弱磁场测量方法的研究
杨阳 胡超 陈冬梅 戴厚德 阳万安
中科院深圳先进技术研究院
摘要 磁场测量技术是研究磁现象的重要手段，在国防、工业、医疗、交通等领域有广泛的应用。随着电子信息技术的进展，磁场测量有向弱磁方向发展的趋势。本文根据当前磁场测量的现状以及发展趋势，介绍常见的弱磁场测量基本原理和方法；并针对我们开发的基于3轴AMR 磁传感器HMC1043和单片机的手持式智能三轴磁场测量与定位仪，用实例介绍有关弱磁场测量的技术手段。 关键词 弱磁场，测量，3轴磁场传感器
1 前言
磁场测量技术是研究磁现象有关物理现象的重要手段，已经逐渐形成为一门独立的科学。在科学研究、国防建设、工业生产、医疗仪器、日常生活等领域，磁场测量常常起着越来越重要的作用。 磁场测量是一门历史悠久并且不断发展的技术科学[1]，是电磁测量技术的一个重要分支。远在公元一千年前，我们的祖先就知道了指南针有极性，并将其制成罗盘用于旅行和航海，这可称为世界上第一个磁场测量的仪器[2]。目前，由于磁测量技术的广泛应用，大大丰富了磁测量的内容，该技术几乎涉及所有的电测量方法。利用了各种电磁现象，发展了许许多多的技术应用；并且随着电子技术、计算机技术、自动化技术、冶金工艺、机械制造与工艺技术的发展，磁场测量已经走向小型化、电子化、数字化、和自动化，性能大为改善，磁场测量已向宽量程和高精度发展，特别是弱磁场的测
量。弱磁场测量为磁技术的应用开辟了新的领域，如人体体内磁目标的跟踪定位。
针对这一趋势，我们设计了手持式智能三轴磁场计以对弱磁场进行测量。设计中采用低功耗、高灵
敏度、和高线性度的霍尼韦尔HMC1043三轴AMR（各
向异性磁阻）磁场传感器，并通过单片机和其它放大控制电路，准确的测量出目标空间3维磁场的强度，判断出磁场的极性，该磁场计还特别适合弱磁场的测量。
本文以下内容将介绍磁场特点及测量原理、基本测量方法、手持式智能三轴磁场检测仪的设计，最后给予总结。
2 磁场与测量原理
磁场测量技术所涉及的范围很广，从被测磁场
强度范围看，它可以从10-15T （特斯拉）至103T 以上；从其频率看，它包括直流、工频、高频、及各种脉冲；从测量技术所应用的各种原理来看，它涉及到电磁效应、光磁效应、压磁效应、热效应等各种效应；从测量中所采用的技术来看，它包括指针仪表、数字仪表直至电子计算机的系统测量。 磁场测量包括磁参数和磁性材料磁特性的测量。磁参数的测量指的是磁场强度和磁通的测量。磁性测量一般是指的材料试样的测试，用以反映磁性材料的磁性参数。目前在国内厂家对于磁性测量的装置相对较多，但对于磁参数测量的装置生产的相对较少。因此，研究和发展高精度、灵敏度强、稳定性好、使用
简单，成本低廉的磁场测量装置有着深远的意义。
对宏观磁场和磁性材料进行磁学量测量的仪器。通常按测量对象不同分为两大类。
第一类仪器用于测量磁场强度、磁通密度、磁通量、磁矩等表征磁场特征的物理量。典型仪器有磁通计、磁强计、磁位计等。这类仪器的工作原理可分三种：第一种是利用磁的力效应，用于测量地磁场强度和检验磁性材料；第二种根据法拉第的电磁感应定律，由感应电动势求出磁通的变化，再导出各种待求的磁场量；第三种利用磁致物理效应（如霍尔效应等）来测量磁通密度，对静止的或变动的磁场量均适用。
第二类仪器用于测量磁导率、磁化强度、磁化
曲线、磁滞回线、交流损耗等磁性材料的特性，例如磁导计、爱波斯坦仪等。这类仪器所依据的原理与第一类相似，但所能达到的准确度受到材料样品的几何尺寸及磁特性的一致性等因素的影响。 不同磁场测量仪器具有不同的磁场测量范围，其电路设计也各有不同。对于弱磁场测量，具有代表性的仪器有：无定向磁强计、感应线圈磁强计、质子旋进磁强计、光泵磁强计、超导量子磁强计、磁通门磁强计、霍尔磁强计等。
弱磁场测量技术与其应用之间存在着相互依赖、又相互促进的关系，在不同的应用场合，根据特点和要求，需要不同的测试技术[3]。如在空间磁场测量领域，大量应用磁通门法、感应线圈法进行地质勘探、大地测量、地震预报、测试地磁场；在铁磁探测领域主要采用磁通门和光泵法测量地下管道及电缆接头，测试屏蔽效果等；在磁性测试中应用磁通门法和感应线圈法，测量钢管的磁导率，岩样的磁矩，以及磁性材料的矫顽力；在生物
测磁领域，主要采用磁通门法和超导量子磁强技术，这一点正受到医学界的重视；在国防军事和宇航事业中，主要采用磁通门法[4]、超导量子技术和光泵法进行探空、探潜、引爆、控制飞行器的姿态，测试空间及星际磁场；此外还应用多通道磁通门磁强计进行舰船的消磁效果的测试，无损探伤、位移、转速的测试，车型、车速的检测以及交通控制等。
3 磁场测量的方法
磁场测量方法是在电磁理论、电子技术和物理学的基础上建立起来的[5][6]。通常磁场测量以磁场强度的测量为主，测量方法较多，所采用的方法随样式的不同而异。中等强度场磁导计的磁场强度有的可以根据磁化绕组的电流计算得到，也可以通过探测线圈用感应法测量；强场磁导计和电磁铁的磁场强度可以用霍尔效应特斯拉计测量，也可以用感应法测量。磁测量的方法可以概括为以下几种： 1） 磁—力法
磁—力法是利用在被测磁场中的磁化物体或者载流线圈与被测磁场之间相互作用的机械力来测量磁场的方法[7]。它可以测量较弱的磁场，仪器的分辨率可以达到10-9T 以上。它主要用于地震预报、地磁变化和磁暴观测等方面，也可以用于检测岩样的磁性。
2）电磁感应法
电磁感应法是一种基于法拉第电磁感应定律的经典而又简单的的磁场测量方法[8]。感应电压与磁场强度成正比，能够直接测量与探测线圈交链的刺痛变化，从而能够测得线圈体积内平均的磁场强度值。它是一种应用十分广泛的方法，其测量范围是10-3～103T 。应用电磁感应法测量恒定磁场时，可以通过探测线圈的移动、转动或者震动来产
生磁通变化。 3）磁通门法
磁通门法是利用高导磁铁心在饱和交变励磁下选通调制铁心中的直流磁场分量，并将直流磁场转变为交流电压输出而进行测量的一种方法。磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象[9][10]。近年来，随着低矫顽力、低损耗、低磁致伸缩、高导磁率、高饱和磁效应和高矩形比软磁材料的研究和出现，磁通门技术被迅速应用到各个新的领域，特别是计算机技术的应用，磁通门技术实现了智能化，达到了新的水平。磁通门对弱磁场（如大地磁场）测量十分有效，应用领域涉及到磁场检测、电磁参数检测、工程检测、载体方位姿态测量与控制等。基于磁通门测试技术的测磁装置的显著特点是灵敏度高、简单、可靠、经济，而且探头可以做得很小，但它主要适用于测量弱磁场。 4）电磁效应法
电磁效应法[11]是利用金属或半导体中通以电流，并在外磁场的同时作用下产生的电磁效应来测量磁场的一种方法。其中，霍尔效应法应用最广，它可以测量10-7～10T 范围内的恒定磁场。 5）磁阻效应法
利用半导体材料（InSb ， 或 InAs）的电阻大小随磁场变化的特性。相应的产品有普通磁阻、各向异性磁阻AMR 、以及巨磁磁阻GMR 。通过电桥电路，磁阻的变化即可转换为电压或电流输出。磁阻元件和霍尔元件相似，成本价格低，便于大量使用。但通常，AMR 和GMR 有比霍尔元件更高的灵敏度，更适宜于弱磁场的检测。 6）磁共振法
自从1946年伯塞尔（E.M.Purcel ）和布洛奇(F.Bloch等人分别提出了核磁共振的吸收法和感应法并用于磁场的精密测量以来，磁共振的测量技
术得到了非常广泛的发展[12]。磁共振法是利用物质量子状态变化而精密测量磁场的一种方法，其测量对象一般是均匀的恒定磁场，是目前在磁场绝对测量方法中精度最高的。用核磁共振测量磁场的主要缺点是在整个测量范围内要更换好几种不同共振频率的探头，因而不便于进行连续测量，且其测量精度还与磁场的均匀度有关。 7）超导效应法
超导效应法是利用弱耦合超导体中约瑟夫森效应的原理测量磁场的一种方法，它可以测量0.1T 以下的恒定磁场或交变磁场[13]。超导效应法有极高的灵敏度，用它可以制成梯度计，在地质勘探、大地测量、计量技术和生物磁学等方面有重要的作用。
8）磁光效应法
法拉第磁光效应法是以激光为光源进行测量强脉冲磁场的一种方法[14]，它可以用来测量恒定磁场、交变磁场和冲磁场。磁光效应法主要应用于低温下的超导强磁场的测量。
随着电子技术的发展，光电磁通计、电子磁通计和数字磁通计等自动化测量设备得到了广泛应用，这使得对磁特性测量有了长足的进步。尤其是相关测试仪器技术改进，如虚拟仪器的应用，使得磁测量的手段得到很大提高[15]。
4 手持式智能三轴磁场检测仪
目前，市场上的磁场检测仪尺寸都比较大，价格昂贵，为此我们设计手持式智能三轴磁场检测仪，设计内容如下。
4.1 传感器的选择
低强度磁场传感器通常检测1 G 以下的磁场。由于目标磁场比地磁场(0．5-0．6G小得多，并且地磁场的微弱变化均比低强度磁场传感器测量范围大，因此在低强度磁场传感器的设计中必须充分考虑并抵消这种影响。
传感器是磁场计的关键部分，其性能直接决定仪器的基本测试精度、线性度和测量范围。本设计
采用Honeywell HMC1043型三轴磁阻传感器（见图1）。该传感器是一种小型3-轴表面安装的传感器器件，尺寸小（3mm ×3mm ），灵敏度高（1mv/v/guass）、可靠性好，可用来测量地球磁场的方向和从-6gauss（高斯）到6 gauss（高斯）
的磁场强度[16]
。适用于低弱磁场的传感。而且成本效益好，节省安装空间，适宜于定向、导航系统、磁强测量、和电流传感等应用。
HMC1043 型三轴磁阻传感器的基本单元为磁敏电阻，四个磁敏电阻组成一个惠斯通电桥。磁敏电阻阻值的大小随着外加磁场和电阻内部电流的变化而变化。磁敏电阻阻值的变化将引起电桥输出电压的变化。因此经过传感器，将磁信号转换成容易测量的电压信号输出。每个HMC1043 型磁阻传感器内部由3组正交垂直的磁敏电阻组成电桥，可以测量空间一点的三个正交方向的磁场分量。采用电桥可以补偿温度对于磁敏电阻的影响。 除了电桥电路外，传感器还有两个芯片内的磁耦合的（接线）条，偏置条和设置/重置条，用于磁场偏置（零点）调整和磁畴重新校准。磁场偏置调整可以调整电路输出以消除
传感器的失调、地磁影响或环境磁场的影响；传感器工作时受到强磁影响会传感器工作态发生变化，磁畴重新校准可以使传感器恢复到理想的工作状态，保持与定标状态一致的灵敏度。HMC1043内部电路及设计的PCB 如图2所示。
图1 霍尼韦尔HMC1043型传感器
4.2 系统设计
本系统主要由三轴磁阻传感器、信号调理放大
电路、AD 转换电路、微控制器和显示电路组成。系统总体框图如图3所示。
三轴磁阻传感器把X 、Y 、Z 传感轴方向的入射磁场强度转化为三个差动电压输出，完成了从较难测量的磁场强度到容易测量的模拟电压信号的转换。
信号调理放大电路的作用是对于传感器输出的较为弱的电压信号进行放大，从而便于
测量。模数转换电路将放大后的模拟电压信号转换为数字信号输出。单片机AT89S52作为MCU 控制单元，用于接收ADC 的结果进行数据处理，以及提供外部时钟，作为通道选择和ADC 模式的控制端，并实现各种处理和运算。LCD 用于显示处理后的磁
场强度数据和符号。通讯模块用于连接其它计算机或检测接口的通讯。
根据上述的思路，我们设计相关电路和PCB 板，组成实际的仪器，如图4所示：
图4三轴磁场计总体设计
经过实际的测量，表明本磁场计可以达到测量精度为1mGauss，而且传感器的复位设计，能保证磁场计长时间工作的灵敏度和精度。 4.3 低强度磁场的测量
霍尼韦尔的HMC1043传感器灵敏度很高，而且可使用芯片内部的电流代替外部线圈来产生置位/复位强磁场，使传感器可以恢复到理想的状态。所以，可以准确地测量微
小的磁场变化，特别适宜于低磁场强度的测量，可以精确测量空间中某一位置的三轴低强度磁场。该传感器体积小，且有5M带宽， 频率特性较好，既可以测量恒定的磁场，又可以测
量低强度交变磁场[17]
。
5. 小结
本文讨论了弱磁场测量技术有关研究及进展，并对国内外磁场检测的方法与应用技术进行了介绍。并着重介绍了一种我们设计的手持式三轴磁场计，及其内部采用的传感器电路设计方法。对弱磁场检测的研究表明，磁场测量的应用领域极其广泛。为适应日益发展的需要，我们要重视对磁场测量技术中的一些理论问题和新的方法进行研究，推出高性能的磁场测试仪器。
图3 系统总体结构框图
图2传感器内部电路和PCB 图
参考文献
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