專利名稱：一種三維中頻強磁場測量探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于中頻強交變磁場測量傳感器領域，涉及中高頻信號采集與傳輸技術，三維姿態校正技術，特別涉及一種三維中頻強磁場測量探頭。
背景技術：
工業渦流加熱設備或者磁感應熱療等設備由于需要對加熱區域的磁場進行實時的測量和控制等需求，需要頻率測量范圍為IOkHz IMHz的強交變磁場測量儀器。由于中頻強交變磁場的渦流效應導致普通的測量電路因為迅速產熱而失效，同時普通的磁敏元件由于帶寬不足導致無法對中頻強磁場進行準確測量。針對高頻強磁場測量主要采取的辦法為電磁感應法。電磁感應法是以電磁感應定律為基礎的一種磁場測量方法。由于測量的磁場按照正弦規律變化:B=BciSin(Cot)其中Btl是磁感應強度的最大值，ω是磁場的角頻率，那么每個探測線圈的感生電動勢:石=菩=ΣSi 菩=)因此可以設計不同結構的感應線圈來探測不同頻率和幅度的交變磁場。目前，交變磁場測量儀器多為低頻弱場、高頻電磁輻射場或者脈沖電磁場測量設備，并且主要為一維磁場測量設備。專利201010214820.2和201020243927.5公布了一種“中頻強磁場測量裝置”，其主要實現了一維交變磁場的測量，交變磁場敏感元件為自制電感線圈。該裝置詳細介紹了一維中頻強磁場的測量方案與電路，并不能實現三個方向交變磁場的同時測量。專利201010572779.6公布了一種“磁場測量儀”，其采用霍爾傳感器作為磁場敏感元件對磁場進行測量，由于霍爾元件的頻率響應范圍有限，無法實現數百千赫茲交變磁場的測量。專利201020196041.X公布了一種“電磁感應法脈沖強磁場測量裝置”，其磁場敏感元件采用圓柱形的感應線圈式磁傳感器，為了實現磁場的準確測量，其設計了一種特殊結構的支架，保證測量的磁場方向垂直于線圈平面，由于采用一只傳感器，同樣僅能測量一維磁場，并且測量范圍有限。
發明內容為了克服上述現有技術的不足，本實用新型的目的在于提供一種三維中頻強磁場測量探頭，頻率范圍寬，測量幅度寬，抗干擾能力強，使用方便，可實現空間中任一點磁場頻率、幅度和方向的精確測量。為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案是:一種三維中頻強磁場測量探頭，包括焊接于傳感器固定板2上的三個相互垂直的單軸磁場測量傳感器1，各個單軸磁場測量傳感器I的輸出信號通過航空插頭4引出，航空插頭4通過同軸電纜連接線5接測量儀器，還包括一個實現探頭位置與參考坐標系變換的探頭三維姿態校正模塊6。所述單軸磁場測量傳感器I為平面同心線圈，是交變磁場敏感元件，將磁場參數轉換為電信號。所述單軸磁場測量傳感器I由多層電路板銅層蝕刻平面同心線圈構成，同心線圈為圓形或者多邊形，對稱分布于電路板的正反面。所述同軸電纜連接線5由三根細同軸電纜構成，每根細同軸電纜一端連接航空插頭4，另一端連接BNC接頭，同軸電纜連接線5上設置有電信號幅度衰減器。所述電信號幅度衰減器采用無源RC電路，帶寬為10MHz。所述探頭三維姿態校正模塊6由三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器構成，并且加速度傳感器和磁場傳感器的XYZ方向與測量探頭XYZ方向分別平行。所述三軸加速度傳感器采用ADXL345，三維磁場傳感器采用HMC5883L。以AVR單片機ATMEGA8為控制核心采集三軸加速度傳感器和三維磁場探頭的信號，并通過單片機的串口將結果傳輸給上位機。與現有技術相比，本實用新型可實現三個互相垂直方向磁場的測量，測量結果包含磁場頻率，強度以及合成的總磁場方向。通過單軸磁場傳感器將與傳感器平面垂直的磁場轉換為交流電壓信號，該交流電壓信號頻率與磁場頻率一致，峰值與磁場幅度成線性關系。電壓信號通過抗干擾能力強的同軸電纜引出，通過對三維磁場探頭輸出結果進行矢量疊加即可得到總磁場的幅值、頻率以及方向信息。
圖1為三維磁場測量探頭連接示意圖圖2為同軸電纜連接線圖3為探頭三維姿態校正模塊示意圖
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進行更詳盡的說明。如圖1所示，本實用新型為三維中頻交變磁場測量探頭，包括單軸磁場測量傳感器1、傳感器固定板2、探頭外殼3、航空插頭4、同軸電纜連接線5、探頭三維姿態校正模塊6。如圖1所示，單軸磁場測量傳感器I有三個且互相垂直，均焊接于傳感器固定板2上。如圖2所示，各個單軸磁場測量傳感器I的輸出信號通過航空插頭4引出，航空插頭4通過同軸電纜連接線5接測量儀器，航空插頭4通過螺紋設置在探頭尾部，探頭外殼3設置在探頭外部，用來保護探頭。如圖3所示，本實用新型還包括一個實現探頭位置與參考坐標系變換的探頭三維姿態校正模塊6，探頭三維姿態校正模塊6通過信號線7實現信號傳輸，探頭三維姿態校正模塊6上帶有弧形凹槽，弧形凹槽與探頭手柄圓柱形外殼連接在一起。[0030]所述單軸磁場測量傳感器I為平面同心線圈，是交變磁場敏感元件，比如平面螺旋電磁感應線圈。由多層電路板銅層蝕刻平面同心線圈構成，同心線圈為圓形或者多邊形，對稱分布于電路板的正反面。所述傳感器固定板2實現三個互相垂直的單軸磁場測量傳感器I的連接，并將傳感器電信號傳輸至航空插頭4 ;所述同軸電纜連接線5將航空插頭4引出的電信號通過BNC接頭傳輸給測量儀器，同軸電纜連接線5由三根細同軸電纜構成，每根細同軸電纜一端連接航空插頭4，另一端連接BNC接頭，同軸電纜連接線5上設置有電信號幅度衰減器，通過開關實現對輸出電信號的衰減。衰減器采用無源RC電路，最大信號衰減幅度為10倍，信號帶寬 IMHz。探頭三維姿態校正模塊由三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器構成，并且加速度傳感器和磁場傳感器的XYZ方向與測量探頭XYZ方向分別平行，實現了探頭位置與參考坐標系的變換，實施例中三軸加速度傳感器采用ADXL345，三維磁場傳感器采用HMC5883L。本實用新型的工作過程是:單軸磁場測量傳感器I將磁場頻率和幅度參數轉換為同頻率交流電壓信號，然后通過航空插頭4和同軸電纜連接線5傳輸至測量儀器，電信號幅度衰減器實現對輸出電信號的衰減，測量儀器得到的信號以及探頭三維姿態校正模塊得到的信號都交由單片機處理，得到探頭位置與參考坐標系的變換結果，再對三維磁場探頭輸出結果進行矢量疊加即可得到總磁場的幅值、頻率以及方向信息，并將這些數據上傳至上位機。
權利要求1.一種三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，包括焊接于傳感器固定板(2)上的三個相互垂直的單軸磁場測量傳感器(1)，各個單軸磁場測量傳感器(I)的輸出信號通過航空插頭(4)引出，航空插頭(4)通過同軸電纜連接線(5)接測量儀器，還包括一個實現探頭位置與參考坐標系變換的探頭三維姿態校正模塊(6 )。
2.根據權利要求1所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，所述單軸磁場測量傳感器(I)為平面同心線圈，是交變磁場敏感元件，將磁場參數轉換為電信號。
3.根據權利要求2所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，所述單軸磁場測量傳感器(I)由多層電路板銅層蝕刻平面同心線圈構成，同心線圈為圓形或者多邊形，對稱分布于電路板的正反面。
4.根據權利要求1所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，所述同軸電纜連接線(5)由三根細同軸電纜構成，每根細同軸電纜一端連接航空插頭(4)，另一端連接BNC接頭，同軸電纜連接線(5)上設置有電信號幅度衰減器。
5.根據權利要求4所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，所述電信號幅度衰減器采用無源RC電路，帶寬為IOMHz。
6.根據權利要求1所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，所述探頭三維姿態校正模塊(6)由三軸加速度傳感器和三軸磁場傳感器構成，并且加速度傳感器和磁場傳感器的XYZ方向與測量探頭XYZ方向分別平行。
7.根據權利要求6所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，所述三軸加速度傳感器采用ADXL345，三維磁場傳感器采用HMC5883L。
8.根據權利要求6或7所述的三維中頻強磁場測量探頭，其特征在于，以AVR單片機ATMEGA8為控制核心采集三軸加速度傳感器和三維磁場探頭的信號，并通過單片機的串口將結果傳輸給上位機。
專利摘要一種三維中頻交變磁場測量探頭，屬于中頻強交變磁場檢測的設備領域，包括三個將磁場參數轉換為電信號的單軸磁場測量傳感器、實現三個互相垂直的單軸磁場測量傳感器連接并將傳感器電信號傳輸至航空插頭的傳感器固定板、將航空插頭引出的電信號通過BNC接頭傳輸給測量儀器的同軸電纜、放置在電纜上實現對輸出電信號衰減的衰減器，以及由與探頭三個單軸磁場測量傳感器方向平行的三軸加速度與三軸磁場傳感器組成的探頭三維姿態校正模塊，本實用新型可測量頻率范圍1k～1MHz，幅值范圍1～1000Gs的中頻交變磁場，同時可通過三維磁場測量結果對測量點的總磁場幅值與方向進行計算，操作簡單、抗干擾能力強、測量精度高。
文檔編號G01R33/02GK202995013SQ201220564819
公開日2013年6月12日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者唐勁天, 蔡東陽, 武建安 申請人:清華大學