一种新型工频磁场测量仪的设计

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1、一种新型工频磁场测量仪的设计廖文平1，李丽2，贺慧勇1，刘嘉文2，王燕1，赵丹1，商梅雪1，李杰1，徐鹏1，魏明生1（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114；2.广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）摘要：针对工频磁场测量的灵活性和便携性需求，提出了一种测量仪可任意姿态放置的工频磁场测量仪设计方案，该方案把加速度传感器和磁场传感器结合起来得到工频磁场水平方向和竖直方向上的分量，而无需对测量仪进行调平操作。该磁场测量仪包括三轴磁感应线圈、信号调理和A/D转换电路组成的磁场传感器模块及控制与处理模块、加速度传感器模块

2、、存储和显示模块等部分。初步试验表明该方案可行，解决了传统工频磁场测量仪测量磁场水平分量和竖直分量需要调平的问题，结构简单、使用灵活，有一定的开发应用价值。.jyqkeasurementinstrumentofpoagicfieldLIAOEMS技术的三轴加速度传感器，片上集成了信号处理和I2C通信模块，无需A/D转换就可以实现与微处理器通信。它是一款小而超薄的3轴加速度传感器，采用3mm×5mm×1mm，14引脚超薄塑料封装，芯片质量只有30mg。该传感器可以测量恒定和变化的加速度，在测量范围设置为±2g、室温25°，2.5V供电电压条件下

3、，其灵敏度的典型值为256计数点/g。ADXL345具有低功耗特性，供电电压为2~3.6V，在2.5V供电电压下，测量模式时的电流低至23μA，待机模式时的电流低至0.1μA，非常适合便携式移动设备使用[8]。ADXL345自动调节功耗，为了降低功耗和噪声，这里设计加速度传感器的供电电压为3.3V，输出速率为100Hz，。由于本设计只适合传感器处于静止时测量，对加速度的测量范围无需很大，配置传感器相关寄存器使测量范围为±2g，分辨率是10位。3.2三轴磁感应线圈及信号调理电路中国实际推荐的工频磁场的职业接触限制为500μT，故设计本测量仪的测

4、量范围时0~5mT。试制阶段使用的是某工厂的非均匀磁场测量仪中的探测线圈，根据其具体参数和公式可以计算得到工频磁场值B和感应电压U的值之间的关系是U=171B，其中U的单位是V，B的单位是T。A/D芯片采集的电压最大值是在直流偏置2.5V上叠加的感应电压的峰值，故磁感应强度最大值5mT在探测探测线圈上产生的磁感应电压峰值为：放大电路的输出电压不能超过电源电压5V，可得到后级放大电路的放大倍数为：考虑到放大器芯片实际能输出电压略小于5V，同时实际A/D芯片实际能采集到的电压略小于5V，这里取放大倍数为2。信号调理电路主要是对磁感应线圈得到的三轴

5、上的电压进行放大和滤波。对单个轴的信号调理电路如图2所示。为了便于单电源供电、简化电路结构、提高便携性，运算放大器选用了AD824芯片。AD824芯片是一款四通道、FET输入、单电源供电、提供轨对轨输出的运算放大器芯片[9]。本电路使用同相放大的接法，增大了输入阻抗，减少了后级放大电路对感应线圈上电压的影响，可以提高测量的准确性。电路放大倍数的计算如下：为了实现准确地把电压放大2倍，电路中的电阻R5使用了阻值50kΩ的可调电阻，减少了因电阻精度的问题带来的误差。电路使用单电源供电，无需提供负电源，简化了电路结构，提高了便携性；放大电路输入端接

6、入了一个1MΩ值的大电阻，为了防止输入开路造成输出的不确定；前级使用1个电源跟随器为后级的3个通道的放大电路提供较稳定的2.5V的直流偏置；加上对3个三轴磁感应线圈上的3个轴上的电压所需的3个运算放大器，刚好可以在一片AD824芯片里实现，使电路的结构更加简单；后一级的RC低通滤波电路用于滤除高频磁场带来的干扰。3.3单片机外围接口电路单片机外围接口电路示意图如图3所示。由于磁场测量的速度无需很高，同时为了降低功耗及成本，这里使用的单片机是STC89C52。为了便于对多路模拟电压的A/D转换控制，这里采用PCF8591作为A/D转换芯片。PC

7、F8591芯片使用I2C接口进行控制，具有8位A/D及D/A转换器，其中有4路A/D转换输入，适合对多路模拟信号进行A/D转换[10]。这里使用了PCF8591的3个A/D转换通道，分别对磁感应线圈的3个轴上的放大之后的感应电压进行A/D转换。芯片AT24C16用于对磁场分量值的存储、记录；LCD1602液晶显示屏用来对磁场分量值的显示，控制起来简单、实用。4总体软件设计本设计的工频磁场测量是一个循环测量的过程，如图4所示。LCD的初始化主要是对显示模式的选择；电压值A/D转换及数据采集主要包括采用模拟I2C时序对A/D芯片PCF8591的控

8、制，对3个通道的A/D转换后的数据进行采集。由于A/D转换需要一定时间，每次读走的数据都是上一次A/D转换的值，在转换期间可以进行其他程序的操作，提高了效率。由于P