[发明专利]一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置

说明书

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场，因此被广泛地使用在磁敏传感器的测试及应用场合。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场，现有的三维亥姆霍兹线圈虽可以产生任意方向的交直流磁场，但由于受线圈电感的影响，线圈产生的磁感应强度将受到限制，此外，由于三个线圈的电阻电感比值不同，相位相同的电源产生的电流相位不同，进而导致产生的动态磁场相位不同，这将不利于三维磁场的合成。

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，采用变频电源模块分别给每对线圈单独提供交变电源；当电源产生交变电流时，基于线圈电感对磁感应强度的影响，提供了电容匹配模块以降低线圈电感的影响；基于三维线圈电阻电感比值的不同导致产生的动态磁场相位不同，设计了相位检测电路，根据检测的相位差调节电源的起始角度。

本发明一种基于相位同步的三维标准磁场发生装置，是由变频电源模块、电容匹配模块、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，然后通过电容匹配模块选择对应的电容值以减小线圈电感对磁感应强度的影响，接着将调整后的三相电源信号一方面接至相位检测模块，根据相位检测结果调整变频电源的起始角度，保证三维磁场的相位同步；另一方面接至三维亥姆霍兹线圈，使其产生动态交变磁场。

所述变频电源模块，是一种三相线性可编程交流变频电源，分两档输出，一档电压范围是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0.1Hz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场。

所述电容匹配模块，包括串联电容、开关控制电路和液晶显示模块，其间的关系是：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模块显示。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模块显示。该液晶显示模块采用320×240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。

所述相位检测模块，包括前级整形电路、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。