（生物医学工程专业论文）空间动态磁场测量装置的研制.pdf

a b s t r a c t m a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e a n si nr e s e a r c h i n gt h e m a g n e t i s ma n dr e l a t e dp h y s i c a lp h e n o m e n o na n dg r a d u a l l yb e c o m e sa ni n d e p e n d e n t b r a n c ho fs c i e n c e i to f t e np l a y sac o n c l u s i v er o l ei nt h ed o m a i no fn a t i o n a ld e f e n s e b u i l d i n g ，s c i e n c er e s e a r c h , d a i l yl i v i n ge r e s o m ef a c t o r ss u c ha sm e a s u r e m e n tm e t h o d , p r e c i s i o na n de c o n o m ye t c w i l li m m e d i a t e l yd e t e r m i n et h eu t i l i t ya n dg e n e r a l i z a t i o n o fi n s t r u m e n t s t h e r e f o r ei ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o ph i g hp r e c i s i o na n d s e n s i t i v i t y , g o o d s t a b i l i z a t i o na n d e a s y h a n d l em a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t s t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fas e to fm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n tb a s e d o nv i r t u a li n s t n t m e n t s a ni d e ab a s e do nt h ep r i n c i p l e so fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n di t s m o d u l a rp r o g r a m m i n gd e s i g nm e t h o d si s p r o p o s e da n dr e a l i z e db ym e a n so fa p e r s o n a lc o m p u t e rw i t had a q ( d a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ) a n dt h e i ri n t e r f a c ec i r c u i t s t h es o f t w a r eo ft h ei n s t r u m e n ti s d e v e l o p e do nl a b v i e wp l a t f o r m b yd a t a a c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gt h ep a r a m e t e r so ft h em a g n e t i cf i e l d s ，t h i ss y s t e mc a n i m p l e m e n tt h e r e a l - t i m ed a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n s ，i n c l u d i n gt h ed i s p l a yo ft h e r e a l - t i m es i g n a l ，t h es t o r a g eo ft h ed a t ao b t a i n e d ，t h er e a p p e a r a n c eo fp a s ts i g n a la n d t h e3 dd i s p l a yo fp l a n a rm a g n e t i cf i e l d t h en e ws y s t e mh a sb e e nt e s t e di nt h e e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n to f m e n gs h e n s l e e p i n gp r o m o t e r , a n dt h e p r o s p e c t i v er e s u l t sa r eo b t a i n e d t h em e t h o d so fm a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n ta n dt h e d e v e l o p m e n t s t a t eo f m e a s u r e m e n ti u s m l m e n t sa r ei n t r o d u c e df l r s t l yi n t h i sp a p e r s u b s e q u e n t l y ，t h e t h e o r i e so nw h i c ht h i sm e a s u r e m e n ts y s t e mi sb a s e do na n dt h eg e n e r a li d e ao f v i r t u a l i n s t r u m e n t sa r es t a t e d a n dt h e nt h et h e o r i e so ft h eh a r d w a r es y s t e ma n di t s r e a l i z a t i o na r eg i v e n 3 ds e n s o rp r o m o t e st h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m “s o f t w a r ei s i n s t r u m e n t ”i st h eb a s i ci d e ao ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，t h es o f t w a r ed e s i g nm u s t r e a l i z et h ef u n c t i o n so ft h eh a r d w a r es y s t e m , w h i c hw i l lb ei n t r o d u c e di nt h ec h a p t e r 4i nd e t a i l ，i n c l u d i n gi t sg e n e r a ld e s i g n , c o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e sa n dt h e i ro p e r a t i o n f l o wc h a l 如i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r , t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h es l e e p i n g p r o m o t e ra r ci n t r o d u c e da n ds o m ep r o b l e m sa r ed i s c u s s e d a tl a s t , t h em a i np o i n t so f t h ep a p e ra r es u m m a r i z e d ，a n da tt h es a m et i m e ，f u r t h e ri m p r o v e m e n ti sp r o p o s e d k e yw o r d s ：m a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n t ；l a b v i e w ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；d a t a a c q u i s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：r 茬y 谚以签字日期： 。易年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲闺铀 多 签字日期：鄙年f 月6 日签字日期：o 年，月，日 第一章绪论 1 1 磁场测量技术发展历程 第一章绪论 磁场测量是研究与磁现象有关物理过程的重要手段，其发展有着悠久的历 史。早在2 3 0 0 年前，我国就发明了指南针，其实是最早的磁场测量仪。十六世纪 末期开始应用磁针来研究磁现象和测定地磁场。1 7 8 5 年库仑根据力学原理提出了 利用磁针在磁场中自由振荡周期来测定地场的方法。后来高斯又发展了这种方 法，并制成了研究地磁变动的第一个标准磁针仪器。这种以磁力法原理为基 础的测量仪器虽属经典的方法，但目前在某些地磁测量中仍然沿用这些方法“1 。 1 8 3 1 年英国科学家法拉第发现了电磁感应定律，促进了电工技术的迅速发 展。法拉第的发现把磁现象和电现象联系起来了，它既对磁场测量提出了迫切要 求，又为磁场测量奠定了理论基础。延续至今的电磁感应法，在磁场测量中仍然 占据重要的地位 本世纪3 0 年代初，出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，它 广泛用于地球物理、军事工程、机械工业等领域。例如，最初利用磁通门磁强计 来测量地球磁场的微变和勘探铁矿，后来又大量用于军事探潜和侦察武器等，近 年来更广泛用于控制火箭和人造卫星的姿态以及探测空间磁场、检测磁屏蔽的效 果等。 5 0 年代以来，由于加速器工程、宇航工程和可控热核聚变装置等一些大型的 高科学技术的发展，对磁场测量在空间、时间、形态、准确度等方面都提出了更 苛刻的要求。同时由于这一时期电子技术、半导体等的新发展，为磁场测量仪器 的发展提供了条件。例如，在1 8 7 9 年就己发现的霍尔效应，由于受到材料的限制， 直至1 9 5 9 年才制成第一个商品化的霍尔器件，而到1 9 6 0 年仅一年多时间里就发展 成近百种。到目前为止，霍尔效应磁强计己成为通用型的磁场测量仪器，广泛应 用于测量各种间隙磁场，包括恒定的与交变的各种形态磁场。其它如磁阻效应器 件和磁敏器件等也有很大发展。同时，近年来由于激光和光导纤维技术的发展， 大大提高了利用磁光效应测量磁场的优越性。由于法拉第效应对环境温度变化不 灵敏，因此特别适用于测量超导强磁场和等离子磁场，在高压电线的无接触测量 中也有重要应用。 现代物理学的成就在磁场测量中的应用，有可能用原子内部的参数为基准来 绝对准确地测量磁场。从而彻底改变了经典的磁场测量的概念。两项获诺贝尔物 理学奖金的物理效应的发现，对磁场测量水平的提高具有划时代的意义。其中一 项是：1 9 4 6 年由布洛赫和柏塞尔同时发现的核磁共振现象，使磁场测量的准确度 第l 页 第一章绪论 达到1 0 ：另一项是，1 9 6 2 年英国剑桥大学的研究生约瑟夫逊预言的超导隧道效 应，并于次年得到了实验上的证实，从而使磁场测量的下限达到1 0 1 1 。随着高 温超导材料的突破，为超导效应的广泛应用创造了条件。1 。 1 2 磁场测量的方法 磁场测量技术所涉及的范围很广，从被测磁场强度范围看，它可以从1 0 。5t 至1 0 以上：从其频率看，它包括直流、工频、高频、及各种脉冲：从测量技术所 应用的原理来看，它涉及到电磁效应、光磁效应、压磁效应、热效应等各种效应： 从测量中所采用的技术来看，它包括指针仪表、数字仪表直至电子计算机的系统 测量。 1 2 1 磁场测量技术方法的研究现状 磁场测量方法是在电磁理论、电子技术和物理学的基础上建立起来的。磁场 测量涉及的范围很广，测量的方法很多。重要的并有发展前途的方法如下： ( 1 ) 电磁感应测试技术 电磁感应法是一种基于法拉第定律的经典而又简单的测磁方法。感应电压与 磁场强度成正比，能够直接测量与探测线圈交链的磁通变化，从而能够测得线圈 体积内平均的磁场强度值。如将探测线圈做得很小，制成能够消除磁通展开式中 二次项的形状，则能测得线圈中心位置上的点磁场强度值。本文中通过三维探头 的设计将测量精度大大提高。 ( 2 ) 磁共振测试技术 自从1 9 4 6 年伯赛尔( e m p u r c e l ) 和布洛奇( f b l o c h ) 等人分别提出了核磁共 振的吸收法和感应法并用于磁场的精密测量以来，磁共振的测量技术得到了非常 广泛的发展。磁共振法常用于均匀磁场的绝对测量，是目前在磁场绝对测量方法 中精度最高的。用磁共振测量磁场的主要缺点是在整个测量范围内要更换好几种 不同共振频率的探头，因而不便于进行连续测量，且其测量精度还与磁场的均匀 度有关。 ( 3 ) 霍尔效应测试技术 2 0 世纪6 0 年代由于半导体技术的发展以及一些新的半导体材料的出现，使霍 尔器件广泛地应用于测量恒定磁场和随时间变化的磁场。其中利用霍尔效应原 理的典型例子就是我们经常用到的特斯拉计。但是，特斯拉计的霍尔元件探头 是易损件。保管、使用中绝对不能受到挤、压、弯折、碰撞等机械应力，否则， 轻则造成测量误差，重则造成永久性损坏。这是其一，其二，霍尔元件的半导 体材料受温度的影响很大，所以特斯拉计的工作温度范围比较窄，同时其固有 第2 页 第一章绪论 特性也会造成测量误差，所以测量精度较低。其三，特斯拉计的价格比利用电 磁感应定律的探测线圈磁传感器要高的多。最重要的是，要实现空间“点”磁 场值的测量，其敏感元件尺寸的大小受到限制，这直接影响到测量的准确度。 ( 4 ) 磁通l q 钡i j 试技术 磁通门测试法是利用高导磁铁心在饱和交变励磁下选通调制铁心中的直流 磁场分量，并将直流磁场转变为交流电压输出而进行测量的一种方法。磁通门现 象是一种普遍存在的电磁感应现象。近年来，随着低矫顽力、低损耗、低磁致伸 缩、高导磁率、高饱和磁效应和高矩形比软磁材料的研究和出现，磁通门技术被 迅速应用到各个新的领域，特别是计算机技术的应用，磁通门技术实现了智能化， 达到了新的水平。磁通门对弱磁场如( 大地磁场) 测量十分有效，应用领域涉及 到磁场监测、电磁参数检测、工程检测、载体方位姿态测量与控制等。基于磁通 门测试技术的测磁装置的显著特点是灵敏度高、简单、可靠、经济，而且探头可 以做得很小，但它主要适用于测量弱磁场 ( 5 ) 光泵测试技术 即塞曼效应法，在磁场中原子能级分裂为磁量子数为m 的亚能级。光泵测磁 法的优点是灵敏度高、体积小、可连续测量和绝对测量，并具有直读或自动记录 的特点，主要用在测量5 1 0 1 至1 0 。叶范围的磁场。 ( 6 ) 磁光效应测试技术 磁光效应即为法拉第效应，专用于测量等离子体的磁场，该效应对环境温度 的变化不灵敏，很适用于测量超导磁体中的强磁场。 ( 7 ) 磁膜测磁技术 磁膜测磁法是一种利用铁磁薄膜的单轴各向异性的特点来测量磁场的方法。 这种方法具有灵敏度高、功耗小、结构简单等优点，是一种有发展前途的磁场测 量方法。 ( 8 ) 超导量子干涉器件测试技术 也叫约瑟夫逊效应法，是迄今为止灵敏度最高的一种测磁方法。它可以测出 约1 0 。 的极弱磁场嘲。 1 2 2 磁场测量技术方法的发展趋势 磁场测量技术的应用己深入到工业、农业、国防，以及生物、医学、宇航、 星际研究等各个部门。当前几乎任何技术领域都离不开磁场测量。特别是在人造 卫星、高能加速器、大型谱仪、宇航等重大工程中无不涉及到大量的磁场测量技 术和需要大量的测磁仪器。当前主要的磁场测量技术发展趋向是： ( 1 ) 研制一些特殊的测磁设备，如磁向导航仪、磁性探伤仪、强磁场磁强计等； ( 2 ) 为磁场测量领域提供一些先进的方法和设备，如高精度、高灵敏度的磁膜磁 第3 面 第一章绪论 强计、磁通门磁强计、超导量子磁强计等； ( 3 ) 测量技术迅速向电子化、数字化、自动化的方向发展，利用电子技术采用传 输法来实现复杂而迅速的测量； ( 4 ) 非磁量的测磁法的研究和应用。 总而言之，为适应日益发展的需要，对磁场测量技术中的一些理论问题和新 的测磁方法必须进行探讨，对磁场测量仪器的测量范围、灵敏度、精度和数字化、 自动化等方面也必须进一步研究和提高。 1 3 本文所做的工作 随着计算机技术、电子技术的深入发展，个人计算机( p c ) 应用越来越广泛， 测试技术与计算机技术、电子技术的深层次结合产生了虚拟仪器技术。本文所做 的工作就是把磁场测量技术与虚拟仪器技术相结合，从软、硬件两个方面，深入 探讨了以计算机、数据采集卡( p c d a q ) 为体系结构的基于虚拟仪器的空间动态磁 场测量装置的设计与实现，具体工作如下所述： 提出了通过对磁场中各点进行采集、分析、处理，进而完成磁场分布测量的 方法： 在已有检测线圈设计理论的基础上，提出并完成了三维检测线圈的设计，实 践证明该设计弥补了单一线圈测量的不足，测量精度大大提高； 采用虚拟仪器的设计方法和基于p c 总线的数据采集卡( d a q ) 仪器结构，设计 出了磁场测量系统； 完成了信号调理板的设计、制作与调试，经系统性能检验，运行良好： 对基于l a b v i e v 软件平台的测量系统软件进行编制与调试，包括用户界面的 设计，算法程序的连接，实时测量曲线显示，数据的存储及平面上磁场的重 等： 第4 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 2 1 空心圆柱线圈磁场强度b 分布的理论计算 至今为止，我们对动态磁场的磁场强度b 分布的理论计算仍然没有十分成熟 且简单的成套算法。下面将简要介绍一种磁场强度b 分布的计算方法，虽然能 在一定的精度范围内从理论的角度上描述磁场的分布，但是它的缺点都是计算量 特别大，在人工计算的范围内几乎是不可能实现的，它需要通过计算机编程完成 大量的数据计算。 2 1 1 磁场强度b 分布计算的理论基础 毕奥沙伐定律： 稳定的电流产生稳定的磁场。表征磁场特性的基本物理量是磁场感应强度， 它是一个矢量，用b 表示，单位是t 。放在磁场中的电流元i d l ，将受到磁场的 作用力d f ： a f = i d l b ( 2 - 1 ) 这就是磁感应强度b 的定义式。 在无限大的真空中，当已知电流分布时，磁场中任意一点p 处的磁感应强度 可用毕奥一沙伐定律计算 即) = 鲁l 丛警岛( q ) ( 2 _ 2 ) 式中d v ( q ) 表示源点q 周围的体积元，该源点的电流密度是j ( q ) ：i t 是源 点q 到场点p 之间的距离，r o 是由源点q 指向场点p 的单位矢量；t o 是真空磁 导率，其值是4 石1 0 。7 h m ；积分下标v 是电流密度的分布区域。 上式中的积分区域取为体积v ，具有最大的广泛性和实用性。在实际的磁场 中，任何电流都是以一定的体积元分布而存在的，其它形式的分布例如面分布或 线分布实际上是不存在的。但是根据问题的特点，有时允许我们做一定的简化， 认为是面分布或线分布。这样做不仅能使磁场计算的工作量大大减少，而且其误 差也在允许的范围内。 2 1 2 磁场的存在性分析 这里要明确“存在”是什么含义。所谓存在是指描述磁场的常量在数学的意 义上可求，即是否可以用数值计算表达式表示出来。如果能做到，则称为磁场存 第5 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 在，否则称为磁场不存在。就是说必须从数学的意义出发讨论电磁场问题。下面 介绍三个结论： 结论1 ：当电流为体分布时，只要电流密度是有界的，那么不论场点位于何 处，磁感应强度总存在。 结论2 ：当电流为面分布时，如果曲面光滑切面电流密度是有界的，那么当 场点位于曲面s 之外时磁感应强度存在，反之当磁场点位于曲面s 上时磁感应强 度不存在。 结论3 ：当电流为线分布时，如果曲线光滑，那么当场点位于曲线外时，磁 感应强度存在，反之当场点位于曲线上时磁感应强度不存在嘲。 2 1 3 磁场分析和计算的方法 一般而言，磁场的分析和计算可通过以下三种方法来达到。 ( 1 )利用毕奥沙伐定律直接计算磁场。 ( 2 )通过求磁场的矢量磁位a 求磁场( b = v a ) 。 ( 3 ) 在无电流分布的单连域内解拉普拉斯方程v 2 = o 利用b = 一胁求磁 场。 在具体分析某一特定的磁场问题时，要仔细分析才能找到合适的方法。 对简单圆柱形线圈而言，磁感应强度的分量有以下特点： ( 1 )磁场无周向分量，b 。= 0 ( 2 )磁场的径向分量b 。是关于z 的奇函数，轴向分量b ：是关于z 的偶函数。 ( 3 )磁场的所有分量与坐标分量西无关。 圆环线圈是以线电流分布的单匝圆形回路，其几何形状最为简单圆环线圈在其 周围空间产生的磁场由线圈的半径尺寸和线圈中的电流唯一确定圆环电流在其 轴线上的磁场比较容易计算，若要计算其周围空间任意一点的磁场，就要遇到椭 圆积分。 图2 - i 第6 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 设半径为r 的圆环线圈中通过电流i ，圆环平面位于直角坐标平面x o y 上， o 为圆心，p ( x ，y ，z ) 为空间任意一点，如图2 - 1 所示。l 为圆环回路，d l 是导 线上任意点0 ( x ，y ，z7 ) 处切线矢量的微分，其方向和该点处的电流方向相同r 是点q 到点p 的矢量。 d l = d x 7 i + d y 7 j + d z k ( 2 - 3 ) r = ( x - x ) 2 + ( y - y ) 2 + ( z - - z ) 2 1 “ ( 2 4 ) 为计算方便，采用柱坐标系，由于圆环电流的磁场是轴对称的，不失一般性，可 假定空间任意点p 在坐标平面x o z 上，p 点坐标为( p ，0 ，z ) 从圆环上任一点 q ( r c o s0 ，r s i no ，0 ) 到p 点的矢径为： r ( q ，p ) = ( p r c o s0 ) i + ( o - r s i n0 ) j + ( z 一0 ) k ( 2 - 5 ) 矢径长度 r ( q ，即= ( p r c o s e ) 2 + ( 一r s i n g ) 2 + z 2 = 户2 + r 2 + z 2 2 p r c o s ? ( 2 6 ) 柱坐标系式2 - 3 表示为 d l = 丑( 一s i n h e 口+ c o s s e 口) d g ( 2 7 ) 式中：是点q ( x ，y7 ，z ) 处的周向单位矢量。将式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 带入 ( 2 - 2 ) 得 砌，o ，加鲁砖焉 浯8 ) 式中：被积函数项s i no 是关于0 的奇函数，积分结果等于零；被积函数项c o so 是关于的偶函数，设0 = 弧一2 ，则： c o s o d g = 2 ( 2 s i n 2 口一1 ) d a ( 2 9 ) 带入( 2 8 ) 化简得： a ( p , o ，力：业卜j 垫兰型l 呷， ( 2 - 1 0 ) 石。【( 尸+ r ，2 + z 2 廿 1 一乙蔫s m 2 口 ； 记： ( 2 - 1 1 ) 要兰一第 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 1 2 m 习i 锄口：e ( 七) 式( 2 1 0 ) 简化为： 如，o ，加等厨”等) k ( d - e ( k ) 卜( 2 - 1 2 ) 其中：k ( k ) 、e ( k ) 分别称为第一类和第二类完全椭圆积分，a 就是圆环线圈 的矢量磁位，根据式( 2 2 ) ，只要对a 求旋度就可以得到b 。求旋度是需利用第 一类、第二类完全椭圆积分的导数公式： d k ( k ) d k = e ( k ) ( k o - k 2 ) ) - k ( k ) k a e ( k ) a k = ( 后) 一k ( k ) ) k 圆柱坐标系下旋度公式： v 4 = ( 吉等一警弘，+ ( 誓一参) ”吉高c 沪斟：( 2 - 1 3 ) 将( 2 1 2 ) 带入( 2 1 3 ) 得 b ：三堕一堕：一堕：一丝丝(2一o 1 4 ) p0 0 艮8 z o k 出 碰志_1-k(k)-12z ，鱼( r - p 磐) + 9 2 删 亿 k p + r ) z + z ： pl 2 。j b o = 0 ：一a 以印= 0 ( 2 1 6 ) 见= 形【a ( 。) a p o a p 0 0 = 等南卜+ 篇( r - + 2 2 i 浯m 2 石 k p + r ) ：+ z z p l 、。 p ) 2 、。j 实际使用中，直角坐标系较为方便，因此对于给定的任意点p ( x ，y ，z ) ，先转换 坐标系为p ( p ，0 ，z ) 带入式( 2 - 3 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 3 ) 计算，得到b 在圆柱坐标系 下的分量，再转换回直角坐标系，得到直角坐标系下圆环线圈周围空间任意点的 磁感应强度b ，b 包含( b x ，b y ，b z ) 3 个分量，记为：b = ，p g ，y ，z ) 】”1 。 第8 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 2 2 电磁场的检测 2 2 1 当前磁测量传感器的特点及分析 基于不同物理效应的磁测量传感器有很多，根据被检测磁场的性质和检测 要求，需要采用不同的磁场传感器。目前，最常用于低频磁场测量的传感器按 其测量仪器的物理原理大致分如下几类：磁力仪、电磁效应式、感应式、磁通门 式、核磁共振式、超导式和磁光式。而其中感应式最为常用的有霍尔元件式和 感应线圈式两种”1 。 ( 1 ) 霍尔元件原理及特点 把载有电流的半导体放在磁场中时，半导体会发生横向磁场电现象，即在 垂直于磁场和电流的方向产生电动势；称这种现象为霍尔效应。 在如图2 2 所示的半导体薄片儿的长度x 方向上通入电流i c ，在厚度z 方向上 施加磁感应强度为b 的磁场，则在宽度y 方向上会产生电动势u h ，其大小可以 表示为：u m = r h d + i c + b 其中，r h 称为霍尔系数，d 为半导体材料厚度 图2 2 霍尔效应原理图 霍尔元件是利用霍尔效应制成的，典型例子就是我们经常用到的特斯拉计。 霍尔元件的优点是：既能测量恒定磁场又能测量随时间变化的磁场。且灵敏度 高、线性度好。但是，霍尔元件也有诸多缺点：首先它是是易损件，保管、使 用中绝对不能受到挤压、弯折、碰撞等机械应力，否则，会造成测量误差或永 久性损坏。其二，霍尔元件的半导体材料受温度的影响很大，工作温度范围比 较窄。其三，霍尔元件的价格比探测线圈磁传感器要高的多。另外，霍尔元件 还有一些固有的问题，如零位误差、霍尔电势和内阻存在一定的温度系数，并 且受控制输入电流的影响。最重要的是，要实现空间“点”磁场值的测量，其 第9 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 敏感元件尺寸的大小受到限制，这直接影响到测量的准确度。 ( 2 ) 感应线圈的特点 感应线圈在很宽的温度范围都有很好的稳定性，且灵敏度高、线性度好、 温漂小，同时也可以根据被测磁场的形态和分布选定线圈形状和几何尺寸，例 如，在常见探测线圈中，环形线圈可用于测量永磁样品的磁通，盘形线圈则用 来测量狭缝磁场和电器元件的空间漏磁通。根据检测磁场的变化特点和检测要 求，在交变磁场测量系统中宜采用圆柱形线圈作为磁场传感器，此种传感器的 不同放置方向可实现对磁场分量的测量，而且作为一种差分式探头工作时，对 所需检测的磁场信号很敏感，大大提高了抗干扰的能力。通过对其尺寸的精心 设计，这种传感器可以满足“点”磁场测量的要求”。 但是测量原理决定了感应线圈只能测量动态磁场，而不能测量恒定磁场。 2 2 2 “点”磁场检测线圈的参数计算 检测线圈是以法拉第电磁感应原理为基础的磁传感器：把一个测量线圈置 于被测磁场中，当线圈相对磁场做机械运动或磁场本身发生变化时。耦合到该 线圈中的磁通量发生变化，从而在检测线圈中产生感应电动势： t ：丝 毋 ( 2 1 8 ) 将上式对时间积分可得磁通的变化量，它与被测磁场有关。 现假设将一匝数为n 、截面积为s 的探测线圈置于磁感应强度为b 的轴向 磁场中，并且被测磁场随时间正弦变化，则线圈中的感应电动势可按下式确定： t 。 酷譬c 时 佗。1 9 ) 式( 2 1 9 ) q a ，n s 是常数，称为线 圈常数，它和线圈的灵敏度相关。因 此可直接测量线圈两端的电压信号， 从而确定磁感应强度b 。在交变磁场 测量技术中，正是根据式( 2 1 9 ) 的基本 原理，采用线圈式磁传感器测量磁场 信号，从而完成对交变磁场的定量检 测。 检测线圈( 图2 ，3 ) 是在一定形状 图2 - 3 圆柱形感应线圈削面图 的骨架上绕有匝数为n 的线圈，其几何尺寸要根据被测磁场形状选定。一般要 求线圈的年稳定性要小于0 0 1 ，因此线圈骨架的材料需要选用线膨胀系数小 的，如石英、聚四氟乙烯、有机玻璃等非铁磁性材料。众所周知，由探测线圈 第1 0 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 所测定的磁感应强度，是线圈内的平均磁感应强度，为了减少因磁场不均匀造 成的误差，对空间某一点上的磁场值进行测量，当探测线圈所涉及的区域过大 时，耦合到线圈内，所以应当采用截面积小的探测线圈，使探测线圈所限范围 内的磁场能被看作是均匀的，测量的结果可作为点磁场值。 但是，若探测线圈的截面积太小，又会降低测量的灵敏度。因此，在设计 探测线圈时，考虑上述因素，设计了一种圆柱形的感应线圈式磁传感器，使之 满足一定尺寸要求，保证线圈内部的平均场与其几何中心的磁场值相等，那么 所测得的值就为线圈中心的“点”磁场值。下面我们就来谈谈检测线圈具体的 尺寸要求嘲。 2 2 2 1 检测线圈的尺寸要求 如图2 3 所示，假设一个圆柱形感应线圈的内径为d ，外径为d ，长为l ，绕线 匝数为n 。以线圈中心点为坐标原点( 0 ，0 ，o ) ，坐标系z 轴与线圈轴线重合。将 磁感应强度b 在线圈中心点附近展开为麦克劳林级数，其中屁( 0 ) 表示中心点的磁 场，则有： 嘶 加e 即，+ g 昙+ ，参+ z 割喇+ 壶p 丢+ y 扣小+ + 去( x 昙+ y 斋+ z 昙 c o h ( 2 - 2 0 )+ 雨f 瓦+ y 面竹刮趴o ) + 设线圈的横截面积为s 。，剖面面积为s 。，体积为v ，则总的磁通量为： 扛幽筠豳： = 面两2 n ! r ( d 。- 。d ) ) ，2 ! f 吃西 ( 2 2 1 ) 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 1 ) ，由于线圈形状的对称性，x 、y 、z 奇次幂项正负 抵消，没有磁通，并考虑到线圈是对不存在传导电流的无源区进行测量，则矢量 场b 的散度和旋度为零( 即v b = o ，v b = o ) ，是调和场，它满足拉普拉斯方 程： 百c 3 2 b + 窑+ 窖：o ( 2 2 2 ) 矿+ 矿+ 可2 0 2 忽略比二次项小得多的四次以后的高次项，则式( 2 2 2 ) 通过积分变换后得： 第1 i 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 m 疆n 、d 2 + 删+ 纠c 彤c 卟等学“寺2 杀c 暑吕簪啪( 2 - 2 3 ) 如果上式右边的第二项为零，即： 上3 d2 0 ( 2 - 2 4 ) 则当检测线圈的几何尺寸满足上述关系时，线圈的总磁通量就只与其中心点 处的磁场相关，此时所测得的是线圈中心的“点”磁场值，其方向与线圈轴向平 行棚。 另外，还有资料显示当我们绕制单匝线圈时只要是骨架的直径d 与线圈的长 度l 的比值为3 4 8 6 ，那么我们也可以近似认为检测线圈检测到的磁场强度为线圈 中心点处的磁场强度。 2 2 2 2 检测线圈常数的确定 利用满足一定尺寸要求的感应式磁传感器测量空间“点”磁场，线圈常数是 个很重要的概念，因为它和检测的灵敏度有关。根据上述分析，如果线圈是单层 线圈，它的线圈常数可按下式计算： 懈：州掣( 2 - 2 5 ) 4 式中，卜线圈导线的直径； d _ 线圈骨架的直径 如果是多层圆柱线圈，其线圈常数表达式； n s = - 万n ( d 2 + d 口+ d 2 1 ( 2 2 6 ) 感应线圈的几何尺寸和匝数设计确定后，线圈常数也就定了，在实际设计尺寸时， 应综合考虑l d 和n s 值，保证实现“点”磁场测量传感器的最优化设计“”。 2 3 虚拟仪器系统 2 3 1 仪器的发展历史 测试理论和技术的发展经历了早期、初期、中期和近期四个阶段。在早、初 期阶段主要是以模拟测量为主：中期阶段是以数字电子技术为基础，最重要的是 采样技术的应用：近期阶段是以智能仪器技术的发展、微计算机技术在测控领域 的应用为标志。相应的，测试仪器由最初的模拟指针式仪器、分立元件式仪器、 第1 2 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 数字式测量仪器发展到现在的智能化仪器和最被看好的新型仪器一虚拟仪器。 每一类仪器的出现和发展都与当时的实际需求以及理论技术条件息息相关，因而 具有各自鲜明的特点。 ( 1 ) 模拟指针式仪器 模拟指针式仪器是早期的一类测试仪器，它是依据电磁感应等基本定律为原 理而设计的。其基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果，通常有表 盘式的外观，人工操作和读取指针示值。该类仪器功能单一，通常精度较低，易 受环境影响，仪器标定繁琐，并且测量误差中人为因素所占比例较大。此类仪器 现在仍在某些场合中使用，但己在逐步淘汰中。 ( 2 ) 分立元件式仪器 2 0 世纪5 0 年代由于电子管、晶体管的出现产生了分立元件式仪器，其基本结 构是由分立电子元件构成，由于使用了放大器使得仪器的测量范围和准确度得到 了提高。该类仪器仍属于模拟式仪器。 ( 3 ) 数字式仪器 2 0 世纪7 0 年代由于集成电路芯片的出现产生了数字式仪器。这类仪器主要是 基于数字电子技术，比分立元件式的仪器大大缩小了体积，电路结构的模块化使 在同等的体积下，数字式仪器拥有更多的功能。通常是将模拟信号通过a d 转换 为数字信号后进行测量，并以数字方式输出最终结果，大大降低了测量误差中的 人为因素。但总的来说，数字式仪器的测量功能还是有限的。 ( 4 ) 独立式智能仪器 独立式智能仪器简称智能仪器，出现于2 0 世纪8 0 年代，是以单片机等微处理 器为核心构成的电子仪器。它能够在微处理器控制下自动完成实现一系列测量功 能，比如自动量程转换、自校零和定标，并可以计算、处理、显示、打印以及传 输测量结果等。其在结构上自成一体，智能化程度高，因而使用方便。通常这类 仪器都带有通用仪器总线接口，从而多个不同功能的智能仪器通过通讯接口可以 构成功能更加复杂的自动测试系统。目前，大多数传统的电子仪器已有相应的智 能化仪器的替代产品。随着在智能化仪器中数字信号处理技术的广泛应用，以及 微处理器性能的不断提高，智能仪器正向小型化、多功能、低功耗、易操作等方 向发展，其应用市场十分广阔。但是，由于其功能模块主要是以硬件和固化软件 的形式存在，所以它的开发和应用的灵活性、可变性较差“”。 ( 5 ) 虚拟仪器 虚拟仪器是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念仪器，是对传 统仪器概念的重大突破。它最早是以p c 仪器的形式出现，即在微计算机上插接测 试用的硬件设备，利用微计算机的强大数据处理、显示、存储等功能，大大提高 了仪器的自定义能力。经过二十多年的发展，这类仪器设计思想逐渐成熟，与之 第1 3 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 相关的硬件、软件技术都日益完善，相应的仪器标准应运而生，例如由美国n i 公司发起制定的p x i 总线标准等。由于虚拟仪器紧紧依托于微机、自动控制、微 电子和现代通讯等技术的飞速发展，从而成为当前最具有生命力的仪器种类。 2 3 2 虚拟仪器介绍 由于电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的高度发展及其在电子测 量技术与仪器上的应用，新的测试理论，新的测试方法，新的测试领域以及新的 仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器的概念。电子测量仪器的功 能和作用发生了质的变化。在这种背景下，出现了全新概念的仪器种类，虚 拟仪器。 总的来说虚拟仪器是以微计算机为核心，辅以一定的硬件设备，用通用或专 用软件开发实现仪器功能的软件系统，提供对测量数据的分析、处理和显示等功 能的新型仪器。该种仪器完全具备普通仪器的功能，同时又增加了一般仪器所没 有的特殊功能。 与智能仪器不同的是，虚拟仪器是以个人计算机为核心，具有一机多功能的 特点，而且由于它多是在w i n d o w s 等操作系统平台上运行，可以同时运行多个软 件，所以一台微机可以做多种仪器的功能扩展，构成虚拟集成仪器“”。 2 3 3 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器与传统仪器相比具有很多优势，如表2 1 所示。 第“页 第= 章磁场相关理论及虚拟仪器 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 与其他仪器设备的联接十分有限面向应用的系统结构，可方便地与网络 外设等连接 图形界面小，人工读数，信息量小展开全汉化图形界面，计算机读数、分 析、处理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分 软件是关键部分 价格昂贵价格低廉 系统封闭，功能固定，扩展性低基于计算机技术开放的功能模块，可构 成多种仪器 开发和维护费用高基于软件系统的结构，大大节省开发维 护费用 技术更新慢( 5 1 0 年)技术更新快( 1 - 2 年) 多为实验室等部门所拥有个人可拥有一个实验 由表中可见，虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的优点，从而成为仪器发展的 未来趋势。1 。 2 3 4 虚拟仪器系统结构 和传统仪器一样，虚拟仪器也是由三部分组成，如图2 - 4 所示，即被测信号 的转化及调理部分，信号分析处理部分，测试结果显示等后处理部分。 图2 - 4 仪器通用结构示图 对于传统仪器，除了智能仪器中数据分析处理部分可由软件实现外，三个部 分几乎都由硬件完成，而对于虚拟仪器，后两个环节完全是由软件完成。与传统 仪器的设计相比较，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量、复杂性大 大减小。这些特点都与其结构有关。 虚拟仪器的硬件结构如图2 5 所示，它主要是以微计算机为核心，在其基础 第1 5 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 上扩展了不同类型的硬件设备构成不同类型的测试仪器，如常用的以数据采集卡 ( d a q ) 为主要辅助硬件的虚拟仪器。 从图2 5 还可以看出，支持虚拟仪器的硬件种类很多，这大大丰富了虚拟仪 器的功能。虚拟仪器生产厂商不断增加硬件的种类、提高硬件的功能，并制定各 种硬件标准( 如p c i 总线标准等) ，以协同各个生产厂家的产品设计，更方便用户 构建自己的测试系统。 叫信号调理卜_ 叫数据采集卡 _ + 叶g p i b 仪器l + 叫g p i b 接口卡卜一 测 控 1 7 l iv 届珑仪葡1 总线仪器 p c 机，工作站 对 卜 测试软件 象 - i串行口仪器 现场总线设备 | i 图像采集( d s p ) 图2 - 5 虚拟仪器的硬件结构 2 3 5 虚拟仪器的软件开发平台 构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实 现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，提高计算机软件编程的效率意义重 大。 虚拟仪器系统的软件主要分为4 层：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和 i 0 接口层。作为开发虚拟仪器软件的工具平台，必须使设计出的以上软件层具 有鲜明的“即调即用”特征，并且确保用户能用以完成整个系统中所有软件部分 的开发工作。目前比较流行的软件开发技术是面向对象的编程技术和图形编程技 术，两者在虚拟仪器开发中都有应用。 使用面向对象技术能够灵活地根据项目的实际情况开发出适合的软件，但对 普通用户而言，在短时间内能够熟练运用存在一定困难。可视化编程语言环境 v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c ，及r a d ( 快速开发工具) 如c + + b u i i d e r 的推出，向简 化计算机编程迈出了可喜的一步。 第1 6 页 第二章磁场相关理论及虚拟仪器 图形编程环境是软件工作中最流行的发展趋势，为广大普通用户开发虚拟仪 器软件提供了便利。以美国n i 公司的软件产品l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 为代表 的虚拟仪器专用开发平台是当今流行的集成开发工具。这些软件开发平台提供了 强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供 的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟仪器的设计工作“。 2 3 6 基于p c 总线虚拟仪器必须解决的问题 在计算机的发展史上，没有一种计算机的普及和发展超过p c 机，因此，尽管 p c 机具有数据传输速度慢的缺点，但p c 机拥有强大的硬件基础、广泛的软件支持、 众多熟练的用户以及低廉的价格等等，使得基于p c 总线