（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的空间动态磁场测量装置的设计.pdf

摘要 摘要 虚拟仪器是随着计算机技术、现代测量技术发展起来的新型高科技产品，代表 着当今仪器发展的新方向。磁场测量技术是研究与磁现象有关物理现象的重要手段， 已经逐渐成为了一门独立的学科。 本文详细介绍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 测量的设计过程。提出了基于数据采集卡的硬件平台，在l a b v i e w 虚拟仪器软件 环境下，进行测量系统的开发设计方案利用计算机的强大功能，进行数据处理，实 现了实时测量曲线显示、大容量数据的存储及平面上的磁场重建等功能。 本文首先介绍了磁场测量方法与测量仪器研究的发展概况，接下来介绍了本测 量装置设计理论依据和虚拟仪器的概况，然后队硬件平台的原理、设计和实现加以 介绍。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，提高了测量精度。在第四章，介绍了软 件系统的总体设计、相关技术和具体功能的设计实现。最后，进行了课题的总结。 关键词磁场测量；虚拟仪器；l a b v i e w ：数据采集；磁场重建 a b s t r a c t i t l l a “n s 协l m e n t a t i o ni sak i n do fh i g h - t e c hp r o d u c ta p p e a n n gw i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm o d e m t e s ta n dm e a s u r et e c h n o l o g y i tl sa n e wd l r e c t l o n o fi n s t m m e “t a t i o n 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 y r e s e a r c ha n dm a g n e t l c p h e n o m e n a a r er e l a t e dt oa ni m p o r t a n tm e a n so fp h y s i c a lp h e n o m e n a ，h a sg r a d u a l l y b e c o m ea ni n d e p e n d e n td i s c i p l i n e t h i sp a p e ri n t r o d u c e si nd e t a i lt h em a g n e t i cf i e l dt h r o u g h t h ev a r i o u sp o l 觚mt n e c o l l e c t i o n ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n g ，a n dt h e nc o m p l e t e t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n to fm ed e s i g np r o c e s s b a s e do nt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dh a r d w a r ep l a t t o m ， i nt h el a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ee n v i r o n m e n t f o r t h ed e v e l o p m e n to t m e a s u r e m e n ts y 吼e md e s i g nu s i n gc o m p u t e rp o w e r t oe a r l yo u td a t ap r o c e s s l n g ，r e a l t l m e m e a 娜e m e n tc u r v e ss h o w e dt h a th i g h c a p a c i t yd a t as t o r a g e a n dp l a n ef u n c t l o no f m a g n e t i cf i e l dr e c o n s t r u c t i o n t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e sam a g n e t i cf i e l dm e a s u r i n gm e t h o d sa n d m e a 8 岫n g i n s t n 】m e n t so fd e v e l o p m e n ts t u d i e s ，f o l l o w e db y i n t r o d u c t i o no ft h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ed e s i g no fm e a s u r i n gd e v i c e sa n d a no v e r v i e wo fv i r t u a li n s t r u m e n t s ，a n d t h e nt o r c e t h ep r i n c i p l eo fh a r d w a r ep l a t f o r m s ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nt oi n t r o d u c e ln e e x i s t i n gd e s i g nt h e o r yd e t e c t e dc o i lo nt h eb a s i so f t h ep r o p o s e da n dc o m p l e t e da t h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nc o i ld e s i g n ，t h ep r a c t i c ep r o v e d t h a tt h ed e s i g nm a k e su pf o r l a c ko fas i n g l ec o i lm e a s u r e m e n t s ，i m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y i nt h ef _ o u n n c h a p t e r ，t h ei n t r o d u c t i o no f s o f t w a r es y s t e m sd e s i g n ，r e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n ds p e c l 士1 c f e a t u r e so ft h ed e s i g ni m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y ，as u m m a r yo f t h es u b j e c t 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 ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；l a b v i e w ； d a t aa c q u i s i t i o n ；m a g n e t i cf i e l dr e c o n s t r u c t i o n 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢斟 工。7 年6 月占日 指导教师签名： 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 留，不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 指导教师签名： 圳匆 年6 只吕b 第1 章绪论 第1 章绪论 现今社会中磁场测量技术的应用已深入到工业、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 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，为适应闷益发展的需要，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 1 课题研究的背景 1 1 1 磁场测量技术发展历程 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f 2 j 。 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： 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深潜和侦察武器等，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 l 河北科技大学硕士学位论文 高科学技术的发展，埘磁场测量t - 7 - ；1 h j 、时i h j 、形念，难确度等疗而郁提出了殳 i i ! f 刻的要求。同时由子这时期f 乜f 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 年就已发现的霍尔效应，由于受到材料的限制，“ 至1 9 5 9 年才制成第一个商品化的樾尔器件，i 酊剑1 9 6 0 年仪年多时f n j 单就发埏成 近百种。到目前为争， l ；尔效应磁强汁已成为通用型的磁场测量仪器，广泛应用于 测量各种问隙磁场，包 耐i i 定的j 交变的各种彤念磁场。其它如磁阻效j 髓器件和磁 敏器件等也台很大发胜。川时，近年来由于激光和光导纤维技术的发展，大大提高 了利用磁光效应测最磁场的忧越性、由于法拉第效应对环境温度，雯化小父敏i 火l 此 特别适用于测量超导姒磁场剃等离子磁场，存高压电线的无接触测f f 中也f j ：畦要心 用。 现代物理学的成就以：磁场测皱叶，的应用，自呵能j j 原f 内部的参数为基准水绝 对准确地测量磁场。从而彻底改变了经典的磁场测最的概念。两项铁诺贝尔物理 奖盒的物理效应的发现，刈磁场测f l = 水平的提高具仃划时代的意义。其中一项怂： 1 9 4 6 年由布洛赫和柏农尔l i i 】l j 、j 发脱的核磁共振现缘，使磁场测最的准确发达剑1 0 一 t ；另一项足，1 9 6 2 年i ) 嘲剑桥人学的研究卜约显：犬逊预高的超吁隧道效心，并于 次年得到了实验 ：的t i t - 实，从i 史磁场测鼠的卜限达剑1 0 5 t 。随符高濉超呼材料f n 突破，为超导效应的，“泛心用创造了条件p j 。 1 1 2 仪器的发展历史 测试理论和技术的笈腱绛历厂早期、初期、r f l j , o j h 近期四个阶段。存l l l 、初j f j 阶段主要足以模拟测* 为1 三；r l j o j 阶段是以数。电子技术为毖础，蜮j r 篮的灶采样 技术的应用；近期阶段j 亡以智能仪器技术的发腱、微计算机技术台i 测挖领域的j 衄川 为标志。相应的，测试仪器最初的模拟指针j = 弋仪器、分口j t ： f - t ：武仪器。 数字式测量仪器发腱j 列现n ：的钳能化仪器和最被看好的新型仪器一虚拟仪器。 每一类仪器的川现和发腱挪与彳q 钏寸的实际需求以及罔! 论技术条件息息榭关，wl f r f j 具自各自鲜明的特点。 1 模拟指针式仪器模拟指钊式仪器足早期的一类测试仪器，它足依捌i l l 磁燃 应等基本定律为原理i 甜设计的。j c 毖本结构怂电磁机械式的，借助指针米b 1 2 乃最终 结果，通常有表盘式的外观，人一l 操f f a h 读取指针示他。该类仪器功能率，通常 精度较低，易受环境影响，仪器标定繁琐，并1 i 测量误筹中人为冈素所占比例较人。 此类仪器现在仍在某些场合 一使川，但已分逐步淘汰l f j 。 2 分立元件式仪器2 0i i f = 纪5 0 印代由f 电了管、品体l ；的 n 现，犯，t - j - 分讧几 件式仪器，其基本结构j 士分赢l uf 元件构成，于使 1 j 了放人器使得仪器的测镰 范嘲和准确度得剑了捉t ：s 。该类仪器仍属于模拟j l = 仪器。 2 第1 章绪论 3 数字式仪器2 0 毗纪7 0 年代由于集成电路芯片的 “现产：，1 ：了数字式仪器。 这类仪器主要是基于数。，i 毡子技术，比分立e 件式的仪器人大缩小了体移 ，电路结 构的模块化使在同等的体移 下，数字式仪器拥囱。更多的功能。通常是将模拟信 迎 过a d 转换为数宁信号f i j 进i ：测鞋，并以数宁方式输_ f f ：最终结架，大大降低了测：i = 误差中的人为因素。化总的来说，数字式仪器的测量功能还足仃限的。 4 独立式智能仪器独立式钾能仪器简称错能仪器，出现于2 0 出：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。它能够存微处删器控制卜i g 动完成 实现一系列测量功能。比如自动i 芷氍转换、自校零和定标，并可以计算、处理、显 示、打印以及传输测嫩乡l l f 聚等。其红结构上自成一体，钳能化利度t 留，1 人| f 刖史j | j 力 便。通常这类仪器都1 p f i ，t - 1j 通 h 仪器总线接口，从而多个不同功能的智能仪器通过迎 i ；l i 接口可以构成功能娅肌复杂的f l 动测试系统。目静，人多数传统的i u 。，| 仪器l 彳j - 相应的智能化仪器的错代产品。随看存智能化仪器i 一数7 信号处理技术i i , j r “泛应川， 以及微处理器性能的f i 断提高，纠能仪器证向小型化、多功能、低功耗、易操作臀 方向发展其应用1 1 j 场i 。分广阔。框l 足i j 手其功能模块主要足以硬件和川化软件的j 杉 式存在，所以它的开发捌应j 1 1 的又活 ，k 、可变性较差h 。 5 虚拟仪器虚拟仪器足计筛机技术同仪器技术深层次结合，托生的个新概念 仪器，是刈传统仪器概念的重人突做。它最1 1 是以p c 仪器的形式 f j 现，【! | jn ：微计 算机卜捅榆测试用的艘什改备，利j | 】微计算机的强大数抛处理、显示、存储等功能 火人提高了仪器的自定：之能力。纯过：十多年的发腱这类仪器设计心慰逐渐成热， 与之相关的硬件、软什j 乏术都r l 益充善，相j 遍的仪器标准成返j 何乍，例f n l 火n i 公司发起制定的p x i 总线标准等，由f 虚拟仪器紧紧依托1 ：微机、r _ j 动e - ；l i i l 、微f u 子和现代通砒等技术的1 5 i 速发腱，从l f l j 成为当i j ，j 域具有乍命力的仪器种类。 1 1 3 磁场测量的方法 磁场测毓技术所涉及的池l t 4 t i , ! j “，从被测磁场姓嫂范j i ；i 看，它丌j 以从1 0 一t 令l o 州以上；从其频率石，它包括“流、l ：频、高频、及各种脉冲；从测遂技术所j 近j t j 的原 理来看，它涉及剑电磁效i 澎、光磁效心、压磁效心、热效应等符利- 效应；从测i t l - - i t 所 采用的技术来看，它也j 指针仪表、数字仪表直伞电f 计算机的系统测l i 。 1 1 4 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、电子技术嗣i 物雕学的j , l i i t li ：建移起来的。磁场测 量涉及的范嗣很广，测；t 妁，j 万泛：很多。亟篮的爿：有发腱d 仃途的办泄锄 卜： l 电磁感应测试技术是。种堰丁法j = 扛筇定f l - i l t i 经腆i f l j 又筋i 、f 1 的测磁办法。感 应电门i j 磁场强度成i l ：比，能够“接测量与探测线嘲交链的磁通变化，从i f l j 能够测 3 河北科技大学硕士学位论文 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( e 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目其测量精度还与磁 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 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，这自接影响到测量的准确度。 4 磁通门测试技术是利用高导磁铁心在饱和突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f - j n 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境 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、可连续测量和组对测量，并具有直 读或自动记录的特点，主要用在测量5 奉1 0 击t 至1 0 刁t 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 4 第1 章绪论 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 。5 t 的极弱磁场【5 j 。 1 2 本课题的主要研究内容 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： l 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； 2 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； 3 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； 4 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； 5 对基于l a b v i e w 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建等。 5 河北科技大学硕十学位论文 第2 章磁场相关理论及虚拟仪器 2 。l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 分有计算的理论基础 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 妒 d f = i d l 宰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 处的施感应强度可 用毕奥沙伐定律计算 b ( p ) = 笔厂竿d 坎9 ( 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 ( 9 ；尺是源点q 到场点尸之间的距离，r 是由源点9 指向场点q 的单位矢量；是真空磁导率，其值 是4 7 r x1 0 h m ；积分下标1 ，是电流密度的分布区域。 上式中的积分区域取为体积”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，则称为磁场存在否 6 第2 章磁场相关理论及虚拟仪器 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l ：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 之外时碰感应强度存在，反之当磁场点位于曲面s 上时碰感应强度不 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c 6 j o 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彳求磁场( 萨欧彳) 。 3 在无电流分布的单连域内解拉普拉斯方程夕妒m = o 利用b 2 叫d 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，吃- - 0 2 磁场的径向分量既是关于z 的奇函数，轴向分量吃已是关于z 的偶函数。 3 磁场的所有分量与坐标分量伊无关。 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 1圆环线圈磁场计算示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h em a g n e t i cf i e l dc a l c u l a t i o no f c o i lr i n g 7 河北科技大学硕士学位论文 设半径为r 的圆环线圈中通过电流厶圆环平面位于直角坐标平面x o y 上，0 为 圆心，尸 彤z ) 为空间任意一点，如图2 1 所示。为圆环回路，是导线上任意点 q ( 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。，是点q 到点p 的 矢量。 dj ，= d x ，+ 妙7 。，+ 出七 ( 2 3 ) r = 陋，) 2 + ) 2 + z 吃州胆( 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， 可假定空间任意点尸在坐标平面x o z 上， 尸点坐标为( p ，0 ，z ) 从圆环上任一点 q ( 尺c o s0 ，r s i n0 ，o ) 到p 点的矢径为： r ( q j 一= 一rc o s o ) 什( 0 一r s i n 缈，+ 一o ) k ( 2 - 5 ) 矢径长度 r ( q 尸) = p rc o s d 2 + ( r j i n o ) 2 + z 2 ( 2 6 ) 柱坐标系式2 - 3 表示为 d ，_ r ( s i no e o + c o s o e o ) d o ( 2 7 ) 式中：e o 是点q ( x7 ，z ) 处的周向单位矢量。将式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 代入( 2 2 ) 得 a ( p ，仍z ) = 1 4 z o 盯朋r 2 i r 矿( - + s i f no e 即o + c 月。铆s o e o 卅) d ；o ( 2 - 8 ) 式中：被积函数项s i n o 是关于0 的奇函数，积分结果等于零；被积函数项c o s o 是关于0 的偶函数，设o = - 7 r - 2 a ，则： c o s0 d o = 2 ( 2 s i n a - 1 ) d a ( 2 9 ) 代入( 2 8 ) 化简得： 砸炒竽名赢辫印 ( 2 - l o ) 记： 8 ( 2 - 1 1 ) 厥争 l l = 吁丽 第2 章磁场相关理论及虚拟仪器 露，一k 2 s 舻础= e ( d 式( 2 1o ) 简化为： 地o ，z ) = 等后【( 1 一等) 砌) 一毗) h ( 2 - 1 2 ) 其中： 取助、以妨分别称为第一类和第二类完全椭圆积分4 就是圆环线圈的 失量磁位，根据式( 2 2 ) ，只要对彳求旋度就可以得到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 七= 以助( 尼( ，一旷) ) 一k ( k ) k d k ( k ) l d k = e 一k ) 豫 圆柱坐标系下旋度公式： v a g 。警一警) + ( 警警) 印+ 三岳( 印分等】乞( 2 - 1 3 ) 将( 2 1 2 ) 代入( 2 1 3 ) 得 易= 二1 警一百0 , 4 0 = - 警一筹警( 2 - 1 4 ) = # 1 0 i z 习i 1 卜砂一r 2 + p 2 _ z 2 i r - , o ) 2 + 7 2 堋】 ( 2 _ 1 5 ) ”防脚：+ 柙pr v v “1 p 7 b 0 2o & o z 一0 4 z f8 p = 0q 一1 6 ) 芝= 万1 掣幽0 0j =u20_打ll去卜(尼)+生篇层(尼)】(2-17)(r-p) 2 ，r 【( p + r ) 2 + z 2 】砉 l 、7 2 + z 2- v 。j 实际使用中，在角坐标系较为方便，因此对于给定的任意点p ( 五彤z ) ，先转换坐 标系为p ( p ，舅z ) 带入式( 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 ，砂，b z ) 3 个分量记为b = f p 阮彭矽 。 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j t o t j l 类：磁力仪、电磁效应式、感应式、磁通门式、核磁共振 河北科技大学硕十学位论文 武、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噶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 方向上通入电流七，在厚度z 方向上 施加磁感应强度为b 的磁场，则在宽度】，方向上会产生电动势妇，其大小可以表 示为u h = r h 7 d x l c x b 其中。尺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 f i g 2 - 2h a l l e f f e c tp r i n c i p l ed i a g r a m 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”磁场测量的要求四1 。但是测量原理决定了感应线圈只能测量动态磁 1 0 第2 章磁场相关理论及虚拟仪器 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： p ：掣 ( 2 1 8 ) d t 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、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，并且被测磁场随时问正弦变化，则线圈中的感应电动势可按下式确定： e = 一n s b c o c o s a t ( 2 19 ) 式( 2 1 9 ) ，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 ) 是在一定形状的骨架上绕有匝数为的线圈，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。 idi 1 1 r l jl l r 图2 3 圆柱形感应线圈剖面图 f i g 。2 - 3c y l i n d r i c a li n d u c t i o nc o i lp r o f i l e 但是，若探测线圈的截面积大小，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 l l 河北科技大学硕十学位论文 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 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吐外径为d ，长为，绕线 匝数为比以线圈中心点为坐标原点( o ，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，其中表示中心点的磁场则有： 芝 彭力= 忍( 。) + x o 0 j + z 刍吃( d ) + j l 八x 出o ，瓦0 + z 芝) 2 尾( d ) + + 磊1f x 瓦0 + y 姿j + z 关_ ) b z r o ) + ( 2 - 2 0 ) + 两p 瓦椤瓦+ z 影芝f 砂+ 。 设线圈的横截面积为s l ，剖面面积为。，体积为n 则总的磁通量为： 固= 啦 备2 = 历2 n ) 徽刃彳b z d v ( 2 - 2 1 ) i y = 一| 、 ： 一l l l ( ? j ( d - d 珈j v 将式( 2 2 0 ) 代人式( 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，是调和扬，它满足拉普拉斯方程： 尝+ 害+ 窘= d 。( 2 - 2 2 )瓠2j 如j 钯2 v 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： 舻毫n ( d 2 + d d + a g ) ( b x o ) + 等警( ( 铲面9l 丽i - ( o d ) s ) ) ) ( 2 - 2 3 ) 如果卜式右沩的笔二厢为零即 三 3 d 抵 ( 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1 。 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 1 2 第2 章磁场相关理论及虚拟仪器 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： n s = 瓦n 旺h 群| 4q 一2 5 ) 式中，出_ 线圈导线的直径： 口一线圈骨架的直径 如果是多层圆柱线圈，其线圈常数表达式 n s = 石7 1 ( d 2 切舟萨) ( 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 时应综合考虑三d 和n s 值，保证实现“点”磁场测量传感器的最优化设计n 2 1 。 2 3 虚拟仪器系统 2 3 1 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【1 3 1 。 2 3 2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。 表2 一l 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b 2 - 1v i r t u a li n s t r u m e n tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s 传统仪器i虚拟仪器 13 河北科技大学硕士学位论文 功能由仪器厂商定义功能由用户自己定义 由向应用的系统结构，可方便地与嗍络外设等连 与其他仪器设备的联接十分有限 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 基于计算机技术开发的功能模块，可构成多种仪 系统封闭，功能固定，扩展住低 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( ! - 2 年) 多为实验室等部门所拥有个人町拥有一个实验 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 4 1 。 2 3 3 虚拟仪器系统结构 和传统仪器一样，虚拟仪器也是e h - - 部分组成，如图2 - 4 所示，即被测信号的 转化及调理刻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 f i g 2 - 4g e n e r i cs t r u c t u r ed i a g r a ms h o w i n ga p p a r a t u s 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。 2 3 3 1 虚拟仪器的构成方式 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 ) g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口总线仪器等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 1 4 第2 章磁场相关理论及虚拟仪器 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。 + 信号调理卜_ 叶数据采集卡 一 + g p z b 仪器卜一g p z b 接口卡卜一 测 p c 机工作站 控 v x i 总线仪器 测试软件 对 象串行l 仪器 现场总线设备 图像采集( d s p ) 图2 5 虚拟仪器的硬件结构 f i g 2 - 5v i r t u a li n s t r u m e n t sh a r d w a r es t r u c t u r e p c d a q 系统：它是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组 成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或i s a 计算机本身的总线，故将数据 采集卡板( d a q ) 插入计算机的空槽中即可。 g p i b 系统：它是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。 v x i 系统：它是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。 p x i 系统：它是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪 器测试系统。 串口系统：它是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器 测试系统