一种瞬态三维磁场检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种瞬态三维磁场检测系统，属于电力电子电磁兼容领域。包括磁场信号检测模块，信号调理模块，A/D转换模块，置位/复位模块，电源模块，本实用新型可用于变电站、电动汽车等复杂电磁环境的磁场检测，具有测量瞬时、三维、微弱磁场的特点，且探测频带宽，体积小，使用方便，采用恒流源供电，从而在一定程度上可以提供稳定的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场。
【专利说明】
一种瞬态三维磁场检测系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于电力电子电磁兼容领域，具体涉及一种瞬态三维磁场检测系统。
【背景技术】
[0002] 面对日益严峻的能源和环境问题，世界各国政府、学术界和工业界都将目光投向 了环保和节能。为了提高生产效率，大量电力电子装置被广泛应用于生产生活中，随之也带 来了更为复杂的电磁环境与电磁兼容问题。如电动汽车采用蓄电池提供的大功率直流电， 经DC-DC或DC-AC转换器驱动电机运转。而变换后的电流中含有丰富的谐波成分，通过大的 感性负载或容性负载时，会向空间发射强的电场和磁场。其频谱范围较广，从几十千赫兹到 几十、几百兆赫兹甚至覆盖射频段，会对通讯系统及汽车本身电子管理系统的时钟频率产 生严重干扰，甚至影响人体健康与行车安全。因此，对复杂电磁环境进行深入系统的研究非 常有必要。
[0003] 要系统分析复杂电磁环境，首先要对其瞬态电磁场进行准确的测量。目前常见的 磁场测量方法有感应线圈、磁通门式、霍尔效应、各向异性磁阻(AMR)效应、巨磁阻(GMR)效 应等方法。上述方法最突出的问题有以下几个方面:首先，测量磁场的维数有限，如感应线 圈、磁通门式和GMR效应，它们只能测量一位空间的磁场，这种数据的局限不利于空间干扰 磁场的定位以及电磁干扰强度的分析;其次测量带宽不够，如霍尔效应、磁通门效应等，它 们的频带较窄，通常应用于静态或缓慢变化的磁场环境，不能满足带宽要求;最后，感应线 圈的灵敏度与频率有关，准确度受到线圈面积的影响，因而给瞬态磁场测量系统的设计带 来很多不可控因素。
[0004]因此，研制一套瞬态三维磁场环境检测的系统具有重要的价值。
【发明内容】
[0005] 本实用新型提供一种瞬态三维磁场检测系统，用于变电站、电动汽车等复杂电磁 环境测量，以达到精度、灵敏度、带宽及使用便捷的要求。
[0006] 本实用新型采取的技术方案是，包括：
[0007] (1)磁场信号检测模块:接受宽频带的原始磁场信号，并将原始信号转换为电压信 号；
[0008] (2)信号调理模块:将磁场探头输出的微弱电压信号调理到满足A/D转换器输入的 电压范围；
[0009] (3)A/D转换模块:将输入的模拟量转换为数字量，并传输给微控制器进行处理；
[0010] (4)置位/复位模块:利用置位和复位电流使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏 度；
[0011] (5)电源模块:采用恒流源供电。
[0012] 本实用新型所述磁场信号检测模块采用各向异性磁阻AMR传感器电路，该传感器 电路采用四个各向异性磁阻AMR组成惠斯通电桥。
[0013] 本实用新型所述信号调理模块:包含放大调零电路。
[0014] 本实用新型所述置位/复位模块包括脉冲电流发生电路。
[0015] 本实用新型可用于变电站、电动汽车等复杂电磁环境的磁场检测，具有测量瞬时、 三维、微弱磁场的特点，且探测频带宽，体积小，使用方便，采用恒流源供电，从而在一定程 度上可以提供稳定的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型的电路原理框图；
[0017] 图2为本实用新型各向异性磁阻AMR传感器内部等效电路结构图；
[0018] 图3为本实用新型放大调零电路原理图；
[0019]图4为本实用新型脉冲电流发生电路原理图；
[0020] 图5为本实用新型恒流源消除温度影响补偿电路。
【具体实施方式】
[0021] 包括：
[0022] (1)磁场信号检测模块1:接受宽频带的原始磁场信号，并将原始信号转换为电压 信号，包括磁场探头传感器电路，本实用新型采用各向异性磁阻(AMR)的磁场检测方法，为 提高弱磁场信号检测的准确度，本实用新型磁阻传感器采用恒流源供电；
[0023] (2)信号调理模块2:将磁场探头输出的微弱电压信号调理到满足A/D转换器输入 的电压范围，由于实际环境中电磁环境复杂，以及电路的自激干扰等因素，在测量之前传感 器已经有了输出，若要实现对被测磁场的的准确测量，就需要排除其他磁场的干扰，因此， 本实用新型设计了调零电路；
[0024] (3)A/D转换模块3:将输入的模拟量转换为数字量，并传输给微控制器进行处理；
[0025] (4)置位/复位模块4:产生置位/复位脉冲电流用来修正探头的灵敏度;外磁场超 过10 X 1(T4T时会打乱磁阻传感器内部磁畴的极化方向，改变传感器的输出特性，降低灵敏 度，利用置位和复位电流使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度。
[0026] (5)电源模块5:为测量系统中的其他模块提供稳定电源。对于磁阻传感器，采用电 压供电模式时，电源电压微弱变化会改变磁阻传感器的输出电压，不利于准确的测量弱磁 场信号，本实用新型采用恒流源供电，从而在一定程度上可以提供稳定的电源输入，使得传 感器适于测量弱磁场。
[0027] 为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及对本实用新型的技术方案进行 详细说明。
[0028]确定磁场检测方法；
[0029] 对现有的常见磁场测量方法进行对比（见表1)，找出最适合的瞬态三维磁场测量 方法。由表1可知，基于各向异性磁阻(AMR)效应的磁场测量方法从维数、带宽、量程、灵敏 度、准确度等方面最适于瞬态磁场的测量要求，因此，本实用新型采用该方法设计瞬态三维 磁场检测探头。
[0030] 表1常见磁场测量方法对比
[0032] 磁场探头传感器电路设计；
[0033] 磁场探头传感器电路采用四个各向异性磁阻AMR组成惠斯通电桥(如图2所示）。在 没有外加磁场时，四个电阻的阻值均为R= lk，电桥处于平衡状态，输出电压为零。当施加外 加磁场B时，电阻心和他同时变化，电阻此和1?4同时变化，两组电阻变化量相同，但方向相反。 [0034] 假设传感器的供电电压为Vb，灵敏度为S，如果心和他阻值增加 AR，那么此和以阻值 会减小A R，此时传感器的输出电压为：
[0036] 由于A R/R的值与外界磁场的大小B呈比例关系，其比值S即是传感器的灵敏度。因 而，我们可以得到传感器输出电压与磁场的关系：
[0037] V〇ut = V+-V- = Vb ? B ? S (2)
[0038] 其中，Vb为传感器的工作电压，B为外界磁场的大小，依据式（2)就可以通过测量 V?t的值计算出空间磁场B的值。
[0039]信号调理电路设计；
[0040]由磁阻传感器的输出特性可知，其输出为差动电压信号，需对其进行差动放大，为 了减小仪表放大器本身噪声的影响，采用低噪声、低失真的仪表放大器INA217。该放大器具 有较低的噪声输入:1.3nVATHz (1 kHz)，共模抑制比> 1 OOdB，带宽为800kHz。
[0041]由于实际环境中的电磁环境复杂，以及电路的自激干扰等因素，在对待测磁场测 量之前传感器已经有了输出，若要实现对被测磁场的准确测量，就需要排除其他磁场的干 扰，因此，设计了调零电路如图3所示。经两个电阻及精密电位器的分压，调整系统的零点； 由于电源的波动会对系统的零点造成影响，所以，在电路中加入二极以稳定系统的 零点。
[0042] A/D转换模块选择；
[0043]选用Analog Device公司的AD9266作为磁场采集的数模转换器，AD9266具有高精 度（转换位宽16bits)、高采样率（80MHz)、低功耗（113mW@80MSPS)、优秀的信噪比（SNR 77.6dBFs@9.7MHz)以及SPI控制等特性，它被广泛应用于手持式示波表和便捷式医疗设备 中。本实用新型选用AD9266的原因首先在于AD9266的高转换精度和高采样率满足记录仪的 高精度测量，其次AD926的数字部分工作电压为1.8V~3.3V，满足多种逻辑电平，容易与控 制器匹配;最后，AD9266内部具有SPI控制接口，因而控制器可以方便调试A/D转换电路，并 且改变AD9266的输出编码方式、工作时钟频率、调整DC0和输出数据时序，同时还可以校准 电路偏移。
[0044] 置位/复位电路设计；
[0045] 如前所述，磁场测量探头需要强（2~8A)的置位/复位脉冲电流来恢复磁畴方向， 本实用新型设计了如图4所示的脉冲电流发生电路。
[0046]其中，SET、RESET是由FPGA产生的脉冲电流发生电路的驱动信号，分别用于驱动 HEXFET(IRF7106)的P沟道和N沟道。为了实现"先关后合"的开关模式，即在一个HEXFET导通 之前，另一个ffiXFET完全关闭，本文在开关状态切换过程中加了TRS的延时。该电路的原理 如下：SET、RESET是由FPGA I/0 口输出的两路控制信号，当SET为低电平，RESET高电平时，电 路处于稳态，三极管截止，匪0S导通，PM0S截止，电容C 2两端电压为0，之后RESET变为低电 平，此时NM0S截止，TRS时间后，SET从低电平变为高电平，此时，三极管导通，PM0S瞬间导通， 由于电容两端电压不能突变，电源经P管向电容&充电，在(： 2右端产生正脉冲。当SET为高电 平，RESET低电平时，电路处于稳态，三极管导通，NM0S截止，PM0S截止，充放电电容C 2两端电 压为电源电压，之后SET变为低电平，TSR时间后，RESET从低电平变为高电平，此时，匪0S导 通，由于电容两端电压不能突变，电容经NM0S管放电，在C 2右端产生负脉冲。
[0047]电源设计。
[0048] 对于磁阻传感器，采用电压供电模式时，电源电压微弱变化会改变磁阻传感器的 输出电压，不利于准确的测量弱磁场信号，而采用恒流源供电在一定程度上可以提供稳定 的电源输入，使得传感器适于测量弱磁场，电流源采用LM334,恒流源输出的电流I SET由h、I2 和Ibias组成，如图5所不。
[0052]为消除温度漂移的影响，即令IBIas = 0,根据给出的温度对电压漂移系数为227yV/ °C，二极管的温度系数为2.5mV/°C，则
[0054] 得到Ri/fc = 10时，温度影响可以忽略，通过仏的选择来控制恒流源的输出。
【主权项】
1. 一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，包括： (1) 磁场信号检测模块:接受宽频带的原始磁场信号，并将原始信号转换为电压信号； (2) 信号调理模块:将磁场探头输出的微弱电压信号调理到满足A/D转换器输入的电压 范围； (3 )A/D转换模块:将输入的模拟量转换为数字量，并传输给微控制器进行处理； (4) 置位/复位模块:利用置位和复位电流使内部磁畴的极化方向统一，提高灵敏度； (5) 电源模块:采用恒流源供电。2. 根据权利要求1所述的一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，所述磁场信号检测 模块采用各向异性磁阻AMR传感器电路，该传感器电路采用四个各向异性磁阻AMR组成惠斯 通电桥。3. 根据权利要求1所述的一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，所述信号调理模 块:包含放大调零电路。4. 根据权利要求1所述的一种瞬态三维磁场检测系统，其特征在于，所述置位/复位模 块包括脉冲电流发生电路。
【文档编号】G01R33/09GK205507052SQ201620275558
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】李成钢, 吕项羽, 刘亚东, 李德鑫, 常学飞, 张树学, 张力, 郭琪, 孟广锐
【申请人】国网吉林省电力有限公司电力科学研究院, 吉林省电力科学研究院有限公司, 国网吉林省电力有限公司长春供电公司