專利名稱：基于LabVIEW的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于虛擬儀器技術(shù)LabVIEW的 三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀。
背景技術(shù)：
磁場(chǎng)的測(cè)量有多種方法，較為常用的有電磁感應(yīng)法、霍爾效應(yīng)法、核磁共振法、磁 通門法、磁飽和法、塞曼效應(yīng)法、磁阻效應(yīng)法、超導(dǎo)量子干涉器件法和磁光效應(yīng)法等?，F(xiàn)有的 常用工業(yè)測(cè)量磁場(chǎng)的方法基本上有兩種，一種是利用感應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)(線圈式)。如在亥姆 霍茲線圈上通以電流，利用亥姆霍茲線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過計(jì)算所得在亥姆霍茲 線圈某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。另一種是利用霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)(霍爾式)。根據(jù)測(cè)量霍爾元件上 的電壓來計(jì)算霍爾元件所在磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度?；魻柎艔?qiáng)計(jì)探頭小巧、使用方便，成為應(yīng)用最 普遍的一種磁場(chǎng)測(cè)量儀，但是其溫度穩(wěn)定性較差，線性度不好，價(jià)格相對(duì)較高，測(cè)量范圍較 小，精度一般在0. 5% -5%之間。電磁感應(yīng)法則具有良好的溫度穩(wěn)定性和線性度，以及測(cè)量 范圍大，精度可達(dá)0. 01 % -1 %，非常適用于較精密的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的測(cè)量?，F(xiàn)有磁場(chǎng)測(cè)量儀在測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)往往只能測(cè)量磁場(chǎng)大小，而不能顯示磁場(chǎng)方向，磁 場(chǎng)測(cè)量容易受到外界影響，不能直接運(yùn)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上進(jìn)行磁性產(chǎn)品檢測(cè)、計(jì)數(shù) 及自動(dòng)化操作。MWAX^^i'^fi-'R^a LabVIEff (Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器(Ni)公司研制開發(fā)的一種圖形化的編程開發(fā)環(huán)境，它可以 使我們以最少的成本、最快的速度開發(fā)出靈活、可升級(jí)的測(cè)試、測(cè)量與自動(dòng)化的應(yīng)用程序。 使用LabVIEW，工程師和科學(xué)家們可以采集到真實(shí)信號(hào)，分析數(shù)據(jù)以獲得有用的信息，并且 共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果和應(yīng)用程序，因而它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種高穩(wěn)定、高精度、小誤差的基于LadVIEW的三線 圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀，它能直接顯示待測(cè)微特斯拉磁場(chǎng)的大小及方向，并能運(yùn)用于工業(yè) 自動(dòng)化生產(chǎn)線上。本實(shí)用新型所提出的技術(shù)解決方案是這樣的一種基于LabVIEW的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀，包括直流電源、新型三線圈磁 場(chǎng)測(cè)量棒，待測(cè)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)，支架、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集卡輸出端與裝 有LabVIEW編寫的軟件的計(jì)算機(jī)輸入口相連接，還設(shè)有由支架支承的三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒， 該三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒的探頭位于所述待測(cè)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)中，該探頭信號(hào)輸出端與所述數(shù) 據(jù)采集卡輸入端相連接。所述三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒由探頭、高速電機(jī)、傳動(dòng)軸組成并由外殼包裹，高速電機(jī)輸 出軸通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)探頭高速旋轉(zhuǎn)。[0009]所述探頭由鐵芯、線圈、換向器、電刷組成，所述換向器由各占1/3導(dǎo)電金屬環(huán)的 第1、2、3瓣換向器組成，線圈由三個(gè)中心軸互成120°角的第1、2、3線圈組成，第1線圈的 內(nèi)、外線端分別與第1、3瓣換向器匹配連接，第2線圈的內(nèi)、外線端分別與第1、2瓣換向器 匹配連接，第3線圈的內(nèi)、外線端分別與第2、3瓣換向器匹配連接，所述換向器通過傳動(dòng)軸 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，一對(duì)平行電刷通過電刷蓋固定在三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒的外殼上。所述基于LabVIEW編寫的軟件由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、信號(hào)消噪穩(wěn)壓、頻率抖動(dòng)消 除、校零、定標(biāo)、顯示、記錄8個(gè)主模塊順序連接組成。所述數(shù)據(jù)采集模塊是通過采用編寫的半滿查詢方式反復(fù)調(diào)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行大容 量數(shù)據(jù)采集。所述信號(hào)分析模塊是用于從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)并將其保存在信號(hào)數(shù)組中。通過調(diào) 用信號(hào)分析模塊中的單頻測(cè)量和Basic DC/RMS兩個(gè)子模塊分離出信號(hào)中的直流分量和頻率。所述信號(hào)消噪穩(wěn)壓模塊是采用同步疊加平均法抑制噪聲。調(diào)用統(tǒng)計(jì)函數(shù)求出電壓 的算術(shù)平均值，盡量消除各種噪聲信號(hào)影響，避免在測(cè)量微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)時(shí)會(huì)跳動(dòng)很厲害， 實(shí)現(xiàn)對(duì)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)精確測(cè)量。所述頻率抖動(dòng)消除模塊利用探頭在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)直流分量跟轉(zhuǎn)速成正比，而信號(hào) 的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，將信號(hào)的直流分量除以信號(hào)頻率從而消除電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響， 不再受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定的影響，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率抖動(dòng)消除。所述校零模塊在測(cè)量目標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，開啟電機(jī)，點(diǎn)擊校零按鈕，編寫的軟 件會(huì)自動(dòng)將測(cè)得的值取反后作為校零值；在校零后的正式測(cè)量中，軟件又會(huì)自動(dòng)地將測(cè)得 的值與校零值求和后定為測(cè)量值，以達(dá)到校零的目的，有效消除地磁場(chǎng)和其它背景噪聲磁 場(chǎng)的影響。所述定標(biāo)模塊即對(duì)S。=『C/,' 中W(為系統(tǒng)常量)的確定。由于本系統(tǒng)的線 性度很高，因此只需要在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的磁場(chǎng)中定標(biāo)一次即可。所述顯示模塊即通過軟件在計(jì)算機(jī)上同時(shí)顯示磁場(chǎng)測(cè)量的大小和方向。所述記錄模塊即編寫的軟件具有數(shù)據(jù)記錄、清零功能。從功能上講本實(shí)用新型通過三線圈法實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)采集，通過運(yùn)用基于LabVIEW 編寫的軟件實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)處理，從而解決了相關(guān)磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域的難題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果本實(shí)用新型是利用感應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)(線圈式)原理，運(yùn)用基于LabVIEW的三線圈 微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀高精度、小誤差、穩(wěn)定地直接顯示微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)大小及方向，實(shí)現(xiàn)了 無需換擋就能對(duì)(0. 001-1000)mT之間磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向的精確可視化操作與測(cè)量，具 有測(cè)量穩(wěn)定(0. 1 μ T位稍微跳變)、測(cè)量精度高(達(dá)到0. 01% )、測(cè)量誤差小(均在0. 1% 內(nèi))的優(yōu)越性能。并可以直接測(cè)量顯示磁場(chǎng)大小及方向，便于運(yùn)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上 進(jìn)行磁性產(chǎn)品檢測(cè)、計(jì)數(shù)及自動(dòng)化操作，也可滿足相關(guān)教學(xué)、科研機(jī)構(gòu)對(duì)穩(wěn)恒磁場(chǎng)精確測(cè)量 的要求，用途廣泛。

圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀的原理結(jié)構(gòu)示意圖。[0023]圖中1為直流電源，2為待測(cè)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)，3為探頭，4為支架，5為高速電機(jī)， 6為數(shù)據(jù)采集卡，7為裝有LabVIEW編寫的軟件的計(jì)算機(jī)，8為三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒。圖2是圖1所示探頭中的三瓣換向器與三線圈之間的連接示意圖。圖中31、32、33分別為第1、2、3瓣換向器，34、35、36為第1、2、3線圈。圖3是圖1所示探頭中的電刷結(jié)構(gòu)示意圖。圖中37為電刷蓋，38為電刷，39為電刷。圖4是圖1所示計(jì)算機(jī)運(yùn)用LabVIEW編寫的軟件模塊處理數(shù)據(jù)流程圖。
具體實(shí)施方式
通過下面實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種基于LabVIEW的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀由 直流電源1，亥姆霍茲線圈提供的微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)2 (又稱待測(cè)磁場(chǎng))、數(shù)據(jù)采集卡6、裝有 LabVIEW編寫的軟件的計(jì)算機(jī)7、三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒8組成。直流電源1給亥姆霍茲線圈供 電，使亥姆霍茲線圈產(chǎn)生微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)2，將三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒8放置在支架4并將探頭 3置于亥姆霍茲線圈中心并使該測(cè)量棒8與亥姆霍茲線圈平行，直流電源1也為高速電機(jī)5 提供電源使其高速旋轉(zhuǎn)。所述三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒8由探頭3、高速電機(jī)5、傳動(dòng)軸和外殼組 成。該測(cè)量棒8由支架4支承并置于待測(cè)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)2中。所述探頭3由鐵芯、線圈、 換向器和電刷組成，該換向器由三塊1/3導(dǎo)電金屬環(huán)即第1、2、3瓣換向器31、32、33構(gòu)成， 所述線圈由第1、2、3線圈34、35、36組成，并均按逆時(shí)針方向繞制而成，第1線圈34的內(nèi)層 導(dǎo)線與第3瓣換向器33相連接，其外層導(dǎo)線與第1瓣換向器31相連接，第1線圈34的中 心軸OO2與第1瓣換向器31對(duì)稱軸OO1成60°夾角，正好處于第1、3瓣換向器31、33的交 界處；第2、3線圈35、36的接法以此類推。探頭3中的電刷采用一對(duì)平行的電刷38、39組 成，當(dāng)平行的電刷38、39相對(duì)于待測(cè)磁場(chǎng)處于不同的位置時(shí)，將會(huì)從第1、2、3線圈34、35、36 上導(dǎo)出相應(yīng)的電壓信號(hào)。假設(shè)磁場(chǎng)方向垂直于傳動(dòng)軸，與平行電刷38、39平行的電刷中軸 線OO4所在平面成θ角度，轉(zhuǎn)動(dòng)電刷38、39，改變?chǔ)鹊拇笮?，將?huì)得到不同電壓信號(hào)波形， 在θ =90°即電刷38、39連線與磁場(chǎng)在同一方向上時(shí)電壓信號(hào)全都為非零值，直流分量達(dá) 到最大值，這時(shí)當(dāng)信號(hào)為正時(shí)，磁場(chǎng)的方向垂直于電刷觸點(diǎn)向下，如圖3所示，而當(dāng)信號(hào)為 負(fù)時(shí)剛好相反。本實(shí)用新型通過這一巧妙方法解決了磁場(chǎng)方向難以辨別的問題。同時(shí)求得 5。=『C/丨 /心，對(duì)于一個(gè)確定的系統(tǒng)，其中W為常量，稱之為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常量，同時(shí)由于本系 統(tǒng)的線性度很好，W也用來完成定標(biāo)。C/; 為濾波后直流成分，其可以通過軟件方便的求出， 如此既可以求得磁場(chǎng)的大小又獲得了磁場(chǎng)的方向。如圖4所示本實(shí)施例顯示運(yùn)用LabVIEW編寫的軟件完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理(運(yùn) 用同步疊加平均抑制噪聲、信號(hào)分解與重構(gòu)、頻率抖動(dòng)影響消除等技術(shù))、測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)處 理(完成校零、定標(biāo)、顯示、記錄、自動(dòng)在線測(cè)量等功能)。PCI2013卡是一種基于PCI總線 的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一 PCI插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn) 室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。本實(shí)施例利用圖4所 示數(shù)據(jù)采集模塊通過PCI2013型數(shù)據(jù)采集卡采用自帶的半滿查詢方式反復(fù)調(diào)用相關(guān)函數(shù) 對(duì)探頭3測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行不間斷的大容量的數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)保存在FIFO存儲(chǔ)器中，圖4中的信號(hào)分析模塊從FIFO存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)后，將其保存在信號(hào)數(shù)組中，通過調(diào)用單頻測(cè)量和Basic DC/RMS兩個(gè)子模塊分離出 信號(hào)中的直流分量和頻率。信號(hào)進(jìn)過分析后進(jìn)行測(cè)試和處理的過程中經(jīng)常會(huì)受到各種噪聲 信號(hào)的干擾和影響，并且經(jīng)過Basic DC/RMS模塊濾出的直流信號(hào)在小范圍內(nèi)也還存在一定 的波動(dòng)，直接顯示，會(huì)造成最后顯示出來的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)值在微特斯拉那位會(huì)跳動(dòng)很厲害， 不易實(shí)現(xiàn)微特斯拉測(cè)量，因此必須進(jìn)行消噪處理。本實(shí)用新型通過圖4中信號(hào)消噪穩(wěn)壓模 塊采用同步疊加平均法抑制噪聲，首先編寫軟件創(chuàng)建一個(gè)大小為N的數(shù)組，然后調(diào)用刪除 數(shù)組元素子模塊刪掉最后一個(gè)元素，接著調(diào)用數(shù)組插入子模塊在數(shù)組前面插入每次測(cè)量得 到的直流值，最后調(diào)用統(tǒng)計(jì)函數(shù)求出電壓的算術(shù)平均值，此外通過增加數(shù)組元素個(gè)數(shù)可以 進(jìn)一步降低信號(hào)的波動(dòng)性，這樣就保證了對(duì)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)精確測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過消噪穩(wěn)壓處理后，本測(cè)量儀精確性得到提高，但由于本方案采用電機(jī)5驅(qū)動(dòng) 線圈旋轉(zhuǎn)，線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)振幅與電機(jī)5轉(zhuǎn)速成正比，但是電機(jī)5往往不穩(wěn)定，從而導(dǎo) 致電壓不穩(wěn)，為了消除這一影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，通過編寫頻率抖動(dòng)消除模塊軟件利用探頭 在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)直流分量跟轉(zhuǎn)速成正比，而信號(hào)的頻率與電機(jī)5的轉(zhuǎn)速成正比，將信號(hào)的 直流分量除以信號(hào)頻率就可以消除電機(jī)5轉(zhuǎn)速的影響，不再受電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定的影響，實(shí) 現(xiàn)頻率抖動(dòng)消除。此外本實(shí)用新型測(cè)量精度高(達(dá)到0. 01% )，地磁場(chǎng)和其它背景噪聲磁場(chǎng)都會(huì)導(dǎo) 致目標(biāo)磁場(chǎng)受到疊加信號(hào)的影響，因而更進(jìn)一步通過圖4所示校零模塊在測(cè)量目標(biāo)磁感應(yīng) 強(qiáng)度為零時(shí)，編寫軟件自動(dòng)將測(cè)得的值取反后作為校零值。在校零后的正式測(cè)量中，軟件再 自動(dòng)地將測(cè)得的值與校零值求和后定為測(cè)量值，以達(dá)到校零的目的。如圖4中所示定標(biāo)模塊是對(duì)S。= W U ', 中W(為系統(tǒng)常量)的確定。要想求得 磁場(chǎng)的大小Btl，必須知道、ω和W，仏、ω可以通過對(duì)信號(hào)的分析求出，W的確定就稱為 定標(biāo)。選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大小的磁場(chǎng)Bs，將與平行電刷38、39平行的電刷中軸線OO4所在平面與 磁場(chǎng)方向成90°角度，即電刷連線與磁場(chǎng)方向在一條直線上，使其直流分量為最大，此時(shí)磁 感應(yīng)強(qiáng)度即為定標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸入定標(biāo)模塊將自動(dòng)完成定標(biāo)，由于本系統(tǒng)的線性度很高， 因此只需要在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的磁場(chǎng)中定標(biāo)一次即可。如圖4所示顯示模塊是利用轉(zhuǎn)動(dòng)電刷38、39，當(dāng)θ =90°，直流電壓值顯示為最 大時(shí)，這時(shí)如果校零磁感應(yīng)強(qiáng)度為正，則磁場(chǎng)方向垂直于平行電刷中軸線OO4向下，如圖3 所示，極性顯示為N ；如果校零磁感應(yīng)強(qiáng)度為負(fù)，則剛好相反。如此即顯示出磁場(chǎng)的極性和 大小。如圖4所示的記錄模塊是為了便于數(shù)據(jù)的記錄和處理，編寫的數(shù)據(jù)記錄軟件，具 有記錄清零功能。
權(quán)利要求1.一種基于LabVIEW的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀，包括直流電源、待測(cè)微特斯拉級(jí) 磁場(chǎng)、支架、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集卡輸出端與裝有LabVIEW編寫的軟件的計(jì) 算機(jī)輸入口相連接，其特征在于還設(shè)有由支架支承的三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒，該三線圈磁場(chǎng)測(cè) 量棒的探頭位于所述待測(cè)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)中，該探頭信號(hào)輸出端與所述數(shù)據(jù)采集卡輸入端 相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀，其特征在于所述三線圈磁場(chǎng) 測(cè)量棒由探頭、高速電機(jī)、傳動(dòng)軸組成并由外殼包裹，高速電機(jī)輸出軸通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)探頭 高速旋轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀，其特征在于所述探頭由 鐵芯、線圈、換向器、電刷組成，所述換向器由各占1/3導(dǎo)電金屬環(huán)的第1、2、3瓣換向器組 成，線圈由三個(gè)中心軸互成120°角的第1、2、3線圈組成，第1線圈的內(nèi)、外線端分別與第 1、3瓣換向器匹配連接，第2線圈的內(nèi)、外線端分別與第1、2瓣換向器匹配連接，第3線圈的 內(nèi)、外線端分別與第2、3瓣換向器匹配連接，所述換向器通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，一對(duì)電刷通 過電刷蓋固定在三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒的外殼上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于LabVIEW的三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀，它具有高穩(wěn)定、高精度、小誤差的優(yōu)點(diǎn)，能直接顯示被測(cè)磁場(chǎng)的大小及方向，并能運(yùn)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上。本三線圈微特斯拉磁場(chǎng)測(cè)量儀是將三線圈磁場(chǎng)測(cè)量棒的探頭置于被測(cè)微特斯拉級(jí)磁場(chǎng)中，該探頭信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集卡輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡輸出端與裝有LabVIEW編寫的軟件的計(jì)算機(jī)輸入口相連接。
文檔編號(hào)G01R33/02GK201852927SQ20102053070
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者萬軍, 曹輝, 艾慶國, 黃勝財(cái) 申請(qǐng)人:佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院