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可自动定标的高精度磁场测量仪的设计

2018-08-09 22:32编辑:natherbexpo.com人气:


  [导读] 该测量仪可以完成对稳恒场,脉冲场峰值,交变场正负峰值、峰峰值及其频率的测量,同时具有自动测量功能。关键词:

  52MAX541磁场测量仪AT89C传感器技术

  该测量仪可以完成对稳恒场,脉冲场峰值,交变场正负峰值、峰峰值及其频率的测量,同时具有自动测量功能。

图1:霍尔效应原理图

图1:霍尔效应原理图


  测量原理

  霍尔效应的基本原理如图1所示。在Y方向通以电流I,并在Z方向施加磁感应强度为90的磁场,那么载流子在X方向受到洛仑兹力作用而在两端产生霍尔电动势EH。根据霍尔效应制造的霍尔器件是具有一定形状的半导体薄片,其霍尔电动势为:

  EH=RH(IB0/d)(1)

  式中,RH为与材料有关的霍尔系数,d为霍尔器件的厚度,I为流过霍尔器件的电流,Bo为外磁场的磁感应强度。对一个霍尔器件而言,在电流I恒定的情况下,EH与外磁场Bo成正比,设比例系数K=RH。因此,对于不同的霍尔传感器,可以通过改变工作电流I,使其具有相同的比例系数。

  霍尔器件的定标就是确定霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系。所以在霍尔器件的线性区,可以通过改变工作电流I,使其达到预先设置的霍尔电动势EH与外磁场Bo的比例关系,从而完成线性区的定标。把对应工作电流下的非线性区霍尔电动势与外磁场Bo作成数据表格存储在一个串行的E2PROM中,测量时就可以通过查表和线性拟合的方法求得外磁场Bo。因此,只需在霍尔器件探头上封装一个串行E2PROM,将该探头的工作电流和对应的非线性区表格存储在其中即可。更换探头后磁场测量仪的CPU可以从E2OPROM中取得该探头的工作电流,然后调节一个可控的恒流源完成定标工作。

  硬件设计

  该仪器的硬件电路主要由主控电路、定标电路、信号处理与采集电路、频率测量电路等组成。

  主控电路

  主控电路以AT89C52为核心,包括一个双通道A/D转换器MAXlll、两个D/A转换器MAX541、经8279扩展的键盘显示电路、一个定标参数存储器X24128以及与上位机通讯的RS232接口。为了减少干扰,在模拟电路与数字电路之间加有光电隔离电路。

  A/D转换器MAXlll的一路用来检测调零电路输出,另一路用来采集保持后的感应电压信号。两个D/A转换器MAX541中的一个用来输出霍尔不等位电势的补偿电压,另一个用来控制压控恒流源。

  经8279扩展六个按键:电源键、定标键、调零键、量程转换键、自动测量键、显示暂停键,键盘以中断方式工作。同时经8279扩展出双8位的数字表头,一个用来显示交变磁场频率,另一个由软件控制根据不同的磁场显示不同数值。当测量稳恒场时,显示磁场值;当测量脉冲场时,显示峰值;当测量交变磁场时,由软件控制依次显示正、负峰值及峰峰值,显示时间间隔由软件控制为5s,当按下显示暂保持键时,保持当前显示数据,再次按显示保持键,显示下一个数据。

  参数存储器X24128与霍尔器件封装在一起,通过串行总线和主机相连。

  定标电路设计及工作原理

  定标电路主要由一个压控恒流源和提供控制电压的D/A转换电路组成。压控恒流源由两个高阻型双运算放大器LM358构成,其原理图如图2所示。

图2:压控恒流源原理图

图2:压控恒流源原理图

  从图中可得出:

  Iout=—4VIN(mA)

  式中,VIN由16位D/A转换器MAX541提供,可在0~2.5V之间以0.04mV的分辨率调节。那么恒流源电流可在0~10mA之间以0.161μA的分辨率调节,完全可以满足一般霍尔器件的恒流工作要求。

  信号处理与采集电路

  为了对不同类型磁场进行高精度测量,本系统信号处理电路由程控放大电路、数字调零电路、峰值检测与保持电路组成。处理后信号的采集由MAXlll通道1完成。

  数字调零电路

  由于制作工艺的原因,霍尔器件总有不等位电势存在。为了适应自动测量的需要, 幸运飞艇奇迹私服,不等位电压的补偿由数字调零电路实现,其原理图如图4所示。该电路实际上是由两个运算放大器构成的加减运算电路。在系统初始化时,对不同量程进行调零,并将对应的补偿电压数值存在RAM中;测量过程中量程转换或手动选择量程后,可直接查询相应的数值,由D/A转换器输出补偿电压。由于采用了高精度的A/D和D/A转换器,调零后的不等电位小于0.1mV。

  峰值检测与保持电路

(来源:维信电子)

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