廖文平+李麗+賀慧勇+劉嘉文+王燕+趙丹等

摘 要： 針對(duì)工頻磁場測量的靈活性和便攜性需求，提出了一種測量儀可任意姿態(tài)放置的工頻磁場測量儀設(shè)計(jì)方案，該方案把加速度傳感器和磁場傳感器結(jié)合起來得到工頻磁場水平方向和豎直方向上的分量，而無需對(duì)測量儀進(jìn)行調(diào)平操作。該磁場測量儀包括三軸磁感應(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)工頻磁場測量儀測量磁場水平分量和豎直分量需要調(diào)平的問題，結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活，有一定的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 磁場測量儀； 工頻磁場； 加速度傳感器； 磁場矢量分解

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，我國工頻為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]，其中工頻磁場引起了廣大民眾的關(guān)注。超低頻磁場對(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對(duì)人體的某些疾病的影響有一定的因果關(guān)系[2?4]?？蒲腥藛T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的生物學(xué)效應(yīng)研究[3]、電力設(shè)施工頻磁場與周邊設(shè)施耦合研究和及職業(yè)人員磁場暴露水平[4?6]等。目前國標(biāo)和一些行標(biāo)都規(guī)定了磁感強(qiáng)度的接觸限值，例如我國的《電力行業(yè)勞動(dòng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了工頻磁場職業(yè)接觸限制[5]為500 μT。在一些研究工作中，需要確定工頻磁場的豎直分量和水平分量。傳統(tǒng)的工頻磁場測量儀一般要求水平放置才能測得水平方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的值，不便于現(xiàn)場快速測量。本文采用加速度傳感器測得加速度值，設(shè)計(jì)了一種測量儀可以任意姿態(tài)放置的工頻磁場測量儀，該測量儀把磁場測量模塊測得的三維磁場分解為水平分量和豎直分量，無需對(duì)測量儀進(jìn)行調(diào)平操作，為工頻磁場測量提供了新的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。endprint

1 儀器總體設(shè)計(jì)方案

為了獲得磁場的水平和豎直方向上的磁場值，傳統(tǒng)的方法就是把磁場測量儀水平放置，那么就要把支撐磁場測量儀的工作臺(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、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)簡單、能耗較低、磁場分解方法簡單、使用方便，適用于便攜式快速測量。總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括磁場傳感器模塊、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 工頻磁場測量儀總體框圖

2 磁場測量分解原理

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

本設(shè)計(jì)中三軸磁場傳感器的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；磁場傳感器的x軸、y軸、z軸方向上的磁場分別是[Bx，By，Bz]，這3個(gè)矢量合成得到磁場為[B；?]為合成后的磁場[B]和重力[g]之間的夾角，即可得到合成磁場矢量在豎直方向上的投影，即豎直方向上的磁場分量為：

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

可得到合成磁場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)算得到磁場的水平和豎直分量，沒有復(fù)雜的角度計(jì)算，計(jì)算簡單，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

為了提高測量儀的減小體積和功耗，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。該傳感器可以測量恒定和變化的加速度，在測量范圍設(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)測量，對(duì)加速度的測量范圍無需很大，配置傳感器相關(guān)寄存器使測量范圍為±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

中國實(shí)際推薦的工頻磁場的職業(yè)接觸限制為500 μT，故設(shè)計(jì)本測量儀的測量范圍時(shí)0～5 mT。試制階段使用的是某工廠的非均勻磁場測量儀中的探測線圈，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在探測探測線圈上產(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)更加簡單；后一級(jí)的RC低通濾波電路用于濾除高頻磁場帶來的干擾。

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。 由于磁場測量的速度無需很高，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)磁場分量值的存儲(chǔ)、記錄；LCD1602液晶顯示屏用來對(duì)磁場分量值的顯示，控制起來簡單、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)的工頻磁場測量是一個(gè)循環(huán)測量的過程，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)軸方向上的磁場值，最后結(jié)合三軸加速度傳感器測得的加速度值，利用磁場測量分解原理計(jì)算得到磁場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

本三維工頻磁場測量儀使用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合加速度傳感器測得的加速度值，采用一種新的方法把三軸磁場分解到水平和豎直方向，解決了傳統(tǒng)磁場測量儀測量工頻磁場水平和豎直分量時(shí)磁場傳感器必須水平放置的問題。同時(shí)該工頻磁場測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、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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