电磁传感器双电机设计
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本文作者：曾育锋 段越莹 单位：华南师范大学 物理与电信工程学院
磁场的测量有多种方法，较为常用的有线圈感应法、霍尔效应法、核磁共振法和磁饱和法［1－11］等。采用磁饱和法的磁通门磁强计主要用于弱磁场的测量，测量范围为10～105mT；核磁共振磁强计是具有最高精度的磁测量仪器，精度可达百万分之一，适用于测量均匀度高且恒定的磁场，可作为磁测量仪器的标准装置，但价格高。霍尔磁强计探头小巧、使用方便、价格低廉，成为应用最普遍的一种磁场测量仪，但其温度稳定性较差，精度一般在0．5％～5％之间。线圈感应法则具有良好的温度稳定性和线性度，精度可达0．01％～1％，测量范围可达10T以上，适用于较精密的稳态磁场的测量。本文根据法拉第电磁感应定律原理设计“双电机”传感器，其性价比高，原理简单，准确性高。
1测量原理
设磁感应强度为B，线圈面积为S，匝数为N，2测量系统设计如图1所示为测量系统框图。由电机（M）带动的感应线圈（MD）不断旋转产生感应电动势ε。
2．对产生的电信号进行放大滤波后，通过单片机进行数据采集、处理与输出。
2．1“双电机”探头设计探头由2个相同的直流电机制作而成，其实物如图2所示。为了尽可能削弱外界磁场和电机内磁场的相互干扰，应选用全金属封装并为圆状的驱动电机。图2中的M为完整的J103直流电机，而MD为J103直流电机剥除外壳和铁芯后的三相电枢，用于切割磁力线。为了减小细长轴的机械振动、电刷和滑环之间的火花干扰和磨损，同时为了让线圈感应电动势的频率和电源频率错开、提高信噪比，电机的转速不宜太高，一般选用1．2～1．5V作为驱动电压［12］；若待测磁场较大，驱动电压可适当降低。细长轴采用软性弹簧与电机相连，细长轴的另一端安置测量线圈，信号用同轴电缆引出，以防引线附加感应电动势的影响。感应法测磁场不是测量某点的磁场值，而是测量线圈范围内磁场的平均值，如果被测磁场是非均匀的，便会引入误差。为了减小这一误差，通过减小线圈尺寸，提高分辨率。J103直流电动机电枢的直径为0．5cm，十分接近于“点线圈”。这种“点线圈”可以准确而灵敏地测量线圈中心点的磁场。
2．2测量系统放大电路设计由于“双电机”探头十分精小且转速不太高，因此信号幅度十分有限。实验测得“双电机”探头只有毫伏级的信号输出，而且信号中还夹杂着大量电机振动过程中带来的高频噪声。为此，有必要对信号进行放大和滤波处理。针对电机信号的特性，采用OP07构成两级差分放大电路［13－14］，如图3所示，在对信号进行高增益放大的同时，可有效地提高共模抑制比和信噪比，并且增益可由变阻器R1精确控制。另外，针对信号的频率特性，采用二阶巴特沃图3放大电路图图4两阶巴特沃兹低通滤波电路图兹低通滤波电路，如图4所示。该电路以较少的元器件数目实现二阶滤波，对高频噪声进行有效的抑制。
2．3单片机显示电路设计单片机显示电路采用STC89C52单片机进行设计［15］，其电路如图5所示。该单片机采用CHMOS工艺及高密度、非易失存储技术制造。电机转子的输出信号经过放大滤波之后，其输出信号总是有一定的波动。若选用单纯的LED采样显示，其显示是不稳定的，跳跃幅度可达小数点后两位数。因此本设计采用多次采样取平均值的方式进行显示。经实验测量，在1．5V的驱动电压下，直流电机的转速为400r／min。针对这一实验结果，设计控制单片机的采样频率为400Hz，对采样信号进行累加，再取平均值进行显示，确保对整1个周期的采样而且显示稳定。为了使装置能满足各种检测磁场的不同要求，同时使单片机的程序更具灵活性，因此设置4个按键：（1）复位清零键；（2）开启采样转换键；（3）定标初值增大键；（4）定标初值减小键。
3定标采用
1．5V直流电源对“双电机”探头进行驱动，在亥姆霍兹线圈中利用霍尔传感器进行定标，定标数据见表1。由表1中数据B－I和U－I曲线如图6所示。从图6的定标曲线中可以看出，U－I直线与B－I直线很好地吻合在一起，因此，“双电机”探头输出的电压值就是磁场的大小；其次，从定标中可以得出，“双电机”探头可以测量小于1mT的弱磁场大小，其精度达到0．01mT。基于法拉第电磁感应原理，设计制作的“双电机”微小磁场测量仪的实物如图7所示。4结束语通过测量数据表明，“双电机”探头在驱动电压为1．5V时能对小于1mT的弱磁场进行有效的测量，其精度可达0．01mT，并且在改变驱动电压的基础上，可适用于更大范围内磁场大小的测量。“双电机”探头稳定性高，测量范围大，且对工作环境要求不高，十分适用于工业测量。当然“双电机”探头的大小受限于电机的大小，和霍尔传感器还有一定的差距；同时“双电机”探头对于判断磁场的方向还存在欠缺。不过总体而言，“双电机”微小磁场测量仪还是具有很高的使用价值。该装置也适用于平常的实验教学中，让学生能更深刻地了解法拉第电磁感应定律及其相关应用。