基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法

2023-10-25 07:56:02 2

專利名稱：基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法
技術領域：
本發明涉及一種基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法。
背景技術：
研究表明，有缺陷的高聚物以一定的速度拉伸時，會在裂口周圍產生一定的溫升，同時伴生一定強度的磁場。為了進一步研究該磁場與拉伸時產生的溫升之間的關係，需要在自動控制拉伸速度的同時，對試件的溫升與磁感應強度進行同步測量，並以時間同步方式保存所有的測量數據:拉力、位移量、磁感應強度、溫度(圖像數據)，以研究並確定它們之間的關係。公開號為CN101261245A的專利，其名稱為含缺陷流變體熱致磁效應採集與測試系統(申請號為200810031098)，提出了一種磁場檢測方案，是基於霍爾傳感器陣列採集磁場數據，這種方案存在的最大問題是結構複雜，需要構造傳感器陣列，而且需要複雜的供電電路和控制電路為傳感器服務；另外這種傳感器只能測量一個方向的磁場數據，無法檢測三維磁感應數據，因此局限性大。因此，有必要設計一種全新的磁場測量方法。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，該基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法採用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，並在多路選擇器和模數轉換器的配合下實現多點位、三維磁場檢測，易於控制，易於實施。發明的技術解決方案如下:一種基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一採樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量。在所述的測量過程中，單片機通過磁滯效應消除電路產生正反向極化脈衝並輸出給磁傳感器，以消除在磁場測量過程中磁傳感器被磁化；測量步驟為:步驟1:依次循環完成對5個點位的磁場測量；每一個點位的磁場測量包括依次測量X、y和z方向的磁場；步驟2:當5個點位的三維磁場測量全部完成以後，就完成了一幀數據的測量，並返回步驟I進行下一次循環；每一個點位處的磁傳感器單方向的磁場測量過程為:A/D轉換開始前 ，單片機先輸出一個置位信號SET使傳感器獲得正向極化，接著啟動模數轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值AVG1，接著單片機輸出一個復位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然後啟動模數轉換器再獲得100個採樣值，並求得平均值AVG2，然後將兩次獲得的平均值AVGl和AVG2經過數值計算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數值作為一個該單方向的磁場測量值；所述的和的單方向指x、y或z方向。採用五點位三維磁場測量裝置實施測量；所述的五點位三維磁場測量裝置包括單片機、磁傳感器、多路選擇器、模數轉換器、磁滯效應消除電路和串口通信電路；所述的磁傳感器為5個，對稱設置於PCB正面的5個點位上，且4個設置在PCB板的四角處，另一個設置在PCB板的中央；每一個磁傳感器具有3個信號輸出通道，分別輸出X、Y、Z三方向的磁感應信號；磁傳感器依次通過多路選擇器和模數轉換器與單片機的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機的輸出埠；磁滯效應消除電路的兩個輸入端分別接單片機的復位端和置位端(set8和reset8);復位端和置位端均為單片機的IO埠 ；磁滯效應消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈衝極化電路相連；單片機通過所述的串口通信電路與上位機連接；所述的磁傳感 器採用HMC2003晶片，所述的多路選擇器包括3個多路開關:即第一多路開關、第二多路開關和第三多路開關，模擬多路開關採用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051晶片；模數轉換器採用十六位的ADS7825晶片；ADS7825晶片具有四個模擬信號輸入端:IN0, INl，IN2, IN3 ；5個磁傳感器的X信號輸出通道分別與第一多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Y信號輸出通道分別與第二多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Z信號輸出通道分別與第三多路開關的5個信號輸入通道相接；3個多路開關的3個信號輸出通道分別與模數轉換器的3個模擬信號輸入端相接；3個多路開關的三個數字選擇端(即A、B、C)對應並聯。磁滯效應消除電路為基於功率MOSFET管的脈衝產生電路，功率MOSFET管採用IRF7106 晶片；IRF7106晶片的5_8腳短接後通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈衝極化電路相接；IRF7106晶片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ；IRF7106晶片的2腳(Gl)接所述的復位端(reset8)；單片機的另一個IO埠作為置位端(set8)，置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極體(Q18)的基極；三極體(Q18)的射極接地，三極體(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極體(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106晶片的4腳(G2端)；IRF7106晶片的4腳與VCCl之間接有第三電阻(R83) ;VCC1與地之間接有第三電容(C82) ；VCC1 = 20V ；串口通信電路採用專用通信器件MAX232，單片機採用STC89C54RD晶片。有益效果:
本發明的基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，採用分布在不同點位處的5個三維磁傳感器(HMC2003晶片)檢測磁場信號，並採用基於74HC4051晶片的多路模擬多路開關實現數據切換，再採用模數轉換器將模擬信號轉換成數位訊號輸出到單片機中，完成多點位三維磁場數據的採集。其中，採用多路開關能有效簡化電路設計，且充分利用單片機的埠，而且控制方便，一次能同步採集一個磁傳感器輸出的一組三維磁場數據。另外，本發明還設計了磁滯效應消除電路以消除磁滯、提高磁場檢測精度。綜上所述，本發明採用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，並在多路選擇器和模數轉換器的配合下實現多點位、三維磁場檢測，結構簡單，易於控制，易於實施，且採用磁滯效應消除電路後，能進一步提聞裝置的檢測精度。


圖1是五點位 三維磁場測量裝置的總體原理框圖；圖2是五個磁傳感器布置在PCB板上的位置示意圖；圖3是五點位三維磁場測量裝置的多路選擇及模數轉換電路的原理圖；圖4是多通道採樣流程圖；圖5是恆流源電路圖；圖6是置位/復位脈衝示意圖；圖7是置位/復位脈衝電路原理圖。圖8為偏置電流帶外圍電路(之一)；圖9為偏置電流帶外圍電路(之二)。圖10為含有實驗系統的各檢測量的曲線的實驗結果界面。圖11為20mm/min速率下試件表面的熱致磁感應強度-時間關係曲線圖。
具體實施例方式以下將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明:實施例1:如圖1-9所示，一種基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一採樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量。在所述的測量過程中，單片機通過磁滯效應消除電路產生正反向極化脈衝並輸出給磁傳感器，以消除在磁場測量過程中磁傳感器被磁化；測量步驟為:步驟1:依次循環完成對5個點位的磁場測量；每一個點位的磁場測量包括依次測量X、y和z方向的磁場；步驟2:當5個點位的三維磁場測量全部完成以後，就完成了一幀數據的測量，並返回步驟I進行下一次循環；
每一個點位處的磁傳感器單方向的磁場測量過程為:A/D轉換開始前，單片機先輸出一個置位信號SET使傳感器獲得正向極化，接著啟動模數轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值AVG1，接著單片機輸出一個復位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然後啟動模數轉換器再獲得100個採樣值，並求得平均值AVG2，然後將兩次獲得的平均值AVGl和AVG2經過數值計算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數值作為一個該單方向的磁場測量值；所述的和的單方向指x、y或z方向。基於該方法的五點位三維磁場測量裝置，包括單片機、磁傳感器、多路選擇器、模數轉換器、磁滯效應消除電路和串口通信電路；所述的磁傳感器為5個，對稱設置於PCB正面的5個點位上，且其中的4個設置在PCB板的四角處，另一個設置在PCB板的中央；每一個磁傳感器具有3個信號輸出通道，分別輸出X、Y、Z三個方向的磁感應信號；磁傳感器依次通過多路選擇器和模數轉換器與單片機的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機的輸出埠；磁滯效應消除電路的兩個輸入端分別接單片機的復位端和置位端(set8和reset8);復位端和置位端均為單片機的IO埠 ；磁滯效應消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈衝極化電路相連；單片機通過所述的串口通信電路與上位機連接。所述的磁傳感器採用HMC2003晶片，所述的多路選擇器包括3個多路開關:即第一多路開關、第二多路開關和第·三多路開關，模擬多路開關採用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051晶片；模數轉換器採用十六位的ADS7825晶片；ADS7825晶片具有四個模擬信號輸入端；5個磁傳感器的X信號輸出通道分別與第一多路開關的5個信號輸入通道相接；5個磁傳感器的Y信號輸出通道分別與第二多路開關的5個信號輸入通道相接:5個磁傳感器的Z信號輸出通道分別與第三多路開關的5個信號輸入通道相接；3個多路開關的3個信號輸出通道分別與模數轉換器的3個模擬信號輸入端相接；3個多路開關的三個數字選擇端(即A、B、C)對應並聯即3個多路開關的A端並聯，3個多路開關的B端並聯，3個多路開關的C端並聯。 74HC4051是8通道模擬多路選擇器/多路分配器，帶有3個數字選擇端(S0至S2，也即A、B、C端)，I個低有效使能端(E)，8個獨立輸入/輸出端(Y0至Y7)和I個公共輸入/輸出端(Z)。E為低時，8個開關的其中之一將被SO至S2選中(低阻態)。E為高時，所有開關都進入高阻態，直接無視SO至S2。磁滯效應消除電路為基於功率MOSFET管的脈衝產生電路，功率MOSFET管採用IRF7106 晶片；IRF7106晶片的5_8腳短接後通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈衝極化電路相接；IRF7106晶片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ；IRF7106晶片的2腳(Gl)接所述的復位端(reset8)；
單片機的另一個IO埠作為置位端(set8),置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極體(Q18)的基極；三極體(Q18)的射極接地，三極體(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極體(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106晶片的4腳(G2端)；IRF7106晶片的4腳與VCCl之間接有第三電阻(R83) ;VCC1與地之間接有第三電容(C82)。Vcci = 20V。串口通信電路採用專用通信器件MAX232，單片機採用STC89C54RD晶片。實施例1:基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法由五點傳感器測量板和多路數據採集板兩部分層疊而成，五點傳感器測量板傳感器布置如圖2所示，採用這種布置方案是根據PVC板材在拉伸過程中最大熱致磁場產生的位置確定的。即五個三維傳感器布置在聚合物板材在拉伸過程中最有可能出現磁場強度最大的位置；五點三維傳感器電原理框圖如圖1所示。圖中HMC2003(l-5)是由5個HMC2003組成的五點三維微弱磁場傳感器組，這是整個傳感器的核心單元，其排列方式如圖2所示；多路選擇器由三個74HC4051模擬多路開關組成，三個74HC4051模擬多路開關分別選通5個HMC2003的X，Y，Z三維輸出信號，進入模數轉換器的三個輸入端IN0，IN1，IN2，三個74HC4051模擬多路開關的選擇控制端A，B，C是並聯的，其選擇控制由單片機執行，單片機採用STC89C54RD+八位單片機，改變A，B, C的狀態，可以實現任意一個傳感器X，Y，Z信號的同時切換，即每一個傳感器X，Y，Z輸出信號是同時到達模數轉換器的，模數轉換器是ADS7825十六位A/D轉換器，有四個輸入端INO，INl，IN2，IN3，只要分時選通四個通道，就可以實現輸入模擬量的轉換，本系統選用INO，INI, IN2三個輸入端分別作為X，Y，Z三維微 弱磁場的信號輸入端。磁滯效應消除外圍電路是為了消除在磁場測量過程中傳感器被磁化而降低測量靈敏度而設置的正反向極化脈衝產生電路，能夠產生正、反向峰值電流達4A的瞬態尖峰脈衝，該脈衝作用於HMC2003內部的脈衝極化電路，實現巨磁電阻的瞬間極化，以提高巨磁電阻的測量靈敏度，正反向極化脈衝是由單片機發出的SET，RESET信號控制的。A/D轉換開始前，先輸出一個SET信號，使傳感器獲得正向極化，接著啟動A/D轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值的方法進行數字濾波，接著單片機輸出一個RESET信號，使傳感器獲得反向極化，接著啟動A/D轉換器再進行100次A/D轉換，並求平均值，然後將兩次獲得的平均值經過數值計算Vott =(AVGl+AVG2)/2得到一個數值作為一個測量值，當一個傳感器的三維信號全部處理完畢，則完成了一個點的三維磁場測量，當5個傳感器的三維磁場全部完成以後，就完成了一幀數據的測量。當單片機完成一幀數據採集以後，檢查串口通信有無上位機發來的數據請求信號，如果有上位機發來的請求信號，則按照約定格式將一幀數據發出，完成數據傳輸以後，單片機進入下一個採用周期。串口通信由專用通信器件MAX232構成。圖中HMC2003為三維高靈敏度磁場測量傳感器，5個HMC2003按照圖2所示排列，磁滯效應消除外圍電路與HMC2003內部脈衝消磁電路配合，完成巨磁電阻正反向極化，使傳感器具有最高測量靈敏度；數據採集板由多路選擇器，模數轉換器和單片機構成，多路開關為三維傳感器通道選擇開關，將5個三維傳感器的X，Y，Z分別分時選通至A/D轉換器ADS7825的三個輸入通道，ADS7825是16位A/D轉換器，單片機為8位STC單片機。HMC2003晶片內部包括三維巨磁電阻測量橋，橋路恆流供電電源，精密基準電壓源，三維精密儀表放大器，脈衝消磁電路和背景磁場對消線圈，它的作用是在零磁場狀態將微弱磁場的變化量轉化為輸出電壓的變化量，根據磁場與電壓的對應關係推算出微弱磁場的變化量值。其中三維巨磁電阻測量橋是測量微弱磁場的最基本單位，微弱磁場就是由巨磁電阻測量橋轉換為差分輸出電壓。橋路恆供電電源為三維磁場測量提供恆定的電流源，以減小電源波動對信號源的影響，降低了系統誤差。精密基準電壓源是為背景磁場對消線圈提供一個基準電壓。三維精密儀表放大器將微弱差分電壓信號放大輸出，以便於電壓信號的傳輸與轉換。脈衝消磁電路和磁滯效應外圍電路二者結合組成磁滯效應消除電路，使巨磁電阻測量橋始終處於無磁滯效應的最高靈敏狀態，用來消除磁滯效應對測量靈敏度的影響。背景磁場對消線圈電路和背景磁場外圍電路組成背景磁場消除電路，用來消除工作環境背景磁場，使傳感器實際工作於零磁場環境，實現微弱磁場的精密測量。多路選擇器的作用是將5個測量點共15個單元測量傳感器輸出的模擬信號電壓傳輸到一個A/D轉換器，實現由一個A/D轉換器完成15路模擬信號的轉換。單片機作為系統控制單元，完成數據採集與各種功能的協調。GMR傳感器是一種測量磁場強度的元件，與很多其他器件不同的是，它直接測量磁場強度而並非感應磁場的變化速率，所以測量微弱磁場是十分方便的。GMR傳感器具有體積小、靈敏度高、線性範圍寬，使用溫度高、成本低等優點本設計中的巨磁電阻傳感器選用的是HMC2003，這類磁阻傳感器按4元件惠斯頓電橋配置，具有集成置位/復位帶，可降低溫度漂移效應、非線性誤差和由於高磁場的存在，導致的輸出信號的丟失。並且具有集成偏置帶，可消除硬鐵幹擾的影響。三維磁場傳感器HMC2003，可以測出微弱磁場的三維(x，y，z)方向。HMC2003外圍的放大電路為現有技術，在此不做詳細說明。背景磁場對消技術在巨磁電阻周圍通電線圈以及地磁場的影響下，巨磁電阻周圍有很強的背景磁場，背景磁場嚴重影響了巨磁電阻對微弱磁場的測量，為提高巨磁電阻傳感器檢測磁場微弱變化場的分辯力，在巨磁電阻上繞上一匝線圈，通過線圈給巨磁電阻傳感器一個大小相同、方向相反的「補償磁場」與背景磁場對消，使巨磁電阻工作於零磁場狀態。施加補償磁場消除背景磁場是通過偏置電流帶來進行補償的，偏置電流帶還可以驅動電流通過電流帶，精確地抵消測量磁場，這被稱作閉環結構。磁場偏置帶(偏置+和偏置_)能夠生成一個與正被測量的施加磁場相同方向的磁場。HMC2003的電流帶每通過50mA電流可提供IOe的磁場,HMC2003的電流帶每通過5mA電流可提供IOe的磁場。(空氣中I高斯=IOe)。偏置電流帶看起來像是一個在偏置+和偏置-引腳間的標稱電阻。偏置電流帶可以用作閉環電 路內的反饋元件。利用電流反饋環路內的偏置電流帶可以測到期望值。若要達到此目的，要將電橋放大器的輸出端連接到驅動偏置電流帶的電流源。利用環路內的高增益和反向反饋。這將使磁阻橋路輸出為O(輸出+ =輸出-)。這種方法可以給出極佳的線性度和溫度特性，始終以平衡的電阻模式操作磁阻電橋。即，無論測量什麼樣的磁場，通過偏置電流帶的電流都會將之消除。電橋始終「看到」一個零磁場條件，用來消除施加磁場的合成電流是此磁場強度的一個直接試題，並且可以被轉換成磁場值。正向極化與反向極化消除磁滯效應大多數低磁場傳感器會受到大的磁場幹擾(> 4 20高斯)的影響，可能導致輸出信號的衰變。為了減少這種影響和最大化信號輸出，可以在磁阻電橋上應用磁開關切換技術，消除過去磁歷史的影響。置位/復位電流帶的目地就是把磁阻傳感器恢復到測量磁場的高靈敏度狀態。這可以通過將大電流脈動通過S/R電流帶實現。S/R電流帶看起來像加在SR+和SR-引腳之間的一個電阻。此電流帶與偏置電流帶不同，因為它是以垂直軸或不敏感的方向磁耦合到磁阻傳感器上的。一旦傳感器被置位(或復位)，可實現低噪音和高靈敏度的磁場測量。當磁阻傳感器暴露於幹擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區域，從而導致靈敏度衰減。峰值電流高於最低要求電流的脈衝電流(置位)通過置位/復位電流帶將生成一個強磁場，此磁場可以重新將磁區域對準統一到一個方向上，這樣將確保高靈敏度和可重複的讀數。反向脈衝(復位)可以以相反的方向旋轉磁區域的方向，並改變傳感器輸出的極性。如果不出現幹擾磁場，這種磁區域的狀態可以保持數年。晶片內的S/R應通過脈衝電流來重新對準，或「翻轉」傳感器內的磁區域。此脈寬可短至2微秒,連續脈衝時平均耗電小於ImA (DC)。可選定為每50ms有一個2 μ s脈寬的脈衝，或者更長，以節電。唯一的要求是每個脈衝只在一個方向上施加。即，如果+3.5A的脈衝被用來「置位」傳感器，則脈衝衰減不應低於O電流。任何負(低於額定電流)電流脈衝信號都會導致「無法置位」傳感器，並且不會得到最佳的靈敏度。利用S/R電流帶，可以消除或減少`許多影響，包括:溫度漂移、非線性錯誤、交叉軸影響和由於高磁場的存在而導致信號輸出的丟失。三維微弱磁場的原理便是利用巨磁電阻阻值隨著磁場的變化而變化，而要測得電阻阻值的變化，可以給電阻一個特定的電流然後測其輸出電壓的變化，因為我們測的是電壓，所以電流最好是一個恆定值，如此才能不影響電壓與電阻之間的線性變化關係，而給電阻一個恆流源，便可避免電流受電阻變化的影響，從而避免了電源波動對信號源的影響.圖5是利用運算放大器組成的恆流源電路。因為理想的運算放大器輸入兩端電壓相等，而A點電壓不受影響，所以恆定，相應的B點電壓也恆定，所以明顯可得電流I。恆定輸出。電路中的場效應管起到一個固定壓降的作用。置位/復位脈衝電路(即磁滯效應消除電路)為了消除背景磁場，必須由外圍電路為磁場效應消除電路提供一個置位/復位脈衝，要求其波形圖如圖6所示。在本設計中的置位/和復位信號是由單片機控制輸出，然後要由外圍電路將其轉換為脈衝信號。如圖7所示就是利用IRF7106產生的置位/復位脈衝電路。IRF7106裡面有兩個場效應管，一個是N溝道增強型場效應管，一個是P溝道增強型場效應管，如圖7，當set端即圖中的set8為低電平時，三極體Q18截止，電容C81兩端都是高電平，IRF7106的4引腳也是高電平，s2和G2之間無電壓，所以D2端無電流輸出，當reset端即圖中的reset8為低電平時，si和Gl之間無電壓,所以Dl端也無電流輸出。綜上所述，因為當set端和reset端是低電平時，Dl端和D2端均無電流輸出，且set端和reset端是交替性的置位/復位，所以我們分析時只需要分析set端和reset端置高電平的那個場效應管。當set即圖中的set8置I時(高電平)，三極體Q18導通，電容C81的左端突變為低電平，在這突變的瞬間，電容C81還未充電，所以電容C81右端(IRF7106的4引腳)也是低電平，P溝道場效應管導通，D2端有反向電流輸出，當電容C81充電完畢時，IRF7106的4引腳又變為高電平，P溝道場效應管截止，無電流輸出，所以當set置I時，SR+8有反向脈衝電流輸出。當reset即圖中的reset8置I時(高電平)，N溝道場效應管導通，Dl端有正向電流輸出(假設為I)，又因為輸出端有電容C83，所以只有當電流從O跳變為I時，SR+8有正向脈衝電流輸出。綜中所述，此電路滿足了磁滯效應消除電路對置位/復位脈衝的要求。磁場對消偏置電流控制電路設計偏置電流帶的作用就是消除背景磁場，三維磁場傳感器中有三個巨磁電阻傳感器，在這裡只分析一個巨磁電阻傳感器的外圍電路。當直流電流在偏置電流帶內通過時偏置電流帶可以有多種工作模式。(1)平衡掉外部不需要的磁場。(2)將電橋偏置設置為零。(3)電橋輸出可驅動偏置電流帶來消除閉環迴路內的磁場。(4)接到命令時橋路增益可以系統內自動校準。特定大小的電流渡過偏置電流帶時偏置電流帶將產生一個與被測磁場方向相反的磁場，所以可以消除任何環境磁場。偏置電流帶每通過50m電流可提供IOe的磁場。基於以上偏置電流帶的特性，偏置帶可以用作閉環電路內的反饋元件。此種應用中，將電橋放大器的輸出端連接到偏置帶的驅動電流源上，利用一路內的高增益和負反饋使電橋的輸出為零。無論測量什麼樣的磁場，通過偏置電流帶的電流都會將之消除，電橋始終看到一個零磁場條件。這種方法具有很好的線性度和溫度特性。用來消除外部磁場的電流是此磁場的一個直接度量，而且可以直接轉換成磁場值。偏置電流帶還可以用來自動校準磁阻電橋，它對偶爾校對電橋增益或在大溫度擺範圍內作調整是非常有用的。可以在上電或正常操作期間的任何時候進行。其原理是:沿一線路取兩點，並確定該線的斜度，即增益。當電橋正在測量穩定的外部磁場時，輸出交保持恆定。記錄穩定磁場的讀數，記為Hl.此時施加特定電流通過偏置電流帶，然後記錄該讀數，記為H2。導致磁阻傳感器測量的磁場的變化稱之為施加磁場增量(AHa)，磁阻傳感器增益可如下計算:Gain = (H2-H1) / Δ Ha.
除了以上所述外，偏置電流帶還有許多其它用途，關鍵是外部環境磁場和偏置磁場可以簡單地相互疊加，被磁阻傳感器作為單一磁場進行測量。
如圖8和圖9所示就是偏置電流帶的外圍電路，這兩個電壓跟隨器主要是起到緩衝隔離的作用。這兩個電壓跟隨器的輸出埠分別接到HMC2003背景磁場對消線圈的兩端Xoff+Ι與Xoff-1。其中一個電壓跟隨器輸入口接精密基準電壓源，另一個電壓跟隨器輸入由單片機進行控制，因為電壓跟隨器的主要作用便是緩衝隔離，所以背景磁場對消線圈兩端的電壓可以不受電路影響，如此便可以給巨磁電阻傳感器提供一個穩定的「補償磁場」。數據採集系統說明本設計主要完成傳感器及外圍電路設計，但傳感器檢驗必須有外圍電路的配合，而外圍電路的控制由單片機數據採集系統實現，為了說明單片機對傳感器的控制原理和工作時序，現對數據採集與控制部分進行簡要介紹，使設計的思路更加清晰明了。本設計中的數據採集系統是一個以單片機為核心的集控制、A/D轉換和通信的小系統。在數據採集系統中需要將模擬量轉換為數據量，而A/D是將模擬量轉換為數字量的器件，他需要考慮的指標有:解析度、轉換時間、轉換誤差等等。而單片機是該系統的基本的微處理系統，它完成數據讀取、處理及邏輯控制，數據傳輸等一系列的任務。在該系統中我們採用89C52系列的單片機。。該數據採集電路圖包括以下三個部分。A/D模數轉換器在本設計中選用ADS7825作為模數轉換器。ADS7825是美國B-B公司生產的4通道，16位模數轉換器。它由單-5V電源供電，數據採樣及轉換時間不超過25 μ s，可輸入-1OV IOV的模擬電壓。A/D轉換後的數據可並行輸出，也可串行輸出，數據轉換模式還可設置為4通道間連續循環轉換，使用極其方便。使用ADS7825晶片時，將石置0，然後給R/石腳加一下降沿即可以啟動AD轉換。此時，腳的輸出保持低電平，直至數據轉換完畢且內部輸出寄存器的內容被更新。在此期間，ADS7825不再響應新的轉換命令。必須注意，在^ 腳輸出為高電平前，R/C必須置為高電平，否則會導致數據尚未讀完，新的轉換就已開始，從而使數據丟失。由於ADS7825轉換的數據即可並行輸出，也可串行輸出，所以數據的讀取也須分並行和串行兩種方式來討論。本設計中是將PAR/—置為高電平，選用並行輸出方式，所以在數據讀取時將石腳置低電平，即選中ADS7825晶片後，給R/5腳輸入一負脈衝，啟動AD轉換。AD轉換及數據鎖存時間為25 μ S。檢測腳的輸出電平可以判斷數據轉換狀態，當狀態標誌位Bt/SF =0時，數據轉換仍在進行，此時不可讀取數據。BUBY =1時，表明數據轉換已結束且數據已進入輸出寄存器，此時方可讀取數據。令並行數據輸出選擇位BYTE=0，即可讀出高8位數據，BYTE = 1，讀出低8位數據。模擬信號分別從INO、INK IN2引腳輸入，由ADRO、ADRl和CONTC引腳確認轉換的方式和地址，當CONTC = I時，選擇連續轉換模式，當^和PWRD端均為低電平時，AD轉換和讀數將在INO IN3四個通道間連續循環進行。當在本次轉換結束轉為高電平後，AO和Al腳將輸出下次採樣所用的通道地址，究竟從哪個輸入通道開始進行循環轉換，取決於CONTC置為高電平之前 ，AO和Al腳的輸入值。AO和Al腳的輸出和被採樣通道之間的關係如表5.1.1所列。CONTC置為低電平時，採用間歇轉換模式。AO和Al腳作為輸入端，其輸入值和採樣通道關係如表5.1.2所列本設計中，ADRO、ADRl、C0NTC、瓦萬F引腳都是由單片機輸出信號控制，所以它的轉換方式應該也是由單片機來控制。表5.1.1連續轉換時的通道選擇
權利要求
1.一種基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，其特徵在於，在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一採樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量。
2.根據權利要求1所述的基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，其特徵在於，在所述的測量過程中，單片機通過磁滯效應消除電路產生正反向極化脈衝並輸出給磁傳感器，以消除在磁場測量過程中磁傳感器被磁化；測量步驟為: 步驟1:依次循環完成對5個點位的磁場測量； 每一個點位的磁場測量包括依次測量X、y和z方向的磁場； 步驟2:當5個點位的三維磁場測量全部完成以後，就完成了一幀數據的測量，並返回步驟I進行下一次循環； 每一個點位處的磁傳感器單方向的磁場測量過程為: A/D轉換開始前，單片機先輸出一個置位信號SET使傳感器獲得正向極化，接著啟動模數轉換器進行A/D轉換，為了防止隨機幹擾造成A/D轉換誤差，採用100個採樣值求平均值AVG1，接著單片機輸出一個復位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然後啟動模數轉換器再獲得100個採樣值，並求得平均值AVG2，然後將兩次獲得的平均值AVGl和AVG2經過數值計算Vot=(AVG1+AVG2)/2，得到一個數值作為一個該單方向的磁場測量值； 所述的和的單方向指X、y或z方向。
3.根據權利要求2所述的基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，其特徵在於，採用五點位三維磁場測量裝置實施測量； 所述的五點位三維磁場測量裝置包括單片機、磁傳感器、多路選擇器、模數轉換器、磁滯效應消除電路和串口通信電路； 所述的磁傳感器為5個，對稱設置於PCB正面的5個點位上，且4個設置在PCB板的四角處，另一個設置在PCB板的中央；每一個磁傳感器具有3個信號輸出通道，分別輸出X、Y、Z三方向的磁感應信號； 磁傳感器依次通過多路選擇器和模數轉換器與單片機的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機的輸出埠； 磁滯效應消除電路的兩個輸入端分別接單片機的復位端和置位端(set8和resets)；復位端和置位端均為單片機的IO埠 ；磁滯效應消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈衝極化電路相連； 單片機通過所述的串口通信電路與上位機連接； 所述的磁傳感器採用HMC2003晶片，所述的多路選擇器包括3個多路開關:即第一多路開關、第二多路開關和第三多路開關，模擬多路開關採用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051晶片；模數轉換器採用十六位的ADS7825晶片；ADS7825晶片具有四個模擬信號輸入端:IN0，INI, IN2, IN3 ； 5個磁傳感器的X信號輸出通道分別與第一多路開關的5個信號輸入通道相接； 5個磁傳感器的Y信號輸出通道分別與第二多路開關的5個信號輸入通道相接； 5個磁傳感 器的Z信號輸出通道分別與第三多路開關的5個信號輸入通道相接；3個多路開關的3個信號輸出通道分別與模數轉換器的3個模擬信號輸入端相接； 3個多路開關的三個數字選擇端對應並聯。
4.根據權利要求3所述的基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，其特徵在於，磁滯效應消除電路為基於功率MOSFET管的脈衝產生電路，功率MOSFET管採用IRF7106 晶片； IRF7106晶片的5-8腳短接後通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈衝極化電路相接； IRF7106晶片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ； IRF7106晶片的2腳(Gl)接所述的復位端(reset8)； 單片機的另一個IO埠作為置位端(set8)，置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極體(Q18)的基極；三極體(Q18)的射極接地，三極體(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極體(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106晶片的4腳(G2端)；IRF7106晶片的4腳與VCCl之間接有第三電阻(R83) ；VCC1與地之間接有第三電容(C82) ；VCC1=20V ； 串口通信電路採用專用通 信器件MAX232，單片機採用STC89C54RD晶片。
全文摘要
本發明公開了一種基於板材拉伸熱致磁效應的五點位三維磁場測量方法，在檢測區域的5個點位分別設置5個能輸出三維磁感應信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經多路選擇器選擇後，每一採樣周期內輸出一個磁傳感器的三維磁感應信號，再通過模數轉換器形成數位訊號送入單片機中；最後由單片機對採集的所有數據處理後上傳至上位機，完成三維磁場的測量。本發明採用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，並在多路選擇器和模數轉換器的配合下實現多點位、三維磁場檢測，易於控制，易於實施，精度高。
文檔編號G01N27/82GK103235031SQ201310131350
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者羅迎社, 陳勝銘, 羅樹凌, 鄧瑞基, 鄧彪, 李卉, 張永忠, 任嘉 申請人:中南林業科技大學