一种基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪

本发明涉及磁场测量仪器和教具，具体涉及一种基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪。

背景技术：

1、随着科学技术的不断进步，微弱磁场测量技术在军事、航空、海洋、地质、考古、生物、医学和教学实验等多个领域的应用日益广泛。这些领域对微弱磁场测量仪的精度、稳定性和便携性提出了越来越高的要求。微弱磁场测量仪作为一种用于探测和研究微弱磁场变化的高灵敏度设备，其性能直接影响到相关学科的研究进展和实际应用效果。

2、目前，主流的微弱磁场测量方式包括霍尔效应法、磁光效应法、超导量子干涉仪、原子磁强计和磁致伸缩法等。其中，霍尔效应法因其低成本、高精度和易处理性等优点，在微弱磁场测量领域得到了广泛应用。然而，传统的霍尔效应微弱磁场测量仪在测量过程中容易受到各种干扰因素的影响，如元件间的微磁干扰、电路的共模干扰、温度对电子元件性能的影响、金属材料的电磁感应影响以及空气中普遍存在的高频电磁杂波和低频地磁场扰动等，这些干扰因素会导致测量结果的波动和不准确，限制了测量仪的性能和应用范围，同时，目前教学实验中的微弱磁场测量仪器的显示内容单一，显示效果差，降低了教学质量，因此，研究并开发一种新型的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，具有重要的研究意义和应用价值。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪。

2、一种基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，包括三轴磁传感器模块、信号处理电路模块、控制模组和磁场波示波器模块；其中，所述三轴磁传感器模块用于感应微弱磁场并且生成磁感应强度信号，其中，磁感应强度信号通过电压信号表示；所述信号处理电路模块包括差分信号电路、放大电路和模数转换电路，所述差分信号电路用于接收电压信号并且根据基准电压信号形成差分信号，所述放大电路用于接收差分信号并且将差分信号放大至预设电压区间内的模拟信号，所述模数转换电路用于接收模拟信号并且将模拟信号转化为数字信号；所述控制模组包括底面参数位解算模块、z轴参数位解算模块和矢量立方体模块，所述底面参数位解算模块用于建立平面45度斜坐标系并且根据数字信号解算出位于平面45度斜坐标系中的底面矩形的坐标参数位，所述z轴参数位解算模块用于根据数字信号和底面矩形的各点参数位解算出z轴的坐标参数位，所述矢量立方体模块用于根据底面矩形的坐标参数位和z轴的坐标参数位合成出磁场矢量；所述磁场波示波器模块用于根据磁场矢量获取并显示磁场波形。

3、优选地，底面参数位解算模块包括坐标系建立单元和矢量底面解算单元，所述坐标系建立单元用于建立平面45度斜坐标系，所述矢量底面解算单元用于根据数字信号获取x轴分量和y轴分量并且根据x轴分量和y轴分量解算出位于平面45度斜坐标系中的底面矩形的坐标参数位。

4、优选地，z轴参数位解算模块包括z轴分量获取单元和复制偏移单元，所述复制偏移单元用于根据数字信号获取z轴分量，所述复制偏移单元还用于根据z轴分量复制偏移底面矩形的坐标参数位并且形成z轴的坐标参数位。

5、优选地，还包括自检磁场生成模块，所述自检磁场生成模块包括两个线圈本体和恒定电流输入单元，所述恒定电流输入单元用于按预设电流值接通线圈本体，两个所述线圈本体用于在接通后产生微弱磁场并被所述三轴磁传感器模块感应。

6、优选地，控制模组还包括计算模块和调整模块，所述计算模块用于根据包含第一修正参数的磁场计算模型获取理论磁场大小，所述调整模块用于根据磁场矢量和理论磁场大小对第一修正参数进行调整并获取第二修正参数。

7、优选地，磁场计算模型表示为：其中，b为理论磁场大小，n为线圈本体的匝数，i为预设电流值，μ0为真空磁导率，r为线圈半径，x为两个线圈本体的中心距，α1为第一修正参数。

8、优选地，还包括人机交互界面，所述人机交互界面用于显示磁场矢量。

9、优选地，还包括电性连接所述三轴磁传感器模块和所述差分信号电路的滤波模块，所述滤波模块用于对所述电压信号进行滤波处理。

10、优选地，还包括电性连接所述三轴磁传感器模块、信号处理电路模块和控制模组的电源模块。

11、优选地，磁感应强度包括x轴强度、y轴强度和z轴强度。

12、本发明的有益效果体现在：

13、整个基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪中，通过差分信号电路有效去除共模干扰，减少电路间的相互干扰，放大电路和模数转换电路的设计进一步增强了信号的抗干扰性，确保测量结果的稳定性；进一步的，采用高精度的三轴磁传感器，能够同时测量三个方向的磁感应强度，信号处理电路模块中的放大电路和模数转换电路保证了信号的精度和稳定性，从而实现了对微弱磁场的高精度测量；进一步的，控制模组中的矢量立方体模块将磁场矢量以直观的形式展示出来，便于分析测量结果；进一步的，磁场波示波器模块记录磁场矢量数据并处理、显示磁场波形。因此，通过集成三轴磁传感器模块、信号处理电路模块和控制模组，有效解决了传统霍尔效应微弱磁场测量仪在测量过程中易受干扰、精度低以及显示效果差的问题，实现了对微弱磁场的高精度、稳定测量，并具有良好的抗干扰能力、便携性和显示效果。

技术特征：

1.一种基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，包括三轴磁传感器模块、信号处理电路模块、控制模组和磁场波示波器模块；其中，

2.根据权利要求1所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，所述底面参数位解算模块包括坐标系建立单元和矢量底面解算单元，所述坐标系建立单元用于建立平面45度斜坐标系，所述矢量底面解算单元用于根据数字信号获取x轴分量和y轴分量并且根据x轴分量和y轴分量解算出位于平面45度斜坐标系中的底面矩形的坐标参数位。

3.根据权利要求2所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，所述z轴参数位解算模块包括z轴分量获取单元和复制偏移单元，所述复制偏移单元用于根据数字信号获取z轴分量，所述复制偏移单元还用于根据z轴分量复制偏移底面矩形的坐标参数位并且形成z轴的坐标参数位。

4.根据权利要求1所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，还包括自检磁场生成模块，所述自检磁场生成模块包括两个线圈本体和恒定电流输入单元，所述恒定电流输入单元用于按预设电流值接通线圈本体，两个所述线圈本体用于在接通后产生微弱磁场并被所述三轴磁传感器模块感应。

5.根据权利要求4所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，所述控制模组还包括计算模块和调整模块，所述计算模块用于根据包含第一修正参数的磁场计算模型获取理论磁场大小，所述调整模块用于根据磁场矢量和理论磁场大小对第一修正参数进行调整并获取第二修正参数。

6.根据权利要求5所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，所述磁场计算模型表示为：

7.根据权利要求1所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，还包括人机交互界面，所述人机交互界面用于显示磁场矢量。

8.根据权利要求1所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，还包括电性连接所述三轴磁传感器模块和所述差分信号电路的滤波模块，所述滤波模块用于对所述电压信号进行滤波处理。

9.根据权利要求1所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，还包括电性连接所述三轴磁传感器模块、信号处理电路模块和控制模组的电源模块。

10.根据权利要求1所述的基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，其特征在于，所述磁感应强度包括x轴强度、y轴强度和z轴强度。

技术总结
本发明公开了一种基于三轴磁传感器的数字化微弱磁场测量仪，涉及磁场测量仪器与教具技术领域，包括三轴磁传感器模块、信号处理电路模块、控制模组和磁场波示波器模块，三轴磁传感器模块用于生成磁感应强度信号；信号处理电路模块包括差分信号电路、放大电路和模数转换电路，差分信号电路、放大电路和模数转换电路用于分别形成差分信号、模拟信号和数字信号；控制模组包括底面参数位解算模块、z轴参数位解算模块和矢量立方体模块并且分别用于解算出底面矩形的坐标参数位、解算出z轴的坐标参数位和合成出磁场矢量，磁场波示波器模块用于获取和显示磁场波形。本发明具有抗干扰能力强和教学效果好的优点。

技术研发人员：杨冯,姜尧中,顾皓源,刘熙,褚红燕,曹弋
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/5