探頭可更換的智能磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的研制

基于霍爾效應(yīng)的磁場(chǎng)測(cè)量方法靈敏度高、適應(yīng)范圍寬，既可測(cè)量恒定磁場(chǎng)，又可測(cè)量交變磁場(chǎng)。但在使用過程中，霍爾探頭容易由于人為因素造成損壞，這樣就需要更換新的探頭。然而不同探頭在相同電流下靈敏度不同，需要重新定標(biāo)。定標(biāo)過程比較復(fù)雜且需要較高精度的專業(yè)定標(biāo)設(shè)備，一般用戶不具備這種條件?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的同類產(chǎn)品多是在交付用戶使用前完成定標(biāo)，一旦探頭損壞就只能返回重新定標(biāo)。

本文介紹一種更換探頭后可自動(dòng)重新定標(biāo)且具有較高測(cè)量精度和較大測(cè)量范圍的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的硬件組成和軟件結(jié)構(gòu)。該測(cè)量?jī)x可以完成對(duì)穩(wěn)恒場(chǎng)，脈沖場(chǎng)峰值，交變場(chǎng)正負(fù)峰值、峰峰值及其頻率的測(cè)量，同時(shí)具有自動(dòng)測(cè)量功能。

1 測(cè)量原理

霍爾效應(yīng)的基本原理如圖1所示。在Y方向通以電流I，并在Z方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為90的磁場(chǎng)，那么載流子在X方向受到洛侖茲力作用而在兩端產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)EH。根據(jù)霍爾效應(yīng)制造的霍爾器件是具有一定形狀的半導(dǎo)體薄片，其霍爾電動(dòng)勢(shì)為：

EH=RH(IB0/d)(1)

式中，RH為與材料有關(guān)的霍爾系數(shù)，d為霍爾器件的厚度，I為流過霍爾器件的電流，Bo為外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。對(duì)一個(gè)霍爾器件而言，在電流I恒定的情況下，EH與外磁場(chǎng)Bo成正比，設(shè)比例系數(shù)K=RH 。因此，對(duì)于不同的霍爾傳感器，可以通過改變工作電流I，使其具有相同的比例系數(shù)。

霍爾器件的定標(biāo)就是確定霍爾電動(dòng)勢(shì)EH與外磁場(chǎng)Bo的比例關(guān)系。所以在霍爾器件的線性區(qū)，可以通過改變工作電流I，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)置的霍爾電動(dòng)勢(shì)EH與外磁場(chǎng)Bo的比例關(guān)系，從而完成線性區(qū)的定標(biāo)。把對(duì)應(yīng)工作電流下的非線性區(qū)霍爾電動(dòng)勢(shì)與外磁場(chǎng)Bo作成數(shù)據(jù)表格存儲(chǔ)在一個(gè)串行的E2PROM中，測(cè)量時(shí)就可以通過查表和線性擬合的方法求得外磁場(chǎng)Bo。因此，只需在霍爾器件探頭上封裝一個(gè)串行E2PROM，將該探頭的工作電流和對(duì)應(yīng)的非線性區(qū)表格存儲(chǔ)在其中即可。更換探頭后磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的CPU可以從E2OPROM中取得該探頭的工作電流，然后調(diào)節(jié)一個(gè)可控的恒流源完成定標(biāo)工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

該儀器的硬件電路主要由主控電路、定標(biāo)電路、信號(hào)處理與采集電路、頻率測(cè)量電路等組成。

2.1 主控電路

主控電路以AT89C52為核心，包括一個(gè)雙通道A/D轉(zhuǎn)換器MAXlll[1]、兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器MAX541[2]、經(jīng)8279擴(kuò)展的鍵盤顯示電路、一個(gè)定標(biāo)參數(shù)存儲(chǔ)器X24128[3]以及與上位機(jī)通訊的RS232接口。為了減少干擾，在模擬電路與數(shù)字電路之間加有光電隔離電路。

A/D轉(zhuǎn)換器MAXlll的一路用來檢測(cè)調(diào)零電路輸出，另一路用來采集保持后的感應(yīng)電壓信號(hào)。兩個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器MAX541中的一個(gè)用來輸出霍爾不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電壓，另一個(gè)用來控制壓控恒流源。

經(jīng)8279擴(kuò)展六個(gè)按鍵：電源鍵、定標(biāo)鍵、調(diào)零鍵、量程轉(zhuǎn)換鍵、自動(dòng)測(cè)量鍵、顯示暫停鍵，鍵盤以中斷方式工作。同時(shí)經(jīng)8279擴(kuò)展出雙8位的數(shù)字表頭，一個(gè)用來顯示交變磁場(chǎng)頻率，另一個(gè)由軟件控制根據(jù)不同的磁場(chǎng)顯示不同數(shù)值。當(dāng)測(cè)量穩(wěn)恒場(chǎng)時(shí)，顯示磁場(chǎng)值;當(dāng)測(cè)量脈沖場(chǎng)時(shí)，顯示峰值;當(dāng)測(cè)量交變磁場(chǎng)時(shí)，由軟件控制依次顯示正、負(fù)峰值及峰峰值，顯示時(shí)間間隔由軟件控制為5s，當(dāng)按下顯示暫保持鍵時(shí)，保持當(dāng)前顯示數(shù)據(jù)，再次按顯示保持鍵，顯示下一個(gè)數(shù)據(jù)。

參數(shù)存儲(chǔ)器X24128與霍爾器件封裝在一起，通過串行總線和主機(jī)相連。

2.2 定標(biāo)電路設(shè)計(jì)及工作原理

定標(biāo)電路主要由一個(gè)壓控恒流源和提供控制電壓的D/A轉(zhuǎn)換電路組成。壓控恒流源[4]由兩個(gè)高阻型雙運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成，其原理圖如圖3所示。

從圖中可得出：

Iout=—4VIN(mA)

式中，VIN由16位D/A轉(zhuǎn)換器MAX541提供，可在0～2.5V之間以0.04mV的分辨率調(diào)節(jié)。那么恒流源電流可在0～10mA之間以0.161μA的分辨率調(diào)節(jié)，完全可以滿足一般霍爾器件的恒流工作要求。

2.3 信號(hào)處理與采集電路

為了對(duì)不同類型磁場(chǎng)進(jìn)行高精度測(cè)量，本系統(tǒng)信號(hào)處理電路由程控放大電路、數(shù)字調(diào)零電路、峰值檢測(cè)與保持電路組成。處理后信號(hào)的采集由MAXlll通道1完成。

2.3.1 數(shù)字調(diào)零電路

由于制作工藝的原因，霍爾器件總有不等位電勢(shì)存在。為了適應(yīng)自動(dòng)測(cè)量的需要，不等位電壓的補(bǔ)償由數(shù)字調(diào)零電路實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖4所示。該電路實(shí)際上是由兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的加減運(yùn)算電路。在系統(tǒng)初始化時(shí)，對(duì)不同量程進(jìn)行調(diào)零，并將對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電壓數(shù)值存在RAM中;測(cè)量過程中量程轉(zhuǎn)換或手動(dòng)選擇量程后，可直接查詢相應(yīng)的數(shù)值，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出補(bǔ)償電壓。由于采用了高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，調(diào)零后的不等電位小于0.1mV。

2.3.2 峰值檢測(cè)與保持電路

為了測(cè)量脈沖磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的峰值，本系統(tǒng)含有由采樣保持器LF398[5]和邏輯控制電路組成的正負(fù)峰值檢測(cè)保持電路。正峰值檢測(cè)保持電路原理圖如圖5所示。LF398的控制端8的邏輯值E=(A+B)*D，當(dāng)E為高時(shí)LF398處于跟隨狀態(tài)，輸出電壓等于輸入電壓;當(dāng)E為低時(shí)LF398處于保持狀態(tài)，輸出保持不變。峰值保持電路的工作過程是：當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，使P2.0置低電平，P2.1置高，這樣LF398的控制端完全取決于LM319比較器的輸出端。LM319的輸出電平可由LF398的輸出電壓Vo和輸入電壓Vin比較的結(jié)果決定。當(dāng)輸入電壓Vin高于輸出電壓Vo時(shí)，LF398的邏輯控制被置成高電平，使LF398處于跟隨狀態(tài);當(dāng)輸入電壓Vin達(dá)到峰值而下降時(shí)，LF398的邏輯控制端被置成低電平，使LF398處于保持狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)“峰值”的保持。在采樣狀態(tài)，為了使保持下來的峰值不被下一個(gè)不同的峰值沖掉，當(dāng)檢測(cè)到P1.2被置成低電平(LF398已經(jīng)取得峰值)時(shí)，使P2.1腳置低電平，從而封鎖了輸入信號(hào)。在測(cè)量穩(wěn)恒磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)時(shí)，為了提高準(zhǔn)確度，常需要轉(zhuǎn)換量程。每次轉(zhuǎn)換量程后，先把P2.0和P2.1置高，使LF398處于跟隨狀態(tài)，延時(shí)50μs，使得LF398的輸出和輸入相等;然后將P2.0置低，進(jìn)入峰值檢測(cè)狀態(tài)，即可完成量程轉(zhuǎn)換。

負(fù)峰值檢測(cè)電路只是在正峰值檢測(cè)電路之前加了一個(gè)反相器，邏輯控制部分由P1.3、P2.2、P2.3完成。保持下來的峰值經(jīng)一個(gè)模擬開關(guān)CD4051后由MAXlll的通道1檢測(cè)。

2.4 頻率測(cè)量

由于AT89C52含有三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，測(cè)量頻率非常簡(jiǎn)單方便，只需對(duì)調(diào)零后的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅浜蠼?jīng)過一個(gè)過零滯回比較器整形后得到方波信號(hào)，再通過一個(gè)四分頻器輸入到AT89C52的計(jì)數(shù)器T1和外部中斷INT0即可。為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量頻率，當(dāng)信號(hào)頻率高于5kHz時(shí)用測(cè)頻法，即關(guān)中斷INT0，把定時(shí)器TO設(shè)定一個(gè)時(shí)間to，開計(jì)數(shù)器T1，計(jì)數(shù)器溢出一次，則把內(nèi)存中某個(gè)單元加1;若to時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值為N1，可求得被測(cè)信號(hào)的頻率為4Nl/to。頻率低于5kHz時(shí)用測(cè)周期法，即關(guān)計(jì)數(shù)器T1，開定時(shí)器TO，中斷INT0以邊沿方式觸發(fā)，發(fā)生第一次中斷時(shí)，TO計(jì)時(shí)為t1，再次發(fā)生中斷時(shí)關(guān)掉中斷，此時(shí)計(jì)數(shù)器TO計(jì)時(shí)為t2，則被測(cè)信號(hào)的周期T=(t2-t1)/4、f=4/(t2-t1)。為了測(cè)較低的信號(hào)頻率，可以使TO循環(huán)計(jì)數(shù)。由于加了四分頻，該方法可測(cè)小于2MHz的信號(hào)。

3 儀器的軟件設(shè)計(jì)

儀器軟件采用匯編語言編寫，包括主程序、定標(biāo)子程序、調(diào)零子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、頻率測(cè)量程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、D/A轉(zhuǎn)換程序、計(jì)算磁場(chǎng)大小子程序等。系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)測(cè)量模式，選擇最大量程。在鍵盤中斷程序中，不同的鍵被按下，執(zhí)行不同的程序。在數(shù)據(jù)采集子程序中，判斷是否為手動(dòng)，若是則直接采集，并保存數(shù)據(jù)。若不是則判斷量程是否合適，不合適則轉(zhuǎn)換量程重新測(cè)量，并保存上次測(cè)量值。若轉(zhuǎn)換后測(cè)量為零，說明為脈沖場(chǎng)，以上次測(cè)的值為準(zhǔn)。因此，對(duì)于脈沖場(chǎng)，若知道其場(chǎng)強(qiáng)范圍，最好手動(dòng)選擇量程。儀器軟件流程圖如圖6所示。

該測(cè)場(chǎng)儀以單片機(jī)為核心，采用串行存儲(chǔ)器擴(kuò)大了磁場(chǎng)測(cè)量范圍，采用壓控恒流源技術(shù)解決了霍爾探頭更換后的定標(biāo)問題。該儀器具有自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能，并能同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)頻率，其磁場(chǎng)的測(cè)量范圍為：0.01mT～6T，測(cè)量精度優(yōu)于量程的±0.2%，特別適合于磁場(chǎng)大、類型未知的測(cè)量場(chǎng)合。