一種新型工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

廖文平+李麗+賀慧勇+劉嘉文+王燕+趙丹等

摘 要： 針對(duì)工頻磁場(chǎng)測(cè)量的靈活性和便攜性需求，提出了一種測(cè)量?jī)x可任意姿態(tài)放置的工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案，該方案把加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器結(jié)合起來得到工頻磁場(chǎng)水平方向和豎直方向上的分量，而無需對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)平操作。該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x包括三軸磁感應(yīng)線圈、信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的磁場(chǎng)傳感器模塊及控制與處理模塊、加速度傳感器模塊、存儲(chǔ)和顯示模塊等部分。初步試驗(yàn)表明該方案可行，解決了傳統(tǒng)工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量磁場(chǎng)水平分量和豎直分量需要調(diào)平的問題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活，有一定的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x； 工頻磁場(chǎng)； 加速度傳感器； 磁場(chǎng)矢量分解

中圖分類號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）20?0110?04

Design for new measurement instrument of power frequency magnetic field

LIAO Wenping1， LI Li2， HE Huiyong1， LIU Jiawen2， WANG Yang1， ZHAO Dan1，

SHANG Meixue1， LI Jie1， XU Peng1， WEI Mingsheng1

（1. School of Physics and Electronic Science， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， China；

2. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Company， Guangzhou 510080， China）

Abstract： For the requirements of flexibility and portability of power frequency magnetic field measurement， a design scheme of power frequency magnetic field measurement instrument which can place with arbitrary postures is proposed. The components in horizontal direction and vertical direction of the power frequency magnetic field are obtained by combining the acceleration sensor with magnetic field sensor in this scheme， and it is unnecessary to put the measurement instrument into leveling operation. The magnetic field measurement instrument is composed of magnetic field sensor module， control and processing module， acceleration sensor module， storage and display module， etc.. The preliminary experiment results show that the scheme is feasible. The problems of horizontal component and vertical component leveling operation needed by the traditional measurement instrument were solved. This measurement instrument has simple structure and flexible operation， and has certain development and application value.

Keywords： magnetic field measurement instrument； power frequency magnetic field； acceleration sensor； magnetic field vector decomposition

0 引 言

工頻磁場(chǎng)是由各種電壓等級(jí)的輸電線和各種用電器所產(chǎn)生的一種極低頻磁場(chǎng)，我國(guó)工頻為50 Hz。工頻高壓設(shè)備安置點(diǎn)與人們的生活范圍越來越近，此類設(shè)備附近的電磁環(huán)境很復(fù)雜[1]，其中工頻磁場(chǎng)引起了廣大民眾的關(guān)注。超低頻磁場(chǎng)對(duì)人體的可能危害一直在研究中，至今為止，有許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和流行病學(xué)報(bào)道極低頻磁場(chǎng)對(duì)某些疾病的關(guān)系，但是現(xiàn)有的研究還不能確定極低頻磁場(chǎng)對(duì)人體的某些疾病的影響有一定的因果關(guān)系[2?4]。科研人員在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，例如在極低頻電磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)研究[3]、電力設(shè)施工頻磁場(chǎng)與周邊設(shè)施耦合研究和及職業(yè)人員磁場(chǎng)暴露水平[4?6]等。目前國(guó)標(biāo)和一些行標(biāo)都規(guī)定了磁感強(qiáng)度的接觸限值，例如我國(guó)的《電力行業(yè)勞動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了工頻磁場(chǎng)職業(yè)接觸限制[5]為500 μT。在一些研究工作中，需要確定工頻磁場(chǎng)的豎直分量和水平分量。傳統(tǒng)的工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x一般要求水平放置才能測(cè)得水平方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的值，不便于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量。本文采用加速度傳感器測(cè)得加速度值，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量?jī)x可以任意姿態(tài)放置的工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x把磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得的三維磁場(chǎng)分解為水平分量和豎直分量，無需對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)平操作，為工頻磁場(chǎng)測(cè)量提供了新的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。endprint

1 儀器總體設(shè)計(jì)方案

為了獲得磁場(chǎng)的水平和豎直方向上的磁場(chǎng)值，傳統(tǒng)的方法就是把磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x水平放置，那么就要把支撐磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的工作臺(tái)調(diào)平。主要有兩種調(diào)平方式：手動(dòng)調(diào)平和自動(dòng)調(diào)平[7]。人工調(diào)節(jié)是手動(dòng)調(diào)平的的主要方法，需要用到水準(zhǔn)儀，同時(shí)需要多人配合操作工作臺(tái)的支撐腿，有操作時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)節(jié)難度大的缺點(diǎn)[7]。自動(dòng)調(diào)平有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，可以自動(dòng)支撐、調(diào)平等，但是其中液壓驅(qū)動(dòng)方式中液壓系統(tǒng)復(fù)雜，不容易控制，且維護(hù)較難；電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的能耗較高，調(diào)平的控制算法復(fù)雜[7]。本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，該方案利用加速度傳感器上各軸上的加速度值，把磁場(chǎng)值分解到豎直方向和水平方向上，省去了調(diào)平的操作，同時(shí)該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低、磁場(chǎng)分解方法簡(jiǎn)單、使用方便，適用于便攜式快速測(cè)量。總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括磁場(chǎng)傳感器模塊、加速度傳感器模塊、控制與處理模塊、顯示和存儲(chǔ)模塊4個(gè)部分。

磁場(chǎng)傳感器模塊主要包括三軸磁感應(yīng)線圈、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路3個(gè)部分，其中三軸磁感應(yīng)線圈利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)得到3個(gè)軸上的感應(yīng)電壓，信號(hào)調(diào)理電路把3個(gè)軸上的感應(yīng)電壓放大、濾波，A/D轉(zhuǎn)換電路主要是對(duì)3個(gè)軸上的感應(yīng)電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，便于后面的控制與處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？刂婆c處理模塊使用單片機(jī)，主要是對(duì)加速度傳感器的數(shù)據(jù)采集及A/D芯片的控制，并結(jié)合加速度數(shù)據(jù)和A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行磁場(chǎng)的水平和豎直分量的分解處理。顯示和存儲(chǔ)模塊由控制與處理模塊控制，負(fù)責(zé)把磁場(chǎng)的水平和豎直分量進(jìn)行存儲(chǔ)記錄并直觀地顯示出來。

圖1 工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x總體框圖

2 磁場(chǎng)測(cè)量分解原理

針對(duì)測(cè)量?jī)x總體設(shè)計(jì)方案，為了降低儀器功耗和磁場(chǎng)解算方法的計(jì)算復(fù)雜度，這里提出了一種新的磁場(chǎng)分解方法。此方法把各軸磁場(chǎng)合成得為一個(gè)新的磁場(chǎng)，再利用三軸加速度傳感器測(cè)得的各軸加速度值把合成的磁場(chǎng)值分解到水平方向和豎直方向上。

本設(shè)計(jì)中三軸磁場(chǎng)傳感器的x軸、y軸、z軸分別與三軸加速度的x軸、y軸、z軸一一平行放置。加速度傳感器的x軸、t軸、z軸上的加速度分別是[gx，gy，gz]，把它們合成得到一個(gè)加速度[g]，也就是重力加速度，方向豎直向下；磁場(chǎng)傳感器的x軸、y軸、z軸方向上的磁場(chǎng)分別是[Bx，By，Bz]，這3個(gè)矢量合成得到磁場(chǎng)為[B；?]為合成后的磁場(chǎng)[B]和重力[g]之間的夾角，即可得到合成磁場(chǎng)矢量在豎直方向上的投影，即豎直方向上的磁場(chǎng)分量為：

[B⊥=B·cos?=g?Bg=gx·Bx+gy·By+gz·Bzg] （1）

可得到合成磁場(chǎng)在水平方向上的分量為：

[B//=B2-B2⊥=B2x+B2y+B2z-B2⊥] （2）

該方法通過矢量運(yùn)算得到磁場(chǎng)的水平和豎直分量，沒有復(fù)雜的角度計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)中需要的代碼量較少。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 加速度傳感器模塊

為了提高測(cè)量?jī)x的減小體積和功耗，提高使用的便攜性，本設(shè)計(jì)采用的加速度傳感器芯片是ADXL345。ADXL345是美國(guó)ADI公司推出的一款基于MEMS技術(shù)的三軸加速度傳感器，片上集成了信號(hào)處理和I2C通信模塊，無需A/D轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)與微處理器通信。它是一款小而超薄的3軸加速度傳感器，采用3 mm×5 mm×1 mm，14引腳超薄塑料封裝，芯片質(zhì)量只有30 mg。該傳感器可以測(cè)量恒定和變化的加速度，在測(cè)量范圍設(shè)置為±2g、室溫25°，2.5 V供電電壓條件下，其靈敏度的典型值為256 計(jì)數(shù)點(diǎn)/g。ADXL345具有低功耗特性，供電電壓為2～3.6 V，在2.5 V供電電壓下，測(cè)量模式時(shí)的電流低至23 μA，待機(jī)模式時(shí)的電流低至0.1 μA，非常適合便攜式移動(dòng)設(shè)備使用[8]。 ADXL345自動(dòng)調(diào)節(jié)功耗，為了降低功耗和噪聲，這里設(shè)計(jì)加速度傳感器的供電電壓為3.3 V，輸出速率為100 Hz，。由于本設(shè)計(jì)只適合傳感器處于靜止時(shí)測(cè)量，對(duì)加速度的測(cè)量范圍無需很大，配置傳感器相關(guān)寄存器使測(cè)量范圍為±2g，分辨率是10位。

3.2 三軸磁感應(yīng)線圈及信號(hào)調(diào)理電路

中國(guó)實(shí)際推薦的工頻磁場(chǎng)的職業(yè)接觸限制為500 μT，故設(shè)計(jì)本測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍時(shí)0～5 mT。試制階段使用的是某工廠的非均勻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x中的探測(cè)線圈，根據(jù)其具體參數(shù)和公式可以計(jì)算得到工頻磁場(chǎng)值B和感應(yīng)電壓U的值之間的關(guān)系是U=171B，其中U的單位是V，B的單位是T。A/D芯片采集的電壓最大值是在直流偏置2.5 V上疊加的感應(yīng)電壓的峰值，故磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值5 mT在探測(cè)探測(cè)線圈上產(chǎn)生的磁感應(yīng)電壓峰值為：

[U0=1712B=1.21 V] （3）

放大電路的輸出電壓不能超過電源電壓5 V，可得到后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為：

[A=2.51.21=2.1] （4）

考慮到放大器芯片實(shí)際能輸出電壓略小于5 V，同時(shí)實(shí)際A/D芯片實(shí)際能采集到的電壓略小于5 V，這里取放大倍數(shù)為2。

信號(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)磁感應(yīng)線圈得到的三軸上的電壓進(jìn)行放大和濾波。對(duì)單個(gè)軸的信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示。為了便于單電源供電、簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、提高便攜性，運(yùn)算放大器選用了AD824芯片。AD824芯片是一款四通道、FET輸入、單電源供電、提供軌對(duì)軌輸出的運(yùn)算放大器芯片[9]。

圖2 單軸信號(hào)調(diào)理電路

本電路使用同相放大的接法，增大了輸入阻抗，減少了后級(jí)放大電路對(duì)感應(yīng)線圈上電壓的影響，可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。電路放大倍數(shù)的計(jì)算如下：

[A=1+R5R4=1+1010=2] （5）

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地把電壓放大2倍，電路中的電阻R5使用了阻值50 kΩ的可調(diào)電阻，減少了因電阻精度的問題帶來的誤差。電路使用單電源供電，無需提供負(fù)電源，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了便攜性；放大電路輸入端接入了一個(gè)1 MΩ值的大電阻，為了防止輸入開路造成輸出的不確定；前級(jí)使用1個(gè)電源跟隨器為后級(jí)的3個(gè)通道的放大電路提供較穩(wěn)定的2.5 V的直流偏置；加上對(duì)3個(gè)三軸磁感應(yīng)線圈上的3個(gè)軸上的電壓所需的3個(gè)運(yùn)算放大器，剛好可以在一片AD824芯片里實(shí)現(xiàn)，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單；后一級(jí)的RC低通濾波電路用于濾除高頻磁場(chǎng)帶來的干擾。

3.3 單片機(jī)外圍接口電路

單片機(jī)外圍接口電路示意圖如圖3所示。 由于磁場(chǎng)測(cè)量的速度無需很高，同時(shí)為了降低功耗及成本，這里使用的單片機(jī)是STC89C52。為了便于對(duì)多路模擬電壓的A/D轉(zhuǎn)換控制，這里采用PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。PCF8591芯片使用I2C 接口進(jìn)行控制，具有8 位A/D 及D/A 轉(zhuǎn)換器，其中有4 路A/D 轉(zhuǎn)換輸入，適合對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[10]。這里使用了PCF8591的3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，分別對(duì)磁感應(yīng)線圈的3個(gè)軸上的放大之后的感應(yīng)電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。芯片AT24C16用于對(duì)磁場(chǎng)分量值的存儲(chǔ)、記錄；LCD1602液晶顯示屏用來對(duì)磁場(chǎng)分量值的顯示，控制起來簡(jiǎn)單、實(shí)用。

圖3 單片機(jī)外圍接口電路示意圖

4 總體軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的工頻磁場(chǎng)測(cè)量是一個(gè)循環(huán)測(cè)量的過程，如圖4所示。

圖4 總體軟件設(shè)計(jì)流程圖

LCD的初始化主要是對(duì)顯示模式的選擇；電壓值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集主要包括采用模擬I2C時(shí)序?qū)/D芯片PCF8591的控制，對(duì)3個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，每次讀走的數(shù)據(jù)都是上一次A/D轉(zhuǎn)換的值，在轉(zhuǎn)換期間可以進(jìn)行其他程序的操作，提高了效率。由于PCF8591是8位芯片，參考電壓是5 V，所以A/D采集得到的每一個(gè)1代表的是[1256]=0.019 53 V，所以采到的值要乘以0.019 53，得到電壓的實(shí)際值?？紤]到單片機(jī)模擬I2C通信和PCF8591的A/D轉(zhuǎn)換速度，這里使PCF8591在工頻磁場(chǎng)的一個(gè)周期20 ms里對(duì)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理之后的單軸上的電壓進(jìn)行32次采樣，并計(jì)算得到電壓的有效值，通過電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系把電壓值換算為磁感應(yīng)強(qiáng)度，依此類推可得到各個(gè)軸方向上的磁場(chǎng)值，最后結(jié)合三軸加速度傳感器測(cè)得的加速度值，利用磁場(chǎng)測(cè)量分解原理計(jì)算得到磁場(chǎng)的水平和豎直分量的值，

然后把它們存儲(chǔ)到AT24C16中，并通過LCD1602顯示。單片機(jī)里軟件實(shí)現(xiàn)在0.5 s的時(shí)間內(nèi)完成上述操作，并等待到下一個(gè)0.5 s開始又一次的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)在LCD1602上把磁場(chǎng)的水平和豎直分量的值進(jìn)行更新。

5 結(jié) 語

本三維工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x使用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合加速度傳感器測(cè)得的加速度值，采用一種新的方法把三軸磁場(chǎng)分解到水平和豎直方向，解決了傳統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量工頻磁場(chǎng)水平和豎直分量時(shí)磁場(chǎng)傳感器必須水平放置的問題。同時(shí)該工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，有很好的開發(fā)應(yīng)用前景。

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