相輸入加法電路的輸入,由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算,并輸出至點(diǎn)I,
由式(4)可知,UI為負(fù)值,可滿(mǎn)足后續(xù)開(kāi)方運(yùn)算電路的輸入必須為負(fù)電壓的要求。圖6所示為開(kāi)方運(yùn)算電路原理圖。其中,R17/R16=100,由AD633完成平方運(yùn)算構(gòu)成反函數(shù)型的開(kāi)方運(yùn)算電路[11-14]。
圖5 平方和運(yùn)算電路原理圖
圖6 開(kāi)方運(yùn)算電路原理圖
分析開(kāi)方運(yùn)算電路有:
(5)
由(5)可得:
(6)
因此,為了保證運(yùn)放反饋極性,I點(diǎn)輸入U(xiǎn)I必須為負(fù)電壓,由式(4)可知UI滿(mǎn)足負(fù)電壓的條件,且有:
(7)
A/D轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將UBx、UBy、UBz、U|B|4路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),選用4通道逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7904,設(shè)置采樣方式為4路循環(huán)采樣,二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出編碼方式,輸入范圍-2.5~2.5 V。A/D采集電路原理圖如圖7所示。
圖7 A/D采集電路原理圖
圖8 模值運(yùn)算電路各信號(hào)波形圖
為了驗(yàn)證模值運(yùn)算電路的有效性,測(cè)量模值運(yùn)算電路的精度,設(shè)置UBy=UBz=0,采用高精度電壓表對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表1所示。由表1可知,當(dāng)矢量和運(yùn)算電路的輸入大于1.0 V時(shí),電路的相對(duì)誤差<2%。因此,針對(duì)不同磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍,需通過(guò)調(diào)節(jié)差分放大電路的放大倍數(shù),使得輸入模值運(yùn)算電路的信號(hào)大于1 V,以滿(mǎn)足電路的高測(cè)量要求。
采用三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量圓形磁鐵中心軸線上的磁場(chǎng)強(qiáng)度,在確定磁場(chǎng)強(qiáng)度大致范圍為-300~+300 mT后,調(diào)整合適的電路參數(shù),測(cè)試結(jié)果如表2所示,表2測(cè)試結(jié)果繪制測(cè)量誤差分析圖如圖9所示,為了便于顯示,數(shù)據(jù)已進(jìn)行四舍五入。
表1 模值運(yùn)算電路測(cè)試結(jié)果
表2 三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x總體測(cè)試結(jié)果
圖9 三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)試結(jié)果誤差分析圖
由圖9可知,該三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x總測(cè)量測(cè)量誤差小,精度高,測(cè)量的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小的相對(duì)誤差小于1%,方向角的絕對(duì)誤差小于1°。
三維矢量磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量在磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域具有重大的實(shí)踐意義和研究?jī)r(jià)值。本文設(shè)計(jì)的三維矢量磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x通過(guò)設(shè)計(jì)模值運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)三維磁場(chǎng)強(qiáng)度大小實(shí)時(shí)計(jì)算,并由FPGA完成方向角的計(jì)算,測(cè)量誤差小,功能模塊化,可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要選擇合適的磁傳感器,調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)不同特性磁場(chǎng)的高精度可靠測(cè)量,可廣泛應(yīng)用于各種磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域,具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。