新型磁场测量仪设计

石明吉，刘 峰，李波波，杨雪冰，洪 倩

(南阳理工学院电子与电气工程学院，河南 南阳 473004)

0 引言

磁场测量技术的发展和应用有着悠久的历史。磁场测量技术已经广泛应用于地球物理、空间技术、军事工程、工业、生物学、医学、考古学等诸多领域[1-2]。通电圆线圈和亥姆霍兹线圈周围磁场的分布情况是大学物理中磁场部分的重要学习内容。该磁场的描绘也是大学物理试验的重要组成部分[3]。目前，国内物理试验教学常用的磁场描绘仪有两类。一类由亥姆霍兹线圈和探测线圈组成，采用电磁感应法探测磁场[4]。该方法操作不便、很难准确定位和测量。另一类由亥姆霍兹线圈和霍尔元件组成，采用霍尔效应探测磁场[5-7]。该方法不形象、读数繁琐且容易产生回程差。因此，有必要设计一种新型磁场测量仪。该研究在试验教学和磁场监测方面具有实际意义。

1 试验装置的设计

1.1 硬件设计

为实现不同场点在三个维度上的磁感应强度的自动测量，设计了基于三轴磁传感器的磁场测量仪。由三轴磁传感器位移系统、数据采集系统和数据记录上位机三部分构成。系统具体包括：三轴磁传感器、上位机、STC89C51单片机、两个步进电机驱动器、两个步进电机、二维丝杠导轨、线圈和稳压稳流直流电源等。新型磁场测量仪系统结构如图1所示。其中，51单片机为控制核心。三轴磁传感器将磁场信号转变为数字信号并发送给51单片机，采集后由STM32发送给数据记录上位机。51单片机发送脉冲给步进电机驱动器。驱动器驱动步进电机转动，丝杠导轨带动三轴磁传感器进行二维扫描仪，实现对不同场点三个维度磁感应强度的测量。

将二维丝杠与亥姆霍兹线圈紧靠，二维丝杠的横向与线圈的轴线垂直，二维丝杠的纵向沿着线圈的轴线。利用长度合适的碳纤维方棒，将三轴磁传感器固定在导轨滑块上。碳纤维方棒与线圈轴线平行，三轴磁传感器平面水平，传感器平面上标记的Y方向沿着碳纤维方棒方向，三轴磁传感器横向扫描时刚好沿着线圈直径。当步进电机带动二维丝杠滑块进行二维扫描时，三轴磁传感器在过线圈轴线的水平面内进行测量。

试验中使用的磁传感器是GY-273QMC5883L三轴磁场传感器。该传感器具有小尺寸、小体积、免校准、高精度、低功耗和低成本等优点，供电电压为3～5 V，通信方式为IIC通信协议，测量范围为±(1.3～8)Gs。试验使用DH4501A型亥姆霍兹线圈磁场试验仪所配线圈。考虑到线圈自身的尺度和三轴磁传感器的线度，确定线圈过轴线平面可测范围为16 cm×40 cm。由于使用了两个2GT-16同步齿形带轮和2GT-6 mm同步带，2GT齿宽为2 mm，所以步进电机每转一周，同步齿形带轮也跟着转一周，同步带走过16个齿宽，即32 mm。将步进电机驱动器的细分设置为步距角等于0.9°，每走一步，三轴磁传感器在X方向或Y方向移动的距离为0.08 mm。设线圈的轴线方向为X方向，垂直于线圈轴线的方向为Y方向。X方向需要2 000个脉冲，可以扫描16 cm；Y方向需要5 000个脉冲，可以扫描40 cm。假设每串脉冲的个数为100个，则相邻测量点之间的距离为8 mm，刚好构成21×51的矩阵。

1.2 软件设计

利用C语言编写了测量程序：通过步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠导轨运动，从而实现三轴磁传感器的二维扫描。通过51单片机的I2C采集三轴磁传感器输出的数字信号，51单片机将信号发给STM32。STM32再将数据发给上位机，显示并保存数据。测量程序流程如图2所示。

图2 测量程序流程图

2 利用磁场测量仪描绘磁场

图3给出圆电流在过轴线的平面上的磁感应强度分布。如图3(a)所示，沿轴线方向，圆心处的磁感应强度既是轴线上的磁感应强度的极大值，也是圆电流所在平面上的磁感应强度的极小值。在y给定时，磁感应强度B(x)随x的变化曲线是对称的单峰凸曲线，在圆电流线圈平面处磁感应强度B(x)有极大值。这与罗兴垅[8]用MATLAB计算的结果吻合。如图3(b)所示，在垂直于轴线方向，轴线上各点的B(y)=0；在圆电流两边B(y)各有一个极大值和一个极小值，且关于圆心呈点对称分布。这与王晓颍等[9]数值计算的结果一致。

图3 载流圆线圈磁感应强度分布图

图4给出亥姆霍兹线圈在过轴线的平面上的磁感应强度分布。如图4(a)所示，沿轴线方向，在亥姆霍兹线圈的中心存在一个平坦区域，预示该处可能存在一个匀场区域。与图3(a)比较可知，亥姆霍兹线圈的磁感应强度分布可以看成是同方向两个圆电流的磁感应强度的叠加。如图4(b)所示，在垂直于轴线方向，轴线上各点的B(y)=0。B(y)关于亥姆霍兹线圈的中心点呈点对称分布。在亥姆霍兹线圈的中心区域，各点的B(y)基本等于零。结合图4(a)可知，在亥姆霍兹线圈的中心区域存在一个沿轴线方向的匀强磁场。该结果与张德根等[10]利用MATHEMATICA软件计算的结果吻合。与图3(b)比较可知，亥姆霍兹线圈的磁感应强度分布可以看作是同方向两个圆电流的磁感应强度的叠加。

图4 亥姆霍兹线圈磁感应强度分布图

根据各点的B(y)和B(y)值，利用MATLAB可以绘制圆线圈和亥姆霍兹线圈在过轴线的平面上各点的磁感应强度矢量分布图，如图5所示。图5中：⊗表示电流I的方向为垂直于纸面向里;⊙表示电流I的方向为垂直于纸面向外。

图5 磁感应强度矢量分布图

如图5(a)所示，可以直观地看出磁感应线是一些套在圆电流环上的闭合曲线，且圆电流方向与磁感应线方向符合右手螺旋定则。由图5(b)可构建亥姆霍兹线圈的磁感应线分布的物理图像。从图5(b)可直接看出，在亥姆霍兹线圈的中心区域的确存在一个沿轴向方向的匀强磁场区域。该结果与图4的分析结果一致。

3 结束语

利用三轴磁场传感器和二维扫描系统，测量载流线圈在轴线方向和垂直于轴线方向磁感应强度的分布情况，利用MATLAB处理后得到了磁力线分布图。三轴磁场传感器的移动、数据的采集和存储均实现了自动化，大大提高了磁场测量的效率。该研究不仅解决了电磁感应法定位不准、难以准确测量的问题，也解决了霍尔效应法不能描绘磁力线、手工操作费时费力和回程差的问题，在磁场的测量、教学和研究方面具有重要意义。