CN110632537B - 一种直流磁场强度的测试方法 - Google Patents

一种直流磁场强度的测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流磁场强度的测试方法，包括正弦信号发生器、信号幅度放大模块、激光测振仪、NI采集卡和横向场激励的磁场传感器；优点是本方法通过横向场激励下磁场传感器的谐振频率来判断直流磁场强度，克服了温度对磁场传感器的影响；而且通过磁场传感器三种不同振动模态下的谐振频率来判断不同强度范围的直流磁场，实现了直流磁场强度的准确测试；又由于磁场传感器上的正、负电极位于压电材料层的同一侧，使得所有的电极及引线均置于磁场传感器的后端，消除了电极对磁场探测信号的干扰与衰减，进一步确保了磁场强度测试的准确性。

Description

一种直流磁场强度的测试方法
技术领域
本发明涉及磁场参数的测试，尤其涉及一种直流磁场强度的测试方法。
背景技术
目前直流磁场的测量方法主要有霍尔元件检测法、流水式NMR测场法、干簧管磁场检测法、磁通门磁强计法等。这些方法中，霍尔元件检测法具有体积小，结构简单，频率响应宽，输出电压变化大以及寿命长等优点，但是互换性差，测量电路工作时间过长会导致发热，使得霍尔元件的电路***中的霍尔电压表产生测量误差，以及电极位置不完全对称所引起的不等位电势。流水式NMR测场仪需要用较强磁场对流动水样品进行预极化，对检测弱磁场会很困难，还会出现准确度的问题，如数字频率计读数的量化误差、水的抗磁性磁化率影响以及检测器噪音影响。干簧管磁场检测结构简单，体积小，便于控制，但是响应时间长。磁通门磁强计灵敏度高，携带方便，但是电路复杂，电路参数受温度影响大且调试难度困难。
因此，要提出一种具有灵敏度高、测量精度高、能检测强弱磁场以及不受温度影响的直流磁场测量方法，将具有重大意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种直流磁场强度的测试方法，其可克服温度对传感器的影响，使得磁场强度的测试准确。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种直流磁场强度的测试方法，其所使用的测试***包括正弦信号发生器、信号幅度放大模块、激光测振仪、NI采集卡和横向场激励的磁场传感器，所述的磁场传感器包括相互黏结固定的压电材料层和压磁材料层，所述的压电材料层的其中一个面上设置有正电极和负电极，所述的正电极和所述的负电极所在的面与所述的压电材料层与所述的压磁材料层的黏结面相正对，以实现磁场传感器的横向场激励，所述的正弦信号发生器分别与所述的信号幅度放大模块、所述的NI采集卡电连接，所述的信号幅度放大模块和所述的激光测振仪分别与所述的磁场传感器电连接，所述的激光测振仪与所述的NI采集卡电连接，具体方法包括以下具体步骤：
（1）、调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器产生一阶弯曲振动；
（2）、在步骤（1）所确定的扫频频率范围内，正弦信号发生器将正弦电信号通过信号幅度放大模块对磁场传感器产生激励，同时，正弦信号发生器将该正弦电信号作为参考信号传输给NI采集卡，通过NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件；
（3）、将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器置于已知磁场强度的直流磁场中，并通过激光测振仪测得磁场传感器在步骤（1）所确定的扫频频率范围内的振动位移和振动频率，此为采集信号，同时将该采集信号以电信号的形式经过NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，软件对接收到的参考信号和采集信号作处理后得到对应的频响函数和磁场传感器在该直流磁场中的谐振频率；
（4）、将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器依次置于不同磁场强度的直流磁场中，重复步骤（3），逐一通过NI采集卡和激光测振仪测得相应的磁场传感器的谐振频率，然后通过Origin软件得到一阶弯曲振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围；
（5）、调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器处于二阶弯曲振动；
（6）、在步骤（5）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到二阶弯曲振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围；
（7）、调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器处于厚度剪切振动；
（8）、在步骤（7）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到厚度剪切振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围；
（9）、根据所要测试的直流磁场的磁场强度所在的范围，再对应上述步骤（4）、（6）、（8）所得到的关系图，选择磁场强度所在的范围内谐振频率与磁场强度呈线性关系所对应的振动模态，然后将磁场传感器调控至该振动模态，并将正弦信号发生器的输出信号调节至相应的频率范围，正弦信号发生器对磁场传感器产生激励，同时，正弦信号发生器将电信号作为实测参考信号经NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，然后将磁场传感器放置于所要测试的直流磁场中，通过激光测振仪测得磁场传感器在上述频率范围内的实测振动位移和实测振动频率，此为实测采集信号，并将该实测采集信号以电信号的形式经NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，软件对接收到的实测参考信号和实测采集信号作处理后得到对应的频响函数和磁场传感器在所要测试的直流磁场中的实测谐振频率，最后根据该振动模态下的谐振频率与磁场强度的关系图，通过matlab软件分析得到准确的所测直流磁场的磁场强度。
进一步地，所述的压电材料层的材料为具有逆压电效应的压电陶瓷、石英、钽酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂或者锆钛酸铅，所述的压磁材料层的材料为稀土类铁磁材料。
与现有技术相比，本发明的优点是本方法通过横向场激励下磁场传感器的谐振频率来判断直流磁场强度，克服了温度对磁场传感器的影响；且利用激光测振仪进行非接触式直接测得磁场传感器的振动频率来感知直流磁场强度，而且还通过磁场传感器三种不同振动模态下的谐振频率来判断不同强度范围的直流磁场，实现了直流磁场强度的准确测试；又由于磁场传感器上的正、负电极位于压电材料层的同一侧，使得所有的电极及引线均置于磁场传感器的后端，消除了电极对磁场探测信号的干扰与衰减，进一步确保了磁场强度测试的准确性。此外，由于本方法采用了横向场激励的磁场传感器，经实验表明通过控制正、负电极之间的间距可实现磁场传感器振动模态的改变，且横向场激励的磁场传感器的电特性灵敏度、动态感抗较好，频率的稳定性也较好。
附图说明
图1为本发明所使用的测试***的连接原理图；
图2为本发明的磁场传感器的结构示意图；
图3为本发明所得到的在一阶弯曲振动模态下磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图；
图4为本发明所得到的在二阶弯曲振动模态下磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图；
图5为本发明所得到的在厚度剪切振动模态下磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图所示，一种直流磁场强度的测试方法，其所使用的测试***包括正弦信号发生器1、信号幅度放大模块2、激光测振仪3、NI采集卡4和横向场激励的磁场传感器5，磁场传感器5包括相互黏结固定的压电材料层51和压磁材料层52，压电材料层51的其中一个面上设置有正电极53和负电极54，正电极53和负电极54所在的面与压电材料层51与压磁材料层52的黏结面相正对，以实现磁场传感器5的横向场激励，正弦信号发生器1分别与信号幅度放大模块2、NI采集卡4电连接，信号幅度放大模块2和激光测振仪3分别与磁场传感器5电连接，激光测振仪3与NI采集卡4电连接。
下面以磁场强度范围为0～1600 Oe的直流磁场为例，阐述直流磁场强度的具体测试方法，具体步骤为：
（1）、调整磁场传感器5上的正电极53与负电极54之间的间距，并通过设置正弦信号发生器1的输出信号，使正弦信号发生器1产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器5产生一阶弯曲振动；
（2）、在步骤（1）所确定的扫频频率范围内，正弦信号发生器1将正弦电信号通过信号幅度放大模块2对磁场传感器5产生激励，同时，正弦信号发生器1将该正弦电信号作为参考信号传输给NI采集卡4，通过NI采集卡4发送给激光测振仪3自带的软件；
（3）、将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器5置于磁场强度为200 Oe的直流磁场中，并通过激光测振仪3测得磁场传感器5在步骤（1）所确定的扫频频率范围内的振动位移和振动频率，此为采集信号，同时将该采集信号以电信号的形式经过NI采集卡4发送给激光测振仪3自带的软件，软件对接收到的参考信号和采集信号作处理后得到对应的频响函数和磁场传感器5在该直流磁场中的谐振频率；
（4）、将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器5依次置于0～1600 Oe范围内的不同磁场强度的直流磁场中，重复步骤（3），逐一通过NI采集卡4和激光测振仪3测得相应的磁场传感器5的谐振频率，然后通过Origin软件得到一阶弯曲振动模态下的磁场传感器5的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，如图3所示，并从该关系图上可知磁场强度在200～1600 Oe的范围内谐振频率与磁场强度有良好的线性关系；
（5）、调整磁场传感器5上的正电极53与负电极54之间的间距，并通过设置正弦信号发生器1的输出信号，使正弦信号发生器1产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器5处于二阶弯曲振动；
（6）、在步骤（5）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到二阶弯曲振动模态下的磁场传感器5的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，如图4所示，并从该关系图上可知磁场强度在100～1000 Oe的范围内谐振频率与磁场强度有良好的线性关系；
（7）、调整磁场传感器5上的正电极53与负电极54之间的间距，并通过设置正弦信号发生器1的输出信号，使正弦信号发生器1产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器5处于厚度剪切振动；
（8）、在步骤（7）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到厚度剪切振动模态下的磁场传感器5的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，如图5所示，并从该关系图上可知磁场强度在0～200 Oe的范围内谐振频率与磁场强度有良好的线性关系；
（9）、当所要测试的直流磁场的磁场强度小于200 Oe时，将磁场传感器5调控至厚度剪切振动，并将正弦信号发生器1的输出信号调节至相应的频率范围，正弦信号发生器1对磁场传感器5产生激励，同时，正弦信号发生器1将电信号作为实测参考信号经NI采集卡4发送给激光测振仪3自带的软件，然后将磁场传感器5放置于所要测试的直流磁场中，通过激光测振仪3测得磁场传感器5在上述频率范围内的实测振动位移和实测振动频率，此为实测采集信号，并将该实测采集信号以电信号的形式经NI采集卡4发送给激光测振仪3自带的软件，软件对接收到的实测参考信号和实测采集信号作处理后得到对应的频响函数和磁场传感器5在所要测试的直流磁场中的实测谐振频率，最后根据厚度剪切振动模态下的谐振频率与磁场强度的关系图，通过matlab软件分析得到准确的所测直流磁场的磁场强度；同理，当所要测试的直流磁场的磁场强度大于1000 Oe时，将磁场传感器5调控至一阶弯曲振动，并将正弦信号发生器1的输出信号调节至相应的频率范围，再将磁场传感器5放置于所要测试的直流磁场中，根据上述方法测得准确的所测直流磁场的磁场强度；当所要测试的直流磁场的磁场强度大于200 Oe小于1000 Oe时，可将磁场传感器5调控至一阶弯曲振动或二阶弯曲振动，再根据上述方法测得准确的所测直流磁场的磁场强度。
上述实施例中，磁场传感器5的压电材料层51的材料可为具有逆压电效应的压电陶瓷、石英、钽酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂或者锆钛酸铅，压磁材料层52的材料为稀土类铁磁材料。
上述实施例中，利用磁场传感器5的谐振频率来测试直流磁场强度的原理为：正弦信号发生器1产生的正弦电信号通过信号幅度放大模块2对磁场传感器5产生激励，磁场传感器5中的压电材料层51受到正弦电信号的激励，由于逆压电效应而产生振动，从而带动压磁材料层52振动，当磁场传感器5的固有频率和正弦信号发生器产生的频率相同时，磁场传感器5就会产生谐振，此时的频率为谐振频率；当磁场传感器5位于直流磁场中时，压磁材料层52受到磁场的影响，发生伸长或缩短，磁场传感器5的谐振频率会发生改变，从而通过谐振频率的改变来测试直流磁场的强度的大小。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种直流磁场强度的测试方法，其特征在于其所使用的测试***包括正弦信号发生器、信号幅度放大模块、激光测振仪、NI采集卡和横向场激励的磁场传感器，所述的磁场传感器包括相互黏结固定的压电材料层和压磁材料层，所述的压电材料层的其中一个面上设置有正电极和负电极，所述的正电极和所述的负电极所在的面与所述的压电材料层与所述的压磁材料层的黏结面相正对，以实现磁场传感器的横向场激励，所述的正弦信号发生器分别与所述的信号幅度放大模块、所述的NI采集卡电连接，所述的信号幅度放大模块和所述的激光测振仪分别与所述的磁场传感器电连接，所述的激光测振仪与所述的NI采集卡电连接，具体方法包括以下具体步骤：
（1）、调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器产生一阶弯曲振动；
（2）、在步骤（1）所确定的扫频频率范围内，正弦信号发生器将正弦电信号通过信号幅度放大模块对磁场传感器产生激励，同时，正弦信号发生器将该正弦电信号作为参考信号传输给NI采集卡，通过NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件；
（3）、将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器置于已知磁场强度的直流磁场中，并通过激光测振仪测得磁场传感器在步骤（1）所确定的扫频频率范围内的振动位移和振动频率，此为采集信号，同时将该采集信号以电信号的形式经过NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，软件对接收到的参考信号和采集信号作处理后得到对应的频响函数和磁场传感器在该直流磁场中的谐振频率；
（4）、将处于一阶弯曲振动模态下的磁场传感器依次置于不同磁场强度的直流磁场中，重复步骤（3），逐一通过NI采集卡和激光测振仪测得相应的磁场传感器的谐振频率，然后通过Origin软件得到一阶弯曲振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围；
（5）、调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器处于二阶弯曲振动；
（6）、在步骤（5）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到二阶弯曲振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围；
（7）、调整磁场传感器上的正电极与负电极之间的间距，并通过设置正弦信号发生器的输出信号，使正弦信号发生器产生扫频，扫频的频率范围为使磁场传感器处于厚度剪切振动；
（8）、在步骤（7）所确定的扫频频率范围内，重复步骤（2）～（4）的操作，得到厚度剪切振动模态下的磁场传感器的谐振频率与直流磁场的磁场强度关系图，并记下该关系图上谐振频率与磁场强度呈线性关系的一段所对应的磁场强度的范围；
（9）、根据所要测试的直流磁场的磁场强度所在的范围，再对应上述步骤（4）、（6）、（8）所得到的关系图，选择磁场强度所在的范围内谐振频率与磁场强度呈线性关系所对应的振动模态，然后将磁场传感器调控至该振动模态，并将正弦信号发生器的输出信号调节至相应的频率范围，正弦信号发生器对磁场传感器产生激励，同时，正弦信号发生器将电信号作为实测参考信号经NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，然后将磁场传感器放置于所要测试的直流磁场中，通过激光测振仪测得磁场传感器在上述频率范围内的实测振动位移和实测振动频率，此为实测采集信号，并将该实测采集信号以电信号的形式经NI采集卡发送给激光测振仪自带的软件，软件对接收到的实测参考信号和实测采集信号作处理后得到对应的频响函数和磁场传感器在所要测试的直流磁场中的实测谐振频率，最后根据该振动模态下的谐振频率与磁场强度的关系图，通过matlab软件分析得到准确的所测直流磁场的磁场强度。
2.如权利要求1所述的一种直流磁场强度的测试方法，其特征在于：所述的压电材料层的材料为具有逆压电效应的压电陶瓷、石英、钽酸镓镧、铌镁酸铅-钛酸铅、钽酸锂、铌酸锂或者锆钛酸铅，所述的压磁材料层的材料为稀土类铁磁材料。
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