一种基于电磁感应的中高频高场强交变磁场测量方法

本发明涉及磁场测量，更具体的说，涉及一种基于电磁感应的中高频高场强交变磁场测量方法。

背景技术：

1、中高频高场强交变磁场广泛应用于磁热疗、感应熔覆、化工催化等领域，这其中磁场参数(场强、频率等)的精准监控至关重要。

2、目前，用于测量交变磁场装置主要包括：霍尔传感器、磁通门、各向异性磁阻传感器(amr)、约瑟夫森结等。霍尔传感器使用的霍尔元件是一种半导体磁电器件，其电学性能参数受温度影响大，对中高频交变磁场进行测量时，霍尔元件会因感应电流加热而出现温度漂移现象，难以准确测量磁场强度。磁通门是利用高导磁芯在外加磁场中的磁滞效应，通过差分探测线圈信号，实现磁场测量。但由于变压器效应，高频激励源会耦合到反馈绕组中产生噪声干扰，不适合测量中高频强磁场。各向异性磁阻传感器由铁磁金属或合金构成，线性化后的amr磁阻传感器对低频、低场强磁场具有较高的灵敏度，但受磁场扰动影响，测量的准确性和灵敏性随着场强和频率的增加而快速降低，不适用于中高频高场强交变磁场的测量。约瑟夫森结是利用超导状态下的约瑟夫森结中最大超导电流的变化进行磁场测量。约瑟夫森结通常用来测量低频磁场或静磁场，这是因为在中高频交变磁场中约瑟夫森结内会产生涡流损耗使其温度上升不能保持稳定的超导状态，使测量数据不准确。

3、综上可见，目前的磁场测量装置可以测量低频高场强或中高频低场强的交变磁场，仍然缺乏对中高频高场强(磁场频率f≥100khz，磁场强度h≥200oe)交变磁场测量装置。

技术实现思路

1、本发明提供一种能够快速实现中高频高场强交变磁场参数测量的装置，通过闭合金属线圈在交变磁场的作用下由电磁感应效应产生的交变感应电动势原理，利用设计的探头元件将交变磁场参数转化为同步变化的电信号，通过测量电信号的频率和振幅来表征待测交变磁场的频率和场强，拓宽交变磁场的可测频率和场强范围。

2、为实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

3、一种基于电磁感应的中高频高场强交变磁场测量方法，该方法基于电磁感应原理，利用设计的磁场测量探头元件将交变磁场参数转化为同步变化的电信号，通过测量电信号的频率和振幅来表征待测交变磁场的频率和场强。所述磁场测量装置主要包括：磁场测量探头装置、信号采集与处理模块、输出模块。其中，磁场测量探头用于将交变磁场参数转化为可测的电信号，经过分压后将其传输至信号采集与处理模块，信号采集与处理模块处理后的交变磁场频率与场强通过输出模块显示。具体步骤如下：

4、第一步，通过磁场探头将交变磁场参数转化为同步变化的电信号。

5、将磁场测量探头固定放置在待测磁场的指定位置。所述磁场测量探头包括长轴型装置3和用来固定线圈位置的正方体盒4，所述正方体盒4为中空结构，其内部安装相互垂直的水平线圈1和竖直线圈2，水平线圈1和竖直线圈2通过传输线与分压部分连接。

6、所述的水平位置线圈1选择带有绝缘层，目的是提高电阻率从而减少由涡流产生的发热现象，水平位置线圈1的水平投影形状为完全对称图形(如圆形、长方形、等六边形等)，线圈的半径为1mm至5mm，绕制线圈所用铜线的直径为1mm至5mm，线圈的匝数为1匝至10匝且绕制时每层都紧密排列。水平位置线圈1和垂直位置线圈2的中心点的法向延长线的相交点为正方体盒4的中心点。长轴型装置3的轴向延长线也过正方体盒的中心，这样为了旋转的准确性和旋转的方便。所述的垂直位置线圈2结构与水平位置线圈1完全相同，只是布置位置不同。垂直位置线圈2的布置位置只能是长轴型装置3和正方体盒4的相交面或相交面的对面，其原因是为保证旋转前后测量的数值不会变化。另外这两个线圈在空间上应互不干扰。长轴型装置3为空心杆，方便传输线的安装。

7、另外，为减小高频信号传输时分布参数效应引起的沿线电压、电流幅度变化和相位滞后，传输线选择使用直径在1mm～5mm同轴信号线或双绞线。

8、第二步，信号采集与处理模块将探头转化的连续周期性电信号处理为离散的时间序列，在通过对离散的时间序列的处理得到交变磁场频率与场强。具体的：

9、所述信号采集与处理模块包括印制电路板及布置与电路板上的时钟发生器(使设备可以收集到信号)、高采样率的模数转换器(转变收集到的电信号位数字信号)、中央处理器(处理转变后的数字信号)、输入输出端、外壳(需具有强磁场屏蔽性)。

10、将第一步缩小后的电信号通过模数转换器将信号离散处理之后由中央处理器对离散后的信号处理、再放大成原始信号大小，最后输出出来。信号处理过程具体为：

11、步骤2.1：以采样频率为fs，数据点数为n，将磁场测量探头采集到的电信号进行快速傅里叶变换。

12、步骤2.2：通过中央处理器对采集到的数据点进行比较，得到一个周期内所有散点中的最大值kmax，根据以下公式(1)得到最大值对应的频率，即为待测电信号的频率。由于待测信号与交变磁场同步变化，所以该频率亦为交变磁场的频率f。

13、

14、步骤2.3：取步骤2确定的所有散点中最大值点kmax的前一个散点和后一个散点的算术平均值k-max，再取最大值点kmax和其后一个散点的算术平均值k+max，然后求出这两个算术平均值的比值最后根据以下公式(2)求系数r。

15、

16、步骤2.4：根据以下公式(3)求出此时线圈中电信号的幅值u。

17、

18、步骤2.5：在得出两个电压测量数据后(水平位置线圈数据u1和垂直位置线圈数据u2)将探头前端部分旋转九十度再次进行测量，再次得出两个电压测量数据(位置改变后水平线圈的数据u3和位置没有变化的垂直位置线圈数据u4)。

19、步骤2.6：根据电磁感应原理，电压u与交变磁场强度b、交变磁场角频率ω＝2πf、感应线圈面积s、感应线圈匝数n和磁感线与线圈法向量夹角的余弦值cosθ成正比。

20、u＝nbsωcosθ    (4)

21、假设测量时水平位置线圈与穿过线圈的磁感线夹角为α、垂直位置线圈与磁感线夹角为β、旋转后水平位置线圈与磁感线夹角为γ。此时的u1、u2、u3、u4分别为：

22、u1＝n1bs1ωcosa                      (5)

23、u2＝u4＝n2bs2ωcosβ                (6)

24、u3＝n1bs1ωcosγ    (7)

25、再由一个向量与空间直角坐标系的三个坐标轴所成夹角余弦的平方和为1。即：

26、cos2+cos2β+cos2γ＝1    (8)

27、根据以上公式可以计算得到交变磁场强度b。其中交变磁场频率f、待测电信号幅值u由步骤2.2、步骤2.4得到，感应线圈面积s和匝数n根据实际需要限定。

28、第三步，通过输出模块显示测得的交变磁场频率和场强。

29、所述输出模块是一个液晶显示器，采用i2c的通信方式连接到pbc电路板gpio上，主要用于将测得的交变磁场频率与场强显示出来。

30、进一步的，在a/d转换器选取中应注意：在进行模拟/数字信号的转换过程中，采样频率为信号最高频率的4～10倍，使收集的数字信号能有效保留原始信号信息。

31、进一步的，为保证信号采集与处理模块处理数据时不受待测交变磁场的影响，制作外壳时应当选用低电阻、高导磁率材料；

32、进一步的，为保证电路安全，输入pcb板的电压应小于其额定电压(如3.3v)，将大小不同的两个无感电阻串联到一起，再并联到线圈探头两端做出一个分压电路。之后将电路板并联在小电阻的两端，从而实现电压控制。大小两电阻阻值的比值范围控制在1～100之间，根据不同的电阻比值制作多种可以选择的档位，例如设计成电阻比为1:1、1:9、1:29、1:59和1:99五种档位。这样不仅可保证测量过程中电路的安全，而且还可以提高测量精度。

33、本发明的交变磁场测量装置的有益之处在于：

34、本发明基于电磁感应原理，通过对感应线圈产生的电信号进行采样与分析，以得到待测中高频交变磁场的频率与场强，拓宽了交变磁场的可测频率和可测场强范围。本发明使用两个线圈测量可以减小线圈在高频磁场中自感和互感对于测量数据的影响，另外测量两次可以通过比较位置不发生变化的线圈测量数据使测量更加精确。发明通过直接对电信号进行处理，有效减小由于线圈长时间处于中高频交变磁场下升温对测量造成的误差。此外，本发明设备对测量环境要求宽容，设备体积小、携带方便，而且操作简便。