專利名稱：一種三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于中頻強(qiáng)交變磁場(chǎng)測(cè)量傳感器領(lǐng)域，涉及中高頻信號(hào)采集與傳輸技術(shù)，三維姿態(tài)校正技術(shù)，特別涉及一種三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭。
背景技術(shù)：
工業(yè)渦流加熱設(shè)備或者磁感應(yīng)熱療等設(shè)備由于需要對(duì)加熱區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制等需求，需要頻率測(cè)量范圍為IOkHz IMHz的強(qiáng)交變磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。由于中頻強(qiáng)交變磁場(chǎng)的渦流效應(yīng)導(dǎo)致普通的測(cè)量電路因?yàn)檠杆佼a(chǎn)熱而失效，同時(shí)普通的磁敏元件由于帶寬不足導(dǎo)致無法對(duì)中頻強(qiáng)磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。針對(duì)高頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量主要采取的辦法為電磁感應(yīng)法。電磁感應(yīng)法是以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的一種磁場(chǎng)測(cè)量方法。由于測(cè)量的磁場(chǎng)按照正弦規(guī)律變化:B=BciSin(Cot)其中Btl是磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值，ω是磁場(chǎng)的角頻率，那么每個(gè)探測(cè)線圈的感生電動(dòng)勢(shì):石=菩=ΣSi 菩=)因此可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈來探測(cè)不同頻率和幅度的交變磁場(chǎng)。目前，交變磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器多為低頻弱場(chǎng)、高頻電磁輻射場(chǎng)或者脈沖電磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，并且主要為一維磁場(chǎng)測(cè)量設(shè)備。專利201010214820.2和201020243927.5公布了一種“中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量裝置”，其主要實(shí)現(xiàn)了一維交變磁場(chǎng)的測(cè)量，交變磁場(chǎng)敏感元件為自制電感線圈。該裝置詳細(xì)介紹了一維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)的測(cè)量方案與電路，并不能實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向交變磁場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量。專利201010572779.6公布了一種“磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x”，其采用霍爾傳感器作為磁場(chǎng)敏感元件對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，由于霍爾元件的頻率響應(yīng)范圍有限，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)百千赫茲交變磁場(chǎng)的測(cè)量。專利201020196041.X公布了一種“電磁感應(yīng)法脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量裝置”，其磁場(chǎng)敏感元件采用圓柱形的感應(yīng)線圈式磁傳感器，為了實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，其設(shè)計(jì)了一種特殊結(jié)構(gòu)的支架，保證測(cè)量的磁場(chǎng)方向垂直于線圈平面，由于采用一只傳感器，同樣僅能測(cè)量一維磁場(chǎng)，并且測(cè)量范圍有限。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，頻率范圍寬，測(cè)量幅度寬，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，可實(shí)現(xiàn)空間中任一點(diǎn)磁場(chǎng)頻率、幅度和方向的精確測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，包括焊接于傳感器固定板2上的三個(gè)相互垂直的單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器1，各個(gè)單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I的輸出信號(hào)通過航空插頭4引出，航空插頭4通過同軸電纜連接線5接測(cè)量?jī)x器，還包括一個(gè)實(shí)現(xiàn)探頭位置與參考坐標(biāo)系變換的探頭三維姿態(tài)校正模塊6。所述單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I為平面同心線圈，是交變磁場(chǎng)敏感元件，將磁場(chǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。所述單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I由多層電路板銅層蝕刻平面同心線圈構(gòu)成，同心線圈為圓形或者多邊形，對(duì)稱分布于電路板的正反面。所述同軸電纜連接線5由三根細(xì)同軸電纜構(gòu)成，每根細(xì)同軸電纜一端連接航空插頭4，另一端連接BNC接頭，同軸電纜連接線5上設(shè)置有電信號(hào)幅度衰減器。所述電信號(hào)幅度衰減器采用無源RC電路，帶寬為10MHz。所述探頭三維姿態(tài)校正模塊6由三軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成，并且加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器的XYZ方向與測(cè)量探頭XYZ方向分別平行。所述三軸加速度傳感器采用ADXL345，三維磁場(chǎng)傳感器采用HMC5883L。以AVR單片機(jī)ATMEGA8為控制核心采集三軸加速度傳感器和三維磁場(chǎng)探頭的信號(hào)，并通過單片機(jī)的串口將結(jié)果傳輸給上位機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)三個(gè)互相垂直方向磁場(chǎng)的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果包含磁場(chǎng)頻率，強(qiáng)度以及合成的總磁場(chǎng)方向。通過單軸磁場(chǎng)傳感器將與傳感器平面垂直的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，該交流電壓信號(hào)頻率與磁場(chǎng)頻率一致，峰值與磁場(chǎng)幅度成線性關(guān)系。電壓信號(hào)通過抗干擾能力強(qiáng)的同軸電纜引出，通過對(duì)三維磁場(chǎng)探頭輸出結(jié)果進(jìn)行矢量疊加即可得到總磁場(chǎng)的幅值、頻率以及方向信息。

圖1為三維磁場(chǎng)測(cè)量探頭連接示意圖圖2為同軸電纜連接線圖3為探頭三維姿態(tài)校正模塊示意圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行更詳盡的說明。如圖1所示，本實(shí)用新型為三維中頻交變磁場(chǎng)測(cè)量探頭，包括單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器1、傳感器固定板2、探頭外殼3、航空插頭4、同軸電纜連接線5、探頭三維姿態(tài)校正模塊6。如圖1所示，單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I有三個(gè)且互相垂直，均焊接于傳感器固定板2上。如圖2所示，各個(gè)單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I的輸出信號(hào)通過航空插頭4引出，航空插頭4通過同軸電纜連接線5接測(cè)量?jī)x器，航空插頭4通過螺紋設(shè)置在探頭尾部，探頭外殼3設(shè)置在探頭外部，用來保護(hù)探頭。如圖3所示，本實(shí)用新型還包括一個(gè)實(shí)現(xiàn)探頭位置與參考坐標(biāo)系變換的探頭三維姿態(tài)校正模塊6，探頭三維姿態(tài)校正模塊6通過信號(hào)線7實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，探頭三維姿態(tài)校正模塊6上帶有弧形凹槽，弧形凹槽與探頭手柄圓柱形外殼連接在一起。[0030]所述單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I為平面同心線圈，是交變磁場(chǎng)敏感元件，比如平面螺旋電磁感應(yīng)線圈。由多層電路板銅層蝕刻平面同心線圈構(gòu)成，同心線圈為圓形或者多邊形，對(duì)稱分布于電路板的正反面。所述傳感器固定板2實(shí)現(xiàn)三個(gè)互相垂直的單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I的連接，并將傳感器電信號(hào)傳輸至航空插頭4 ;所述同軸電纜連接線5將航空插頭4引出的電信號(hào)通過BNC接頭傳輸給測(cè)量?jī)x器，同軸電纜連接線5由三根細(xì)同軸電纜構(gòu)成，每根細(xì)同軸電纜一端連接航空插頭4，另一端連接BNC接頭，同軸電纜連接線5上設(shè)置有電信號(hào)幅度衰減器，通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電信號(hào)的衰減。衰減器采用無源RC電路，最大信號(hào)衰減幅度為10倍，信號(hào)帶寬 IMHz。探頭三維姿態(tài)校正模塊由三軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成，并且加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器的XYZ方向與測(cè)量探頭XYZ方向分別平行，實(shí)現(xiàn)了探頭位置與參考坐標(biāo)系的變換，實(shí)施例中三軸加速度傳感器采用ADXL345，三維磁場(chǎng)傳感器采用HMC5883L。本實(shí)用新型的工作過程是:單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器I將磁場(chǎng)頻率和幅度參數(shù)轉(zhuǎn)換為同頻率交流電壓信號(hào)，然后通過航空插頭4和同軸電纜連接線5傳輸至測(cè)量?jī)x器，電信號(hào)幅度衰減器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電信號(hào)的衰減，測(cè)量?jī)x器得到的信號(hào)以及探頭三維姿態(tài)校正模塊得到的信號(hào)都交由單片機(jī)處理，得到探頭位置與參考坐標(biāo)系的變換結(jié)果，再對(duì)三維磁場(chǎng)探頭輸出結(jié)果進(jìn)行矢量疊加即可得到總磁場(chǎng)的幅值、頻率以及方向信息，并將這些數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。
權(quán)利要求1.一種三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，包括焊接于傳感器固定板(2)上的三個(gè)相互垂直的單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器(1)，各個(gè)單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器(I)的輸出信號(hào)通過航空插頭(4)引出，航空插頭(4)通過同軸電纜連接線(5)接測(cè)量?jī)x器，還包括一個(gè)實(shí)現(xiàn)探頭位置與參考坐標(biāo)系變換的探頭三維姿態(tài)校正模塊(6 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，所述單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器(I)為平面同心線圈，是交變磁場(chǎng)敏感元件，將磁場(chǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，所述單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器(I)由多層電路板銅層蝕刻平面同心線圈構(gòu)成，同心線圈為圓形或者多邊形，對(duì)稱分布于電路板的正反面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，所述同軸電纜連接線(5)由三根細(xì)同軸電纜構(gòu)成，每根細(xì)同軸電纜一端連接航空插頭(4)，另一端連接BNC接頭，同軸電纜連接線(5)上設(shè)置有電信號(hào)幅度衰減器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，所述電信號(hào)幅度衰減器采用無源RC電路，帶寬為IOMHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，所述探頭三維姿態(tài)校正模塊(6)由三軸加速度傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成，并且加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器的XYZ方向與測(cè)量探頭XYZ方向分別平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，所述三軸加速度傳感器采用ADXL345，三維磁場(chǎng)傳感器采用HMC5883L。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的三維中頻強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，以AVR單片機(jī)ATMEGA8為控制核心采集三軸加速度傳感器和三維磁場(chǎng)探頭的信號(hào)，并通過單片機(jī)的串口將結(jié)果傳輸給上位機(jī)。
專利摘要一種三維中頻交變磁場(chǎng)測(cè)量探頭，屬于中頻強(qiáng)交變磁場(chǎng)檢測(cè)的設(shè)備領(lǐng)域，包括三個(gè)將磁場(chǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器、實(shí)現(xiàn)三個(gè)互相垂直的單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器連接并將傳感器電信號(hào)傳輸至航空插頭的傳感器固定板、將航空插頭引出的電信號(hào)通過BNC接頭傳輸給測(cè)量?jī)x器的同軸電纜、放置在電纜上實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電信號(hào)衰減的衰減器，以及由與探頭三個(gè)單軸磁場(chǎng)測(cè)量傳感器方向平行的三軸加速度與三軸磁場(chǎng)傳感器組成的探頭三維姿態(tài)校正模塊，本實(shí)用新型可測(cè)量頻率范圍1k～1MHz，幅值范圍1～1000Gs的中頻交變磁場(chǎng)，同時(shí)可通過三維磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果對(duì)測(cè)量點(diǎn)的總磁場(chǎng)幅值與方向進(jìn)行計(jì)算，操作簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01R33/02GK202995013SQ201220564819
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者唐勁天, 蔡?hào)|陽, 武建安 申請(qǐng)人:清華大學(xué)