专利名称：一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于三相电源相位同步的三维标准磁场发生装置，属于电子测量技术领域。
背景技术：
随着磁敏传感器的开发和广泛应用，其特性测试越来越受到关注，但由于对其机理研究的不透彻以及所需测试条件的苛刻性，使得当前的测试手段远远落后于传感器的发展。而具有宽幅、宽频特性的标准磁场发生装置是实现对磁敏传感器特性全面测试的前提。作为磁敏传感器的标准磁场发生环境，对磁场的要求主要体现在磁场强度、磁场均匀度和磁场空间这三个方面。目前现有的磁场发生装置中，亥姆霍兹线圈可产生均匀度高、磁场空间大、磁感应强度较高的磁�。虼吮还惴旱厥褂迷诖琶舸衅鞯牟馐约坝τ贸『�。但是传统的一维或二维亥姆霍兹线圈只产生一维或二维的直流磁�。钟械娜ツ坊糇认呷λ淇梢圆我夥较虻慕恢绷鞔懦。捎谑芟呷Φ绺械挠跋欤呷Σ拇鸥杏η慷冉艿较拗疲讼Σ罚捎谌鱿呷Φ牡缱璧绺斜戎挡煌辔幌嗤牡缭床牡缌飨辔徊煌贾虏亩懦∠辔徊煌饨焕谌懦〉暮铣�。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，为磁敏传感器特性的全面测试提供了静动态磁场环境。本发明的技术解决方案基于动态磁场环境的考虑，采用变频电源�？榉直鸶慷韵呷Φザ捞峁┙槐涞缭矗坏钡缭床槐涞缌魇保谙呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤峁┝说缛萜ヅ淠？橐越档拖呷Φ绺械挠跋欤换谌呷Φ缱璧绺斜戎档牟煌贾虏亩懦∠辔徊煌杓屏讼辔患觳獾缏罚菁觳獾南辔徊畹鹘诘缭吹钠鹗冀嵌取１痉⒚饕恢只谙辔煌降娜曜即懦》⑸爸茫怯杀淦档缭茨？椤⒌缛萜ヅ淠？�、相位检测模块和三维亥姆霍兹线圈组成。其间关系是首先变频电源模块根据要求设置电压及其频率，然后通过电容匹配�？檠≡穸杂Φ牡缛葜狄约跣∠呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤幼沤髡蟮娜嗟缭葱藕乓环矫娼又料辔患觳饽？椋菹辔患觳饨峁髡淦档缭吹钠鹗冀嵌龋Ｖと懦〉南辔煌剑涣硪环矫娼又寥ツ坊糇认呷Γ蛊洳槐浯懦�。所述变频电源�？椋且恢秩嘞咝钥杀喑探涣鞅淦档缭矗至降凳涑觯坏档缪狗段�0-300伏，最大输出电流为8. 4安；另一档电压范围是0-150伏，最大输出电流是4. 2安。电源频率三相统一设定，以步长O.1Hz在范围为40-500HZ内可调，其中三相电压和起始角度独立可调。该变频电源�？槲ツ坊糇认呷μ峁┍淦档缭葱藕牛圆浠拇懦�。所述电容匹配�？椋ù缛�、开关控制电路和液晶显示�？椋浼涞墓叵凳强乜刂频缏犯萆瓒ǖ娜嗟缭雌德手担直鹧≡袢呷Χ杂Φ拇缛荩约跣∠呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤⒔飨嗌瓒ǖ牡缪怪岛推ヅ涞缛葜低ü壕允灸？橄允�。该串联电容选用频率特性优异的聚丙烯电容，它具有无极性、绝缘阻抗高、介质损伤小的特点，适于在高电流高电压的交流环境下工作。该开关控制电路是以单片机为核心，首先根据设定的电源频率和各线圈的电感值计算所需的匹配电容值，然后由单片机控制固态交流开关通断，分别选择需要接入电路的电容值，最后将选择的三相匹配电容值通过液晶显示�？橄允�。该液晶显示�？椴捎�320X240的图形点阵式液晶，其功能是显示交流电源频率、磁场强度、匹配电容值和需要调节的电源电压值，通过液晶显示的这些参数，可以了解线圈电路的总体状况，并根据显示的电源参数调节三相电源的频率和各相电压。所述相位检测�？椋ㄇ凹墩蔚缏�、相位差测量电路和相位极性判别电路。其间关系是三路正弦波信号首先经前级整形电路输出为方波信号，然后经过相位差测量电路，分析计算出其中两路信号之间的相位差，同时通过相位极性判别电路判断这两路信号波形的超前或滞后，最后根据显示的相位差和相位极性调整三相电源的起始角度，使其相位保持同步。该前级放大整形电路是将正弦信号转换成方波信号，作为后续相位差测量电路的输入。该相位差测量电路是通过相关计数法检测三路正弦波的相位，分别通过测试三路信号间其中两路的相位差，得出三相之间的相位关系。该相关计数法是首先将两路方波信号进行异或操作后，并和有源晶振输出的高频脉冲信号进行与操作，然后在相同时间内对异或操作后的信号脉冲和与操作后的信号脉冲计数，最后通过对这两个脉冲个数换算可得出两路信号之间的相位差。该相位极性判别电路是通过D触发器判别相位差测量电路中两路信号波形的超前或滞后，便于调整三相电源信号的起始角度。所述二维亥姆霍兹线圈是由两两相互垂直的二对空心圆柱线圈组成，每对线圈是由一对半径都为R，同轴放置且间距为R的空心圆柱线圈构成，三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中X轴、Y轴和Z轴。该三维亥姆霍兹线圈的功能是可产生设定大小和任意三维方向的交变磁场，为磁敏传感器特性的全面测试提供均匀度高的磁场环境。其中，该变频电源�？榧聪咝钥杀喑探涣鞅淦档缭吹耐庑纬叽缥�430mmX 700mmX 700mm，型号为 APS8003LS ；其中，该电容匹配�？橹械目乜刂频缏分泄烫涣骺氐男秃攀茿CST8-8CFP;其中，该三维亥姆霍兹线圈的型号是3H1Y6-100。外形几何尺寸为X轴线圈内径为100mm、外径为140mm,厚度为20mm ;Y轴线圈内径为180mm、外径为230mm,厚度为25mm ;Z轴线圈内径为272mm、外径为332mm,厚度为30mm ;可产生的磁场均勻区为30mm X 30mm X 30mm。该装置的工作原理流程如下首先线性可编程交流变频电源根据动态磁场要求设置电压及其频率，然后将三相电源信号经电容匹配�？檠≡穸杂Φ牡缛葜狄约跣∠呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤幼沤髡蟮娜嗟缭葱藕糯渲料辔患觳饽？椋菹辔患觳饨峁髡淦档缭吹钠鹗冀嵌龋备萌嗟缭葱藕帕尤ツ坊糇认呷Γ蛊洳槐浯懦�。本发明与现有技术相比的优点在于I)采用一种三维亥姆霍兹线圈磁场发生装置，可产生任意方向、高均匀度的交直流磁场，为磁敏传感器的特性测试提供了磁场环境；
2)设计了电容匹配模块，抵消了交流情况下线圈电感对磁感应强度的影响，使电路达到或接近谐振状态，解决磁场功率损耗过大的问题，使磁感应强度达到期望值；3)设计了相位检测电路，通过检测三相线圈间的电流相位，调整电源的起始角度，确保三维磁场的合成。
图1为三维标准磁场发生装置结构示意图。图2为三维标准磁场发生装置整体框图。图3为相关计数法测量相位差原理时序图。图中符号说明如下X0, Y0表示三相电源信号中的其中两路正弦信号，fx、fy表示由两路正弦信号经整形电路得到的方波信号，fxy表示两路方波信号fx和fy异或操作得到的信号，fo表示有源晶振产生的高频脉冲信号，表示出&与方波信号fxy与操作后的信号。
具体实施例方式本发明一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，是由变频电源�？�、电容匹配模块、相位检测�？楹腿ツ坊糇认呷ψ槌�。其间关系是首先变频电源�？楦菀笊柚玫缪辜捌淦德剩缓缶缛萜ヅ淠？檠≡穸杂Φ牡缛荽恋缏分校约跣∠呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤幼沤髡蟮娜嗟缭葱藕乓环矫娲渲料辔患觳饽？椋菹辔患觳饨峁髡淦档缭吹钠鹗冀嵌龋Ｖと懦〉南辔煌剑涣硪环矫娼又寥ツ坊糇认呷Γ蛊洳槐浯懦�。图1为本发明三维标准磁场发生装置结构示意图。该装置是由变频电源�？椤⒌缛萜ヅ淠？�、相位检测�？楹腿ツ坊糇认呷ψ槌�。首先通过变频电源�？樯柚酶飨嗨璧牡缪辜捌淦德手担缓蠼嗟缭葱藕糯渲恋缛萜ヅ淠？椋≡窀飨嘞呷Χ杂Φ牡缛葜担⒔≡窈玫牡缛荽恋缭葱藕糯涞缏分校幼沤髡玫牡缭葱藕乓环矫娲渲料辔患觳饽？椋媚？榈南辔患觳馊繁Ｈ嗟缭吹南辔煌剑员阌谌懦〉暮铣桑硪环矫娓玫缭葱藕沤又寥ツ坊糇认呷Γ瓜呷Σ槐浯懦。琶舸衅鞯奶匦圆馐蕴峁┎馐曰肪�。图2为本发明三维标准磁场发生装置整体框图。该标准磁场发生装置由变频电源�？椤⒌缛萜ヅ淠？�、相位检测�？楹腿ツ坊糇认呷ψ槌�。具体实现方法是首先根据测试要求设置变频电源�？橹懈飨嗟牡缪怪导捌德剩渲衅德士傻鞣段�40Hz-500Hz，调节步长为O. 1Hz，然后将输出的三相电源信号连接至电容匹配�？椋煽乜刂频缏芳扑愠雒肯嗟缏沸杵ヅ涞牡缛葜担ü刂乒烫涣骺匮≡裢ǘ辖杂Φ牡缛荽降缏分校苯吧柚玫母飨嗟缭雌德�、电压及匹配电容值通过液晶屏显示，接着将串联电容之后的各相电源信号分两方面处理，一方面连接至相位检测�？椋筛媚？橹械南辔幌喙丶剖扑愠鋈嗟缏分腥我饬铰分涞南辔徊睿辔徊钪低ü齃ED数码管显示，同时将这两路信号连接D触发器来判别相位的极性以确认两路波形的超前或滞后，结合相位差值及相位的极性，调整变频电源电压的起始角度，以保证三相电源的相位同步；一方面连接至三维亥姆霍兹线圈，使线圈中心位置产生均匀的三维磁场。
图3为相关计数法测量相位差原理时序图。将两路正弦波转换为同频率的方波fx、fy，将两路方波信号进行异或操作得到信号fxy，并利用有源晶振产生的高频脉冲信号&，求出脉冲信号fo与方波信号fxy与操作后的信号，在相同时间内对fo、fi信号脉冲个数计数，设脉冲个数分别为可得出两路信号的相位差为(Ii1Aici) *180°。基于上述原理，分别检测三路信号中任意两路之间的相位差，由显示结果调整变频电源的起始角度，使三相电源信号相位同步，从而确保三维磁场的合成。其中，该变频电源�？榧聪咝钥杀喑探涣鞅淦档缭吹耐庑纬叽缥�430mmX 700mmX 700mm，型号为 APS8003LS ；其中，该电容匹配�？橹械目乜刂频缏分泄烫涣骺氐男秃攀茿CST8-8CFP;其中，该三维亥姆霍兹线圈的型号是3H1Y6-100。外形几何尺寸为X轴线圈内径为100mm、外径为140mm,厚度为20mm ;Y轴线圈内径为180mm、外径为230mm,厚度为25mm ;Z轴线圈内径为272mm、外径为332mm,厚度为30mm ;可产生的磁场均勻区为30mm X 30mm X 30mm。
权利要求
1.一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于它是由变频电源�？�、电容匹配�？椤⑾辔患觳饽？楹腿ツ坊糇认呷ψ槌桑皇紫缺淦档缭茨？楦菀笊柚玫缪辜捌淦德剩缓笸ü缛萜ヅ淠？檠≡穸杂Φ牡缛葜狄约跣∠呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤幼沤髡蟮娜嗟缭葱藕乓环矫娼又料辔患觳饽？椋菹辔患觳饨峁髡淦档缭吹钠鹗冀嵌龋Ｖと懦〉南辔煌剑涣硪环矫娼又寥ツ坊糇认呷Γ蛊洳槐浯懦。� 所述变频电源�？椋且恢秩嘞咝钥杀喑探涣鞅淦档缭矗至降凳涑觯坏档缪狗段�0-300伏，最大输出电流为8. 4安；另一档电压范围是0-150伏，最大输出电流是4. 2安；电源频率三相统一设定，以步长O.1Hz在范围为40-500HZ内可调，其中三相电压和起始角度独立可调，该变频电源模块为三维亥姆霍兹线圈提供变频电源信号，以产生动态变化的磁�。� 所述电容匹配�？椋ù缛�、开关控制电路和液晶显示模块，开关控制电路根据设定的三相电源频率值，分别选择三维线圈对应的串联电容，以减小线圈电感对磁感应强度的影响，并将各相设定的电压值和匹配电容值通过液晶显示�？橄允荆桓么缛菅∮闷德侍匦杂乓斓木郾┑缛荩视谠诟叩缌鞲叩缪沟慕涣骰肪诚鹿ぷ鳎桓每乜刂频缏肥且缘テ诵模紫雀萆瓒ǖ牡缭雌德屎透飨呷Φ牡绺兄导扑闼璧钠ヅ涞缛葜担缓笥傻テ刂乒烫涣骺赝ǘ希直鹧≡裥枰尤氲缏返牡缛葜担詈蠼≡竦娜嗥ヅ涞缛葜低ü壕允灸？橄允荆桓靡壕允灸？椴捎�320X240的图形点阵式液晶，其功能是显示交流电源频率、磁场强度、匹配电容值和需要调节的电源电压值，通过液晶显示的这些参数，了解线圈电路的总体状况，并根据显示的电源参数调节三相电源的频率和各相电压； 所述相位检测�？椋ㄇ凹墩蔚缏�、相位差测量电路和相位极性判别电路；三路正弦波信号首先经前级整形电路输出为方波信号，然后经过相位差测量电路，分析计算出其中两路信号之间的相位差，同时通过相位极性判别电路判断这两路信号波形的超前或滞后，最后根据显示的相位差和相位极性调整三相电源的起始角度，使其相位保持同步；该前级整形电路是将正弦信号转换成方波信号，作为后续相位差测量电路的输入；该相位差测量电路是通过相关计数法检测三路正弦波的相位，分别通过测试三路信号间其中两路的相位差，得出三相之间的相位关系；该相关计数法是首先将两路方波信号进行异或操作后，并和有源晶振输出的高频脉冲信号进行与操作，然后在相同时间内对异或操作后的信号脉冲和与操作后的信号脉冲计数，最后通过对这两个脉冲个数换算可得出两路信号之间的相位差；该相位极性判别电路是通过D触发器判别相位差测量电路中两路信号波形的超前或滞后，便于调整三相电源信号的起始角度； 所述三维亥姆霍兹线圈是由两两相互垂直的三对空心圆柱线圈组成，每对线圈是由一对半径都为R，同轴放置且间距为R的空心圆柱线圈构成，三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中X轴、Y轴和Z轴；该三维亥姆霍兹线圈的功能是产生设定大小和任意三维方向的交变磁�。琶舸衅魈匦缘娜娌馐蕴峁┚榷雀叩拇懦』肪�。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于该变频电源�？榧聪咝钥杀喑探涣鞅淦档缭吹耐庑纬叽缥�430_X700_X700mm，型号为APS8003LS。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于该电容匹配�？橹械目乜刂频缏分泄烫涣骺氐男秃攀茿CST8-8CFP。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，其特征在于该三维亥姆霍兹线圈的型号是3H1Y6-100，外形几何尺寸为X轴线圈内径为100mm、外径为140mm，厚度为20mm ；Y轴线圈内径为180mm、夕卜径为230mm，厚度为25mm ；Z轴线圈内径为272mm、外径为332mm,厚度为30mm ;可产生的磁场均勻区为30_X 30_X 30mm。
全文摘要
一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，它是由变频电源�？�、电容匹配�？椤⑾辔患觳饽？楹腿ツ坊糇认呷ψ槌桑皇紫缺淦档缭茨？楦菀笊柚玫缪辜捌淦德剩缓笸ü缛萜ヅ淠？檠≡穸杂Φ牡缛葜狄约跣∠呷Φ绺卸源鸥杏η慷鹊挠跋欤幼沤髡蟮娜嗟缭葱藕乓环矫娼又料辔患觳饽？椋菹辔患觳饨峁髡淦档缭吹钠鹗冀嵌龋Ｖと懦〉南辔煌剑涣硪环矫娼又寥ツ坊糇认呷Γ蛊洳槐浯懦。槐痉⒚骺刹我夥较�、高均匀度的交直流磁�。琶舸衅鞯奶匦圆馐蕴峁┝舜懦』肪常凰诘缱硬饬考际趿煊蚶锞哂薪虾玫氖涤眉壑岛陀τ们熬�。
文档编号G01R35/00GK103064049SQ20121056303
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者赵晓东, 钱政, 黄珊珊, 陆吉玺 申请人:北京航空航天大学
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