专利名称：一种三维中频强磁场测量探头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于中频强交变磁场测量传感器领域，涉及中高频信号采集与传输技术，三维姿态校正技术，特别涉及一种三维中频强磁场测量探头。
背景技术：
工业涡流加热设备或者磁感应热疗等设备由于需要对加热区域的磁场进行实时的测量和控制等需求，需要频率测量范围为IOkHz IMHz的强交变磁场测量仪器。由于中频强交变磁场的涡流效应导致普通的测量电路因为迅速产热而失效，同时普通的磁敏元件由于带宽不足导致无法对中频强磁场进行准确测量。针对高频强磁场测量主要采取的办法为电磁感应法。电磁感应法是以电磁感应定律为基础的一种磁场测量方法。由于测量的磁场按照正弦规律变化:B=BciSin(Cot)其中Btl是磁感应强度的最大值，ω是磁场的角频率，那么每个探测线圈的感生电动势:石=菩=ΣSi 菩=)因此可以设计不同结构的感应线圈来探测不同频率和幅度的交变磁场。目前，交变磁场测量仪器多为低频弱场、高频电磁辐射场或者脉冲电磁场测量设备，并且主要为一维磁场测量设备。专利201010214820.2和201020243927.5公布了一种“中频强磁场测量装置”，其主要实现了一维交变磁场的测量，交变磁场敏感元件为自制电感线圈。该装置详细介绍了一维中频强磁场的测量方案与电路，并不能实现三个方向交变磁场的同时测量。专利201010572779.6公布了一种“磁场测量仪”，其采用霍尔传感器作为磁场敏感元件对磁场进行测量，由于霍尔元件的频率响应范围有限，无法实现数百千赫兹交变磁场的测量。专利201020196041.X公布了一种“电磁感应法脉冲强磁场测量装置”，其磁场敏感元件采用圆柱形的感应线圈式磁传感器，为了实现磁场的准确测量，其设计了一种特殊结构的支架，保证测量的磁场方向垂直于线圈平面，由于采用一只传感器，同样仅能测量一维磁场，并且测量范围有限。
发明内容为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种三维中频强磁场测量探头，频率范围宽，测量幅度宽，抗干扰能力强，使用方便，可实现空间中任一点磁场频率、幅度和方向的精确测量。为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种三维中频强磁场测量探头，包括焊接于传感器固定板2上的三个相互垂直的单轴磁场测量传感器1，各个单轴磁场测量传感器I的输出信号通过航空插头4引出，航空插头4通过同轴电缆连接线5接测量仪器，还包括一个实现探头位置与参考坐标系变换的探头三维姿态校正模块6。所述单轴磁场测量传感器I为平面同心线圈，是交变磁场敏感元件，将磁场参数转换为电信号。所述单轴磁场测量传感器I由多层电路板铜层蚀刻平面同心线圈构成，同心线圈为圆形或者多边形，对称分布于电路板的正反面。所述同轴电缆连接线5由三根细同轴电缆构成，每根细同轴电缆一端连接航空插头4，另一端连接BNC接头，同轴电缆连接线5上设置有电信号幅度衰减器。所述电信号幅度衰减器采用无源RC电路，带宽为10MHz。所述探头三维姿态校正模块6由三轴加速度传感器和三轴磁场传感器构成，并且加速度传感器和磁场传感器的XYZ方向与测量探头XYZ方向分别平行。所述三轴加速度传感器采用ADXL345，三维磁场传感器采用HMC5883L。以AVR单片机ATMEGA8为控制核心采集三轴加速度传感器和三维磁场探头的信号，并通过单片机的串口将结果传输给上位机。与现有技术相比，本实用新型可实现三个互相垂直方向磁场的测量，测量结果包含磁场频率，强度以及合成的总磁场方向。通过单轴磁场传感器将与传感器平面垂直的磁场转换为交流电压信号，该交流电压信号频率与磁场频率一致，峰值与磁场幅度成线性关系。电压信号通过抗干扰能力强的同轴电缆引出，通过对三维磁场探头输出结果进行矢量叠加即可得到总磁场的幅值、频率以及方向信息。
图1为三维磁场测量探头连接示意图图2为同轴电缆连接线图3为探头三维姿态校正模块示意图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行更详尽的说明。如图1所示，本实用新型为三维中频交变磁场测量探头，包括单轴磁场测量传感器1、传感器固定板2、探头外壳3、航空插头4、同轴电缆连接线5、探头三维姿态校正模块6。如图1所示，单轴磁场测量传感器I有三个且互相垂直，均焊接于传感器固定板2上。如图2所示，各个单轴磁场测量传感器I的输出信号通过航空插头4引出，航空插头4通过同轴电缆连接线5接测量仪器，航空插头4通过螺纹设置在探头尾部，探头外壳3设置在探头外部，用来保护探头。如图3所示，本实用新型还包括一个实现探头位置与参考坐标系变换的探头三维姿态校正模块6，探头三维姿态校正模块6通过信号线7实现信号传输，探头三维姿态校正模块6上带有弧形凹槽，弧形凹槽与探头手柄圆柱形外壳连接在一起。[0030]所述单轴磁场测量传感器I为平面同心线圈，是交变磁场敏感元件，比如平面螺旋电磁感应线圈。由多层电路板铜层蚀刻平面同心线圈构成，同心线圈为圆形或者多边形，对称分布于电路板的正反面。所述传感器固定板2实现三个互相垂直的单轴磁场测量传感器I的连接，并将传感器电信号传输至航空插头4 ;所述同轴电缆连接线5将航空插头4引出的电信号通过BNC接头传输给测量仪器，同轴电缆连接线5由三根细同轴电缆构成，每根细同轴电缆一端连接航空插头4，另一端连接BNC接头，同轴电缆连接线5上设置有电信号幅度衰减器，通过开关实现对输出电信号的衰减。衰减器采用无源RC电路，最大信号衰减幅度为10倍，信号带宽 IMHz。探头三维姿态校正模块由三轴加速度传感器和三轴磁场传感器构成，并且加速度传感器和磁场传感器的XYZ方向与测量探头XYZ方向分别平行，实现了探头位置与参考坐标系的变换，实施例中三轴加速度传感器采用ADXL345，三维磁场传感器采用HMC5883L。本实用新型的工作过程是:单轴磁场测量传感器I将磁场频率和幅度参数转换为同频率交流电压信号，然后通过航空插头4和同轴电缆连接线5传输至测量仪器，电信号幅度衰减器实现对输出电信号的衰减，测量仪器得到的信号以及探头三维姿态校正模块得到的信号都交由单片机处理，得到探头位置与参考坐标系的变换结果，再对三维磁场探头输出结果进行矢量叠加即可得到总磁场的幅值、频率以及方向信息，并将这些数据上传至上位机。
权利要求1.一种三维中频强磁场测量探头，其特征在于，包括焊接于传感器固定板(2)上的三个相互垂直的单轴磁场测量传感器(1)，各个单轴磁场测量传感器(I)的输出信号通过航空插头(4)引出，航空插头(4)通过同轴电缆连接线(5)接测量仪器，还包括一个实现探头位置与参考坐标系变换的探头三维姿态校正模块(6 )。
2.根据权利要求1所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，所述单轴磁场测量传感器(I)为平面同心线圈，是交变磁场敏感元件，将磁场参数转换为电信号。
3.根据权利要求2所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，所述单轴磁场测量传感器(I)由多层电路板铜层蚀刻平面同心线圈构成，同心线圈为圆形或者多边形，对称分布于电路板的正反面。
4.根据权利要求1所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，所述同轴电缆连接线(5)由三根细同轴电缆构成，每根细同轴电缆一端连接航空插头(4)，另一端连接BNC接头，同轴电缆连接线(5)上设置有电信号幅度衰减器。
5.根据权利要求4所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，所述电信号幅度衰减器采用无源RC电路，带宽为IOMHz。
6.根据权利要求1所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，所述探头三维姿态校正模块(6)由三轴加速度传感器和三轴磁场传感器构成，并且加速度传感器和磁场传感器的XYZ方向与测量探头XYZ方向分别平行。
7.根据权利要求6所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，所述三轴加速度传感器采用ADXL345，三维磁场传感器采用HMC5883L。
8.根据权利要求6或7所述的三维中频强磁场测量探头，其特征在于，以AVR单片机ATMEGA8为控制核心采集三轴加速度传感器和三维磁场探头的信号，并通过单片机的串口将结果传输给上位机。
专利摘要一种三维中频交变磁场测量探头，属于中频强交变磁场检测的设备领域，包括三个将磁场参数转换为电信号的单轴磁场测量传感器、实现三个互相垂直的单轴磁场测量传感器连接并将传感器电信号传输至航空插头的传感器固定板、将航空插头引出的电信号通过BNC接头传输给测量仪器的同轴电缆、放置在电缆上实现对输出电信号衰减的衰减器，以及由与探头三个单轴磁场测量传感器方向平行的三轴加速度与三轴磁场传感器组成的探头三维姿态校正模块，本实用新型可测量频率范围1k～1MHz，幅值范围1～1000Gs的中频交变磁场，同时可通过三维磁场测量结果对测量点的总磁场幅值与方向进行计算，操作简单、抗干扰能力强、测量精度高。
文档编号G01R33/02GK202995013SQ201220564819
公开日2013年6月12日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者唐劲天, 蔡东阳, 武建安 申请人:清华大学