專利名稱：基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法。
背景技術(shù)：
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(chǎn)生一定的溫升，同時伴生一定強(qiáng)度的磁場。為了進(jìn)一步研究該磁場與拉伸時產(chǎn)生的溫升之間的關(guān)系，需要在自動控制拉伸速度的同時，對試件的溫升與磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行同步測量，并以時間同步方式保存所有的測量數(shù)據(jù):拉力、位移量、磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度(圖像數(shù)據(jù))，以研究并確定它們之間的關(guān)系。公開號為CN101261245A的專利，其名稱為含缺陷流變體熱致磁效應(yīng)采集與測試系統(tǒng)(申請?zhí)枮?00810031098)，提出了一種磁場檢測方案，是基于霍爾傳感器陣列采集磁場數(shù)據(jù)，這種方案存在的最大問題是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要構(gòu)造傳感器陣列，而且需要復(fù)雜的供電電路和控制電路為傳感器服務(wù)；另外這種傳感器只能測量一個方向的磁場數(shù)據(jù)，無法檢測三維磁感應(yīng)數(shù)據(jù)，因此局限性大。因此，有必要設(shè)計一種全新的磁場測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，該基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法采用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，并在多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配合下實現(xiàn)多點位、三維磁場檢測，易于控制，易于實施。發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，在檢測區(qū)域的5個點位分別設(shè)置5個能輸出三維磁感應(yīng)信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經(jīng)多路選擇器選擇后，每一采樣周期內(nèi)輸出一個磁傳感器的三維磁感應(yīng)信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號送入單片機(jī)中；最后由單片機(jī)對采集的所有數(shù)據(jù)處理后上傳至上位機(jī)，完成三維磁場的測量。在所述的測量過程中，單片機(jī)通過磁滯效應(yīng)消除電路產(chǎn)生正反向極化脈沖并輸出給磁傳感器，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(huán)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(dāng)5個點位的三維磁場測量全部完成以后，就完成了一幀數(shù)據(jù)的測量，并返回步驟I進(jìn)行下一次循環(huán)；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(zhuǎn)換開始前 ，單片機(jī)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(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了防止隨機(jī)干擾造成A/D轉(zhuǎn)換誤差，采用100個采樣值求平均值A(chǔ)VG1，接著單片機(jī)輸出一個復(fù)位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器再獲得100個采樣值，并求得平均值A(chǔ)VG2，然后將兩次獲得的平均值A(chǔ)VGl和AVG2經(jīng)過數(shù)值計算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數(shù)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。采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(jī)、磁傳感器、多路選擇器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、磁滯效應(yīng)消除電路和串口通信電路；所述的磁傳感器為5個，對稱設(shè)置于PCB正面的5個點位上，且4個設(shè)置在PCB板的四角處，另一個設(shè)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(yīng)信號；磁傳感器依次通過多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機(jī)的輸出端口；磁滯效應(yīng)消除電路的兩個輸入端分別接單片機(jī)的復(fù)位端和置位端(set8和reset8);復(fù)位端和置位端均為單片機(jī)的IO端口 ；磁滯效應(yīng)消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈沖極化電路相連；單片機(jī)通過所述的串口通信電路與上位機(jī)連接；所述的磁傳感 器采用HMC2003芯片，所述的多路選擇器包括3個多路開關(guān):即第一多路開關(guān)、第二多路開關(guān)和第三多路開關(guān)，模擬多路開關(guān)采用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051芯片；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯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(guān)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(guān)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(guān)的5個信號輸入通道相接；3個多路開關(guān)的3個信號輸出通道分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的3個模擬信號輸入端相接；3個多路開關(guān)的三個數(shù)字選擇端(即A、B、C)對應(yīng)并聯(lián)。磁滯效應(yīng)消除電路為基于功率MOSFET管的脈沖產(chǎn)生電路，功率MOSFET管采用IRF7106 芯片；IRF7106芯片的5_8腳短接后通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈沖極化電路相接；IRF7106芯片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ；IRF7106芯片的2腳(Gl)接所述的復(fù)位端(reset8)；單片機(jī)的另一個IO端口作為置位端(set8)，置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極管(Q18)的基極；三極管(Q18)的射極接地，三極管(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極管(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106芯片的4腳(G2端)；IRF7106芯片的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 ；串口通信電路采用專用通信器件MAX232，單片機(jī)采用STC89C54RD芯片。有益效果:
本發(fā)明的基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，采用分布在不同點位處的5個三維磁傳感器(HMC2003芯片)檢測磁場信號，并采用基于74HC4051芯片的多路模擬多路開關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)切換，再采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出到單片機(jī)中，完成多點位三維磁場數(shù)據(jù)的采集。其中，采用多路開關(guān)能有效簡化電路設(shè)計，且充分利用單片機(jī)的端口，而且控制方便，一次能同步采集一個磁傳感器輸出的一組三維磁場數(shù)據(jù)。另外，本發(fā)明還設(shè)計了磁滯效應(yīng)消除電路以消除磁滯、提高磁場檢測精度。綜上所述，本發(fā)明采用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，并在多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配合下實現(xiàn)多點位、三維磁場檢測，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，易于實施，且采用磁滯效應(yīng)消除電路后，能進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換電路的原理圖；圖4是多通道采樣流程圖；圖5是恒流源電路圖；圖6是置位/復(fù)位脈沖示意圖；圖7是置位/復(fù)位脈沖電路原理圖。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(tǒng)的各檢測量的曲線的實驗結(jié)果界面。圖11為20mm/min速率下試件表面的熱致磁感應(yīng)強(qiáng)度-時間關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:實施例1:如圖1-9所示，一種基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，在檢測區(qū)域的5個點位分別設(shè)置5個能輸出三維磁感應(yīng)信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經(jīng)多路選擇器選擇后，每一采樣周期內(nèi)輸出一個磁傳感器的三維磁感應(yīng)信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號送入單片機(jī)中；最后由單片機(jī)對采集的所有數(shù)據(jù)處理后上傳至上位機(jī)，完成三維磁場的測量。在所述的測量過程中，單片機(jī)通過磁滯效應(yīng)消除電路產(chǎn)生正反向極化脈沖并輸出給磁傳感器，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(huán)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(dāng)5個點位的三維磁場測量全部完成以后，就完成了一幀數(shù)據(jù)的測量，并返回步驟I進(jìn)行下一次循環(huán)；
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(zhuǎn)換開始前，單片機(jī)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(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了防止隨機(jī)干擾造成A/D轉(zhuǎn)換誤差，采用100個采樣值求平均值A(chǔ)VG1，接著單片機(jī)輸出一個復(fù)位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器再獲得100個采樣值，并求得平均值A(chǔ)VG2，然后將兩次獲得的平均值A(chǔ)VGl和AVG2經(jīng)過數(shù)值計算Vott = (AVGl+AVG2)/2，得到一個數(shù)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?；谠摲椒ǖ奈妩c位三維磁場測量裝置，包括單片機(jī)、磁傳感器、多路選擇器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、磁滯效應(yīng)消除電路和串口通信電路；所述的磁傳感器為5個，對稱設(shè)置于PCB正面的5個點位上，且其中的4個設(shè)置在PCB板的四角處，另一個設(shè)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(yīng)信號；磁傳感器依次通過多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機(jī)的輸出端口；磁滯效應(yīng)消除電路的兩個輸入端分別接單片機(jī)的復(fù)位端和置位端(set8和reset8);復(fù)位端和置位端均為單片機(jī)的IO端口 ；磁滯效應(yīng)消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈沖極化電路相連；單片機(jī)通過所述的串口通信電路與上位機(jī)連接。所述的磁傳感器采用HMC2003芯片，所述的多路選擇器包括3個多路開關(guān):即第一多路開關(guān)、第二多路開關(guān)和第·三多路開關(guān)，模擬多路開關(guān)采用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051芯片；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯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(guān)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(guān)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(guān)的5個信號輸入通道相接；3個多路開關(guān)的3個信號輸出通道分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的3個模擬信號輸入端相接；3個多路開關(guān)的三個數(shù)字選擇端(即A、B、C)對應(yīng)并聯(lián)即3個多路開關(guān)的A端并聯(lián)，3個多路開關(guān)的B端并聯(lián)，3個多路開關(guān)的C端并聯(lián)。 74HC4051是8通道模擬多路選擇器/多路分配器，帶有3個數(shù)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(dú)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(guān)的其中之一將被SO至S2選中(低阻態(tài))。E為高時，所有開關(guān)都進(jìn)入高阻態(tài)，直接無視SO至S2。磁滯效應(yīng)消除電路為基于功率MOSFET管的脈沖產(chǎn)生電路，功率MOSFET管采用IRF7106 芯片；IRF7106芯片的5_8腳短接后通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈沖極化電路相接；IRF7106芯片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ；IRF7106芯片的2腳(Gl)接所述的復(fù)位端(reset8)；
單片機(jī)的另一個IO端口作為置位端(set8),置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極管(Q18)的基極；三極管(Q18)的射極接地，三極管(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極管(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106芯片的4腳(G2端)；IRF7106芯片的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。串口通信電路采用專用通信器件MAX232，單片機(jī)采用STC89C54RD芯片。實施例1:基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)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(shù)據(jù)采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，采用這種布置方案是根據(jù)PVC板材在拉伸過程中最大熱致磁場產(chǎn)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(xiàn)磁場強(qiáng)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(guān)組成，三個74HC4051模擬多路開關(guān)分別選通5個HMC2003的X，Y，Z三維輸出信號，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的三個輸入端IN0，IN1，IN2，三個74HC4051模擬多路開關(guān)的選擇控制端A，B，C是并聯(lián)的，其選擇控制由單片機(jī)執(zhí)行，單片機(jī)采用STC89C54RD+八位單片機(jī)，改變A，B, C的狀態(tài)，可以實現(xiàn)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(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是ADS7825十六位A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)輸入模擬量的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)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(yīng)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(shè)置的正反向極化脈沖產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生正、反向峰值電流達(dá)4A的瞬態(tài)尖峰脈沖，該脈沖作用于HMC2003內(nèi)部的脈沖極化電路，實現(xiàn)巨磁電阻的瞬間極化，以提高巨磁電阻的測量靈敏度，正反向極化脈沖是由單片機(jī)發(fā)出的SET，RESET信號控制的。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了防止隨機(jī)干擾造成A/D轉(zhuǎn)換誤差，采用100個采樣值求平均值的方法進(jìn)行數(shù)字濾波，接著單片機(jī)輸出一個RESET信號，使傳感器獲得反向極化，接著啟動A/D轉(zhuǎn)換器再進(jìn)行100次A/D轉(zhuǎn)換，并求平均值，然后將兩次獲得的平均值經(jīng)過數(shù)值計算Vott =(AVGl+AVG2)/2得到一個數(shù)值作為一個測量值，當(dāng)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(dāng)5個傳感器的三維磁場全部完成以后，就完成了一幀數(shù)據(jù)的測量。當(dāng)單片機(jī)完成一幀數(shù)據(jù)采集以后，檢查串口通信有無上位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)請求信號，如果有上位機(jī)發(fā)來的請求信號，則按照約定格式將一幀數(shù)據(jù)發(fā)出，完成數(shù)據(jù)傳輸以后，單片機(jī)進(jìn)入下一個采用周期。串口通信由專用通信器件MAX232構(gòu)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(yīng)消除外圍電路與HMC2003內(nèi)部脈沖消磁電路配合，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(shù)據(jù)采集板由多路選擇器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)構(gòu)成，多路開關(guān)為三維傳感器通道選擇開關(guān)，將5個三維傳感器的X，Y，Z分別分時選通至A/D轉(zhuǎn)換器ADS7825的三個輸入通道，ADS7825是16位A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)為8位STC單片機(jī)。HMC2003芯片內(nèi)部包括三維巨磁電阻測量橋，橋路恒流供電電源，精密基準(zhǔn)電壓源，三維精密儀表放大器，脈沖消磁電路和背景磁場對消線圈，它的作用是在零磁場狀態(tài)將微弱磁場的變化量轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化量，根據(jù)磁場與電壓的對應(yīng)關(guān)系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(zhuǎn)換為差分輸出電壓。橋路恒供電電源為三維磁場測量提供恒定的電流源，以減小電源波動對信號源的影響，降低了系統(tǒng)誤差。精密基準(zhǔn)電壓源是為背景磁場對消線圈提供一個基準(zhǔn)電壓。三維精密儀表放大器將微弱差分電壓信號放大輸出，以便于電壓信號的傳輸與轉(zhuǎn)換。脈沖消磁電路和磁滯效應(yīng)外圍電路二者結(jié)合組成磁滯效應(yīng)消除電路，使巨磁電阻測量橋始終處于無磁滯效應(yīng)的最高靈敏狀態(tài)，用來消除磁滯效應(yīng)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(huán)境背景磁場，使傳感器實際工作于零磁場環(huán)境，實現(xiàn)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?shù)揭粋€A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)由一個A/D轉(zhuǎn)換器完成15路模擬信號的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)作為系統(tǒng)控制單元，完成數(shù)據(jù)采集與各種功能的協(xié)調(diào)。GMR傳感器是一種測量磁場強(qiáng)度的元件，與很多其他器件不同的是，它直接測量磁場強(qiáng)度而并非感應(yīng)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、線性范圍寬，使用溫度高、成本低等優(yōu)點本設(shè)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(fù)位帶，可降低溫度漂移效應(yīng)、非線性誤差和由于高磁場的存在，導(dǎo)致的輸出信號的丟失。并且具有集成偏置帶，可消除硬鐵干擾的影響。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(xiàn)有技術(shù)，在此不做詳細(xì)說明。背景磁場對消技術(shù)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(qiáng)的背景磁場，背景磁場嚴(yán)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(bǔ)償磁場”與背景磁場對消，使巨磁電阻工作于零磁場狀態(tài)。施加補(bǔ)償磁場消除背景磁場是通過偏置電流帶來進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，偏置電流帶還可以驅(qū)動電流通過電流帶，精確地抵消測量磁場，這被稱作閉環(huán)結(jié)構(gòu)。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(biāo)稱電阻。偏置電流帶可以用作閉環(huán)電 路內(nèi)的反饋元件。利用電流反饋環(huán)路內(nèi)的偏置電流帶可以測到期望值。若要達(dá)到此目的，要將電橋放大器的輸出端連接到驅(qū)動偏置電流帶的電流源。利用環(huán)路內(nèi)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，無論測量什么樣的磁場，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(qiáng)度的一個直接試題，并且可以被轉(zhuǎn)換成磁場值。正向極化與反向極化消除磁滯效應(yīng)大多數(shù)低磁場傳感器會受到大的磁場干擾(> 4 20高斯)的影響，可能導(dǎo)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(yīng)用磁開關(guān)切換技術(shù)，消除過去磁歷史的影響。置位/復(fù)位電流帶的目地就是把磁阻傳感器恢復(fù)到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。這可以通過將大電流脈動通過S/R電流帶實現(xiàn)。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(fù)位)，可實現(xiàn)低噪音和高靈敏度的磁場測量。當(dāng)磁阻傳感器暴露于干擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。峰值電流高于最低要求電流的脈沖電流(置位)通過置位/復(fù)位電流帶將生成一個強(qiáng)磁場，此磁場可以重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)統(tǒng)一到一個方向上，這樣將確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。反向脈沖(復(fù)位)可以以相反的方向旋轉(zhuǎn)磁區(qū)域的方向，并改變傳感器輸出的極性。如果不出現(xiàn)干擾磁場，這種磁區(qū)域的狀態(tài)可以保持?jǐn)?shù)年。芯片內(nèi)的S/R應(yīng)通過脈沖電流來重新對準(zhǔn)，或“翻轉(zhuǎn)”傳感器內(nèi)的磁區(qū)域。此脈寬可短至2微秒,連續(xù)脈沖時平均耗電小于ImA (DC)?？蛇x定為每50ms有一個2 μ s脈寬的脈沖，或者更長，以節(jié)電。唯一的要求是每個脈沖只在一個方向上施加。即，如果+3.5A的脈沖被用來“置位”傳感器，則脈沖衰減不應(yīng)低于O電流。任何負(fù)(低于額定電流)電流脈沖信號都會導(dǎo)致“無法置位”傳感器，并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、交叉軸影響和由于高磁場的存在而導(dǎo)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后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恒定值，如此才能不影響電壓與電阻之間的線性變化關(guān)系，而給電阻一個恒流源，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(yùn)算放大器組成的恒流源電路。因為理想的運(yùn)算放大器輸入兩端電壓相等，而A點電壓不受影響，所以恒定，相應(yīng)的B點電壓也恒定，所以明顯可得電流I。恒定輸出。電路中的場效應(yīng)管起到一個固定壓降的作用。置位/復(fù)位脈沖電路(即磁滯效應(yīng)消除電路)為了消除背景磁場，必須由外圍電路為磁場效應(yīng)消除電路提供一個置位/復(fù)位脈沖，要求其波形圖如圖6所示。在本設(shè)計中的置位/和復(fù)位信號是由單片機(jī)控制輸出，然后要由外圍電路將其轉(zhuǎn)換為脈沖信號。如圖7所示就是利用IRF7106產(chǎn)生的置位/復(fù)位脈沖電路。IRF7106里面有兩個場效應(yīng)管，一個是N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，一個是P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管，如圖7，當(dāng)set端即圖中的set8為低電平時，三極管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(dāng)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(dāng)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(fù)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(yīng)管。當(dāng)set即圖中的set8置I時(高電平)，三極管Q18導(dǎo)通，電容C81的左端突變?yōu)榈碗娖?，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(yīng)管導(dǎo)通，D2端有反向電流輸出，當(dāng)電容C81充電完畢時，IRF7106的4引腳又變?yōu)楦唠娖?，P溝道場效應(yīng)管截止，無電流輸出，所以當(dāng)set置I時，SR+8有反向脈沖電流輸出。當(dāng)reset即圖中的reset8置I時(高電平)，N溝道場效應(yīng)管導(dǎo)通，Dl端有正向電流輸出(假設(shè)為I)，又因為輸出端有電容C83，所以只有當(dāng)電流從O跳變?yōu)镮時，SR+8有正向脈沖電流輸出。綜中所述，此電路滿足了磁滯效應(yīng)消除電路對置位/復(fù)位脈沖的要求。磁場對消偏置電流控制電路設(shè)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，在這里只分析一個巨磁電阻傳感器的外圍電路。當(dāng)直流電流在偏置電流帶內(nèi)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(shè)置為零。(3)電橋輸出可驅(qū)動偏置電流帶來消除閉環(huán)回路內(nèi)的磁場。(4)接到命令時橋路增益可以系統(tǒng)內(nèi)自動校準(zhǔn)。特定大小的電流渡過偏置電流帶時偏置電流帶將產(chǎn)生一個與被測磁場方向相反的磁場，所以可以消除任何環(huán)境磁場。偏置電流帶每通過50m電流可提供IOe的磁場?；谝陨掀秒娏鲙У奶匦?，偏置帶可以用作閉環(huán)電路內(nèi)的反饋元件。此種應(yīng)用中，將電橋放大器的輸出端連接到偏置帶的驅(qū)動電流源上，利用一路內(nèi)的高增益和負(fù)反饋使電橋的輸出為零。無論測量什么樣的磁場，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(zhuǎn)換成磁場值。偏置電流帶還可以用來自動校準(zhǔn)磁阻電橋，它對偶爾校對電橋增益或在大溫度擺范圍內(nèi)作調(diào)整是非常有用的?？梢栽谏想娀蛘２僮髌陂g的任何時候進(jìn)行。其原理是:沿一線路取兩點，并確定該線的斜度，即增益。當(dāng)電橋正在測量穩(wěn)定的外部磁場時，輸出交保持恒定。記錄穩(wěn)定磁場的讀數(shù)，記為Hl.此時施加特定電流通過偏置電流帶，然后記錄該讀數(shù)，記為H2。導(dǎo)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(guān)鍵是外部環(huán)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(jìn)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沖隔離的作用。這兩個電壓跟隨器的輸出端口分別接到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(zhǔn)電壓源，另一個電壓跟隨器輸入由單片機(jī)進(jìn)行控制，因為電壓跟隨器的主要作用便是緩沖隔離，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(wěn)定的“補(bǔ)償磁場”。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)說明本設(shè)計主要完成傳感器及外圍電路設(shè)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(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)，為了說明單片機(jī)對傳感器的控制原理和工作時序，現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與控制部分進(jìn)行簡要介紹，使設(shè)計的思路更加清晰明了。本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個以單片機(jī)為核心的集控制、A/D轉(zhuǎn)換和通信的小系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，而A/D是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，他需要考慮的指標(biāo)有:分辨率、轉(zhuǎn)換時間、轉(zhuǎn)換誤差等等。而單片機(jī)是該系統(tǒng)的基本的微處理系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)讀取、處理及邏輯控制，數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗械娜蝿?wù)。在該系統(tǒng)中我們采用89C52系列的單片機(jī)。。該數(shù)據(jù)采集電路圖包括以下三個部分。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器在本設(shè)計中選用ADS7825作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS7825是美國B-B公司生產(chǎn)的4通道，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由單-5V電源供電，數(shù)據(jù)采樣及轉(zhuǎn)換時間不超過25 μ s，可輸入-1OV IOV的模擬電壓。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可并行輸出，也可串行輸出，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式還可設(shè)置為4通道間連續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)換，使用極其方便。使用ADS7825芯片時，將石置0，然后給R/石腳加一下降沿即可以啟動AD轉(zhuǎn)換。此時，腳的輸出保持低電平，直至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢且內(nèi)部輸出寄存器的內(nèi)容被更新。在此期間，ADS7825不再響應(yīng)新的轉(zhuǎn)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(dǎo)致數(shù)據(jù)尚未讀完，新的轉(zhuǎn)換就已開始，從而使數(shù)據(jù)丟失。由于ADS7825轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)即可并行輸出，也可串行輸出，所以數(shù)據(jù)的讀取也須分并行和串行兩種方式來討論。本設(shè)計中是將PAR/—置為高電平，選用并行輸出方式，所以在數(shù)據(jù)讀取時將石腳置低電平，即選中ADS7825芯片后，給R/5腳輸入一負(fù)脈沖，啟動AD轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)鎖存時間為25 μ S。檢測腳的輸出電平可以判斷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)標(biāo)志位Bt/SF =0時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換仍在進(jìn)行，此時不可讀取數(shù)據(jù)。BUBY =1時，表明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換已結(jié)束且數(shù)據(jù)已進(jìn)入輸出寄存器，此時方可讀取數(shù)據(jù)。令并行數(shù)據(jù)輸出選擇位BYTE=0，即可讀出高8位數(shù)據(jù)，BYTE = 1，讀出低8位數(shù)據(jù)。模擬信號分別從INO、INK IN2引腳輸入，由ADRO、ADRl和CONTC引腳確認(rèn)轉(zhuǎn)換的方式和地址，當(dāng)CONTC = I時，選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)^和PWRD端均為低電平時，AD轉(zhuǎn)換和讀數(shù)將在INO IN3四個通道間連續(xù)循環(huán)進(jìn)行。當(dāng)在本次轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)為高電平后，AO和Al腳將輸出下次采樣所用的通道地址，究竟從哪個輸入通道開始進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)換，取決于CONTC置為高電平之前 ，AO和Al腳的輸入值。AO和Al腳的輸出和被采樣通道之間的關(guān)系如表5.1.1所列。CONTC置為低電平時，采用間歇轉(zhuǎn)換模式。AO和Al腳作為輸入端，其輸入值和采樣通道關(guān)系如表5.1.2所列本設(shè)計中，ADRO、ADRl、C0NTC、瓦萬F引腳都是由單片機(jī)輸出信號控制，所以它的轉(zhuǎn)換方式應(yīng)該也是由單片機(jī)來控制。表5.1.1連續(xù)轉(zhuǎn)換時的通道選擇
權(quán)利要求
1.一種基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，其特征在于，在檢測區(qū)域的5個點位分別設(shè)置5個能輸出三維磁感應(yīng)信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經(jīng)多路選擇器選擇后，每一采樣周期內(nèi)輸出一個磁傳感器的三維磁感應(yīng)信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號送入單片機(jī)中；最后由單片機(jī)對采集的所有數(shù)據(jù)處理后上傳至上位機(jī)，完成三維磁場的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，其特征在于，在所述的測量過程中，單片機(jī)通過磁滯效應(yīng)消除電路產(chǎn)生正反向極化脈沖并輸出給磁傳感器，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(huán)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(dāng)5個點位的三維磁場測量全部完成以后，就完成了一幀數(shù)據(jù)的測量，并返回步驟I進(jìn)行下一次循環(huán)； 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(zhuǎn)換開始前，單片機(jī)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(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了防止隨機(jī)干擾造成A/D轉(zhuǎn)換誤差，采用100個采樣值求平均值A(chǔ)VG1，接著單片機(jī)輸出一個復(fù)位信號RESET使磁傳感器獲得反向極化，然后啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換器再獲得100個采樣值，并求得平均值A(chǔ)VG2，然后將兩次獲得的平均值A(chǔ)VGl和AVG2經(jīng)過數(shù)值計算Vot=(AVG1+AVG2)/2，得到一個數(shù)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(jù)權(quán)利要求2所述的基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，其特征在于，采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(jī)、磁傳感器、多路選擇器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、磁滯效應(yīng)消除電路和串口通信電路； 所述的磁傳感器為5個，對稱設(shè)置于PCB正面的5個點位上，且4個設(shè)置在PCB板的四角處，另一個設(shè)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(yīng)信號； 磁傳感器依次通過多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的輸入接口連接；多路選擇器的通道選擇端接單片機(jī)的輸出端口； 磁滯效應(yīng)消除電路的兩個輸入端分別接單片機(jī)的復(fù)位端和置位端(set8和resets)；復(fù)位端和置位端均為單片機(jī)的IO端口 ；磁滯效應(yīng)消除電路的輸出端與磁傳感器中的脈沖極化電路相連； 單片機(jī)通過所述的串口通信電路與上位機(jī)連接； 所述的磁傳感器采用HMC2003芯片，所述的多路選擇器包括3個多路開關(guān):即第一多路開關(guān)、第二多路開關(guān)和第三多路開關(guān)，模擬多路開關(guān)采用具有8路信號輸入通道和I個信號輸出通道的74HC4051芯片；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用十六位的ADS7825芯片；ADS7825芯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(guān)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(guān)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(guān)的5個信號輸入通道相接；3個多路開關(guān)的3個信號輸出通道分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的3個模擬信號輸入端相接； 3個多路開關(guān)的三個數(shù)字選擇端對應(yīng)并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，其特征在于，磁滯效應(yīng)消除電路為基于功率MOSFET管的脈沖產(chǎn)生電路，功率MOSFET管采用IRF7106 芯片； IRF7106芯片的5-8腳短接后通過第一電容(C83)與磁傳感器中的脈沖極化電路相接； IRF7106芯片的I腳和3腳分別接地和直流電源正端VCCl ； IRF7106芯片的2腳(Gl)接所述的復(fù)位端(reset8)； 單片機(jī)的另一個IO端口作為置位端(set8)，置位端(set8)通過第一電阻(R81)接NPN型的三極管(Q18)的基極；三極管(Q18)的射極接地，三極管(Q18)的集電極通過第二電阻(R82)接VCCl ;三極管(Q18)的集電極還通過第二電容(C81)接IRF7106芯片的4腳(G2端)；IRF7106芯片的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 ； 串口通信電路采用專用通 信器件MAX232，單片機(jī)采用STC89C54RD芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于板材拉伸熱致磁效應(yīng)的五點位三維磁場測量方法，在檢測區(qū)域的5個點位分別設(shè)置5個能輸出三維磁感應(yīng)信號的磁傳感器；磁傳感器輸出的15路信號經(jīng)多路選擇器選擇后，每一采樣周期內(nèi)輸出一個磁傳感器的三維磁感應(yīng)信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號送入單片機(jī)中；最后由單片機(jī)對采集的所有數(shù)據(jù)處理后上傳至上位機(jī)，完成三維磁場的測量。本發(fā)明采用多個具有三維磁場信號輸出的傳感器，并在多路選擇器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配合下實現(xiàn)多點位、三維磁場檢測，易于控制，易于實施，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(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)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(yè)科技大學(xué)