专利名称：基于LabVIEW的三线圈微特斯拉磁场测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及磁场测量技术领域，特别涉及一种基于虚拟仪器技术LabVIEW的 三线圈微特斯拉磁场测量仪。
背景技术：
磁场的测量有多种方法，较为常用的有电磁感应法、霍尔效应法、核磁共振法、磁 通门法、磁饱和法、塞曼效应法、磁阻效应法、超导量子干涉器件法和磁光效应法等。现有的 常用工业测量磁场的方法基本上有两种，一种是利用感应法测量磁场(线圈式)。如在亥姆 霍兹线圈上通以电流，利用亥姆霍兹线圈所产生的感应电动势，通过计算所得在亥姆霍兹 线圈某点的磁场强度。另一种是利用霍尔元件测量磁场(霍尔式)。根据测量霍尔元件上 的电压来计算霍尔元件所在磁场的磁场强度。霍尔磁强计探头小巧、使用方便，成为应用最 普遍的一种磁场测量仪，但是其温度稳定性较差，线性度不好，价格相对较高，测量范围较 小，精度一般在0. 5% -5%之间。电磁感应法则具有良好的温度稳定性和线性度，以及测量 范围大，精度可达0. 01 % -1 %，非常适用于较精密的稳态磁场的测量。现有磁场测量仪在测量磁场时往往只能测量磁场大小，而不能显示磁场方向，磁 场测量容易受到外界影响，不能直接运用于工业自动化生产线上进行磁性产品检测、计数 及自动化操作。MWAX^^i'^fi-'R^a LabVIEff (Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是由美国国家仪器(Ni)公司研制开发的一种图形化的编程开发环境，它可以 使我们以最少的成本、最快的速度开发出灵活、可升级的测试、测量与自动化的应用程序。 使用LabVIEW，工程师和科学家们可以采集到真实信号，分析数据以获得有用的信息，并且 共享实验结果和应用程序，因而它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个 标准的数据采集和仪器控制软件。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种高稳定、高精度、小误差的基于LadVIEW的三线 圈微特斯拉磁场测量仪，它能直接显示待测微特斯拉磁场的大小及方向，并能运用于工业 自动化生产线上。本实用新型所提出的技术解决方案是这样的一种基于LabVIEW的三线圈微特斯拉磁场测量仪，包括直流电源、新型三线圈磁 场测量棒，待测微特斯拉级磁场，支架、数据采集卡和计算机，所述数据采集卡输出端与装 有LabVIEW编写的软件的计算机输入口相连接，还设有由支架支承的三线圈磁场测量棒， 该三线圈磁场测量棒的探头位于所述待测微特斯拉级磁场中，该探头信号输出端与所述数 据采集卡输入端相连接。所述三线圈磁场测量棒由探头、高速电机、传动轴组成并由外壳包裹，高速电机输 出轴通过传动轴驱动探头高速旋转。[0009]所述探头由铁芯、线圈、换向器、电刷组成，所述换向器由各占1/3导电金属环的 第1、2、3瓣换向器组成，线圈由三个中心轴互成120°角的第1、2、3线圈组成，第1线圈的 内、外线端分别与第1、3瓣换向器匹配连接，第2线圈的内、外线端分别与第1、2瓣换向器 匹配连接，第3线圈的内、外线端分别与第2、3瓣换向器匹配连接，所述换向器通过传动轴 驱动旋转，一对平行电刷通过电刷盖固定在三线圈磁场测量棒的外壳上。所述基于LabVIEW编写的软件由数据采集、信号分析、信号消噪稳压、频率抖动消 除、校零、定标、显示、记录8个主模块顺序连接组成。所述数据采集模块是通过采用编写的半满查询方式反复调用相关函数进行大容 量数据采集。所述信号分析模块是用于从存储器中读取数据并将其保存在信号数组中。通过调 用信号分析模块中的单频测量和Basic DC/RMS两个子模块分离出信号中的直流分量和频率。所述信号消噪稳压模块是采用同步叠加平均法抑制噪声。调用统计函数求出电压 的算术平均值，尽量消除各种噪声信号影响，避免在测量微特斯拉级磁场时会跳动很厉害， 实现对微特斯拉级磁场精确测量。所述频率抖动消除模块利用探头在磁场中转动时直流分量跟转速成正比，而信号 的频率与电机的转速成正比，将信号的直流分量除以信号频率从而消除电机转速的影响， 不再受电机转动不稳定的影响，实现信号频率抖动消除。所述校零模块在测量目标磁感应强度为零时，开启电机，点击校零按钮，编写的软 件会自动将测得的值取反后作为校零值；在校零后的正式测量中，软件又会自动地将测得 的值与校零值求和后定为测量值，以达到校零的目的，有效消除地磁场和其它背景噪声磁 场的影响。所述定标模块即对S。=『C/,' 中W(为系统常量)的确定。由于本系统的线 性度很高，因此只需要在一个标准的磁场中定标一次即可。所述显示模块即通过软件在计算机上同时显示磁场测量的大小和方向。所述记录模块即编写的软件具有数据记录、清零功能。从功能上讲本实用新型通过三线圈法实现磁场信号采集，通过运用基于LabVIEW 编写的软件实现磁场信号处理，从而解决了相关磁场测量领域的难题。与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果本实用新型是利用感应法测量磁场(线圈式)原理，运用基于LabVIEW的三线圈 微特斯拉磁场测量仪高精度、小误差、稳定地直接显示微特斯拉级磁场大小及方向，实现了 无需换挡就能对(0. 001-1000)mT之间磁场强度大小和方向的精确可视化操作与测量，具 有测量稳定(0. 1 μ T位稍微跳变)、测量精度高(达到0. 01% )、测量误差小(均在0. 1% 内)的优越性能。并可以直接测量显示磁场大小及方向，便于运用于工业自动化生产线上 进行磁性产品检测、计数及自动化操作，也可满足相关教学、科研机构对稳恒磁场精确测量 的要求，用途广泛。
图1是本实用新型一个实施例的三线圈微特斯拉磁场测量仪的原理结构示意图。[0023]图中1为直流电源，2为待测微特斯拉级磁场，3为探头，4为支架，5为高速电机， 6为数据采集卡，7为装有LabVIEW编写的软件的计算机，8为三线圈磁场测量棒。图2是图1所示探头中的三瓣换向器与三线圈之间的连接示意图。图中31、32、33分别为第1、2、3瓣换向器，34、35、36为第1、2、3线圈。图3是图1所示探头中的电刷结构示意图。图中37为电刷盖，38为电刷，39为电刷。图4是图1所示计算机运用LabVIEW编写的软件模块处理数据流程图。
具体实施方式
通过下面实施例对本实用新型作进一步详细说明。参见图1、图2、图3、图4所示，一种基于LabVIEW的三线圈微特斯拉磁场测量仪由 直流电源1，亥姆霍兹线圈提供的微特斯拉级磁场2 (又称待测磁场)、数据采集卡6、装有 LabVIEW编写的软件的计算机7、三线圈磁场测量棒8组成。直流电源1给亥姆霍兹线圈供 电，使亥姆霍兹线圈产生微特斯拉级磁场2，将三线圈磁场测量棒8放置在支架4并将探头 3置于亥姆霍兹线圈中心并使该测量棒8与亥姆霍兹线圈平行，直流电源1也为高速电机5 提供电源使其高速旋转。所述三线圈磁场测量棒8由探头3、高速电机5、传动轴和外壳组 成。该测量棒8由支架4支承并置于待测微特斯拉级磁场2中。所述探头3由铁芯、线圈、 换向器和电刷组成，该换向器由三块1/3导电金属环即第1、2、3瓣换向器31、32、33构成， 所述线圈由第1、2、3线圈34、35、36组成，并均按逆时针方向绕制而成，第1线圈34的内层 导线与第3瓣换向器33相连接，其外层导线与第1瓣换向器31相连接，第1线圈34的中 心轴OO2与第1瓣换向器31对称轴OO1成60°夹角，正好处于第1、3瓣换向器31、33的交 界处；第2、3线圈35、36的接法以此类推。探头3中的电刷采用一对平行的电刷38、39组 成，当平行的电刷38、39相对于待测磁场处于不同的位置时，将会从第1、2、3线圈34、35、36 上导出相应的电压信号。假设磁场方向垂直于传动轴，与平行电刷38、39平行的电刷中轴 线OO4所在平面成θ角度，转动电刷38、39，改变θ的大小，将会得到不同电压信号波形， 在θ =90°即电刷38、39连线与磁场在同一方向上时电压信号全都为非零值，直流分量达 到最大值，这时当信号为正时，磁场的方向垂直于电刷触点向下，如图3所示，而当信号为 负时刚好相反。本实用新型通过这一巧妙方法解决了磁场方向难以辨别的问题。同时求得 5。=『C/丨 /心，对于一个确定的系统，其中W为常量，称之为系统结构常量，同时由于本系 统的线性度很好，W也用来完成定标。C/; 为滤波后直流成分，其可以通过软件方便的求出， 如此既可以求得磁场的大小又获得了磁场的方向。如图4所示本实施例显示运用LabVIEW编写的软件完成数据采集、数据处理(运 用同步叠加平均抑制噪声、信号分解与重构、频率抖动影响消除等技术)、测量系统信号处 理(完成校零、定标、显示、记录、自动在线测量等功能)。PCI2013卡是一种基于PCI总线 的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一 PCI插槽中，构成实验 室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。本实施例利用图4所 示数据采集模块通过PCI2013型数据采集卡采用自带的半满查询方式反复调用相关函数 对探头3测量到的信号进行不间断的大容量的数据采集。采集到的数据保存在FIFO存储器中，图4中的信号分析模块从FIFO存储器中读取数据后，将其保存在信号数组中，通过调用单频测量和Basic DC/RMS两个子模块分离出 信号中的直流分量和频率。信号进过分析后进行测试和处理的过程中经常会受到各种噪声 信号的干扰和影响，并且经过Basic DC/RMS模块滤出的直流信号在小范围内也还存在一定 的波动，直接显示，会造成最后显示出来的磁感应强度数值在微特斯拉那位会跳动很厉害， 不易实现微特斯拉测量，因此必须进行消噪处理。本实用新型通过图4中信号消噪稳压模 块采用同步叠加平均法抑制噪声，首先编写软件创建一个大小为N的数组，然后调用删除 数组元素子模块删掉最后一个元素，接着调用数组插入子模块在数组前面插入每次测量得 到的直流值，最后调用统计函数求出电压的算术平均值，此外通过增加数组元素个数可以 进一步降低信号的波动性，这样就保证了对微特斯拉级磁场精确测量的实现。经过消噪稳压处理后，本测量仪精确性得到提高，但由于本方案采用电机5驱动 线圈旋转，线圈感应的电压信号振幅与电机5转速成正比，但是电机5往往不稳定，从而导 致电压不稳，为了消除这一影响，实现准确测量，通过编写频率抖动消除模块软件利用探头 在磁场中转动时直流分量跟转速成正比，而信号的频率与电机5的转速成正比，将信号的 直流分量除以信号频率就可以消除电机5转速的影响，不再受电机5转动不稳定的影响，实 现频率抖动消除。此外本实用新型测量精度高(达到0. 01% )，地磁场和其它背景噪声磁场都会导 致目标磁场受到叠加信号的影响，因而更进一步通过图4所示校零模块在测量目标磁感应 强度为零时，编写软件自动将测得的值取反后作为校零值。在校零后的正式测量中，软件再 自动地将测得的值与校零值求和后定为测量值，以达到校零的目的。如图4中所示定标模块是对S。= W U ', 中W(为系统常量)的确定。要想求得 磁场的大小Btl，必须知道、ω和W，仏、ω可以通过对信号的分析求出，W的确定就称为 定标。选择一个标准大小的磁场Bs，将与平行电刷38、39平行的电刷中轴线OO4所在平面与 磁场方向成90°角度，即电刷连线与磁场方向在一条直线上，使其直流分量为最大，此时磁 感应强度即为定标磁感应强度，输入定标模块将自动完成定标，由于本系统的线性度很高， 因此只需要在一个标准的磁场中定标一次即可。如图4所示显示模块是利用转动电刷38、39，当θ =90°，直流电压值显示为最 大时，这时如果校零磁感应强度为正，则磁场方向垂直于平行电刷中轴线OO4向下，如图3 所示，极性显示为N ；如果校零磁感应强度为负，则刚好相反。如此即显示出磁场的极性和 大小。如图4所示的记录模块是为了便于数据的记录和处理，编写的数据记录软件，具 有记录清零功能。
权利要求1.一种基于LabVIEW的三线圈微特斯拉磁场测量仪，包括直流电源、待测微特斯拉级 磁场、支架、数据采集卡和计算机，所述数据采集卡输出端与装有LabVIEW编写的软件的计 算机输入口相连接，其特征在于还设有由支架支承的三线圈磁场测量棒，该三线圈磁场测 量棒的探头位于所述待测微特斯拉级磁场中，该探头信号输出端与所述数据采集卡输入端 相连接。
2.根据权利要求1所述的三线圈微特斯拉磁场测量仪，其特征在于所述三线圈磁场 测量棒由探头、高速电机、传动轴组成并由外壳包裹，高速电机输出轴通过传动轴驱动探头 高速旋转。
3.根据权利要求1或2所述的三线圈微特斯拉磁场测量仪，其特征在于所述探头由 铁芯、线圈、换向器、电刷组成，所述换向器由各占1/3导电金属环的第1、2、3瓣换向器组 成，线圈由三个中心轴互成120°角的第1、2、3线圈组成，第1线圈的内、外线端分别与第 1、3瓣换向器匹配连接，第2线圈的内、外线端分别与第1、2瓣换向器匹配连接，第3线圈的 内、外线端分别与第2、3瓣换向器匹配连接，所述换向器通过传动轴驱动旋转，一对电刷通 过电刷盖固定在三线圈磁场测量棒的外壳上。
专利摘要本实用新型公开了一种基于LabVIEW的三线圈微特斯拉磁场测量仪，它具有高稳定、高精度、小误差的优点，能直接显示被测磁场的大小及方向，并能运用于工业自动化生产线上。本三线圈微特斯拉磁场测量仪是将三线圈磁场测量棒的探头置于被测微特斯拉级磁场中，该探头信号输出端与数据采集卡输入端相连接，数据采集卡输出端与装有LabVIEW编写的软件的计算机输入口相连接。
文档编号G01R33/02GK201852927SQ20102053070
公开日2011年6月1日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者万军, 曹辉, 艾庆国, 黄胜财 申请人:佛山科学技术学院