廖文平1，李丽2，贺慧勇1，刘嘉文2，王燕1，赵丹1，商梅雪1，李杰1，徐鹏1，魏明生1
（1.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙410114；2.广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）
摘要：针对工频磁场测量的灵活性和便携性需求，提出了一种测量仪可任意姿态放置的工频磁场测量仪设计方案，该方案把加速度传感器和磁场传感器结合起来得到工频磁场水平方向和竖直方向上的分量，而无需对测量仪进行调平操作。该磁场测量仪包括三轴磁感应线圈、信号调理和A/D转换电路组成的磁场传感器模块及控制与处理模块、加速度传感器模块、存储和显示模块等部分。初步试验表明该方案可行，解决了传统工频磁场测量仪测量磁场水平分量和竖直分量需要调平的问题，结构简单、使用灵活，有一定的开发应用价值。
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关键词 ：磁场测量仪；工频磁场；加速度传感器；磁场矢量分解
中图分类号：TN702?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）20?0110?04
收稿日期：2015?03?25
Design for new measurement instrument of power frequency magnetic fieldLIAO 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 designscheme of power frequency magnetic field measurement instrument which can place with arbitrary postures is proposed. The com?ponents in horizontal direction and vertical direction of the power frequency magnetic field are obtained by combining the accelera?tion sensor with magnetic field sensor in this scheme，and it is unnecessary to put the measurement instrument into levelingoperation. The magnetic field measurement instrument is composed of magnetic field sensor module，control and processing mod?ule，acceleration sensor module，storage and display module，etc.. The preliminary experiment results show that the scheme isfeasible. The problems of horizontal component and vertical component leveling operation needed by the traditional measurementinstrument were solved. This measurement instrument has simple structure and flexible operation，and has certain developmentand application value.
Keywords：magnetic field measurement instrument；power frequency magnetic field；acceleration sensor；magnetic field vector decomposition
0 引言
工频磁场是由各种电压等级的输电线和各种用电器所产生的一种极低频磁场，我国工频为50 Hz。工频高压设备安置点与人们的生活范围越来越近，此类设备附近的电磁环境很复杂[1]，其中工频磁场引起了广大民众的关注。超低频磁场对人体的可能危害一直在研究中，至今为止，有许多动物实验和流行病学报道极低频磁场对某些疾病的关系，但是现有的研究还不能确定极低频磁场对人体的某些疾病的影响有一定的因果关系[2?4]。科研人员在该领域进行了大量的研究工作，例如在极低频电磁场的生物学效应研究[3]、电力设施工频磁场与周边设施耦合研究和及职业人员磁场暴露水平[4?6]等。目前国标和一些行标都规定了磁感强度的接触限值，例如我国的《电力行业劳动环境监测技术规范》规定了工频磁场职业接触限制[5]为500 μT。在一些研究工作中，需要确定工频磁场的竖直分量和水平分量。传统的工频磁场测量仪一般要求水平放置才能测得水平方向上的磁感应强度的值，不便于现场快速测量。本文采用加速度传感器测得加速度值，设计了一种测量仪可以任意姿态放置的工频磁场测量仪，该测量仪把磁场测量模块测得的三维磁场分解为水平分量和竖直分量，无需对测量仪进行调平操作，为工频磁场测量提供了新的解决方案，其结构简单、使用方便、实用性强。
1 仪器总体设计方案
为了获得磁场的水平和竖直方向上的磁场值，传统的方法就是把磁场测量仪水平放置，那么就要把支撑磁场测量仪的工作台调平。主要有两种调平方式：手动调平和自动调平[7]。人工调节是手动调平的的主要方法，需要用到水准仪，同时需要多人配合操作工作台的支撑腿，有操作时间长、调节难度大的缺点[7]。自动调平有液压驱动和电机驱动两种驱动方式，可以自动支撑、调平等，但是其中液压驱动方式中液压系统复杂，不容易控制，且维护较难；电机驱动方式的能耗较高，调平的控制算法复杂[7]。本文提出了一种新的设计方案，该方案利用加速度传感器上各轴上的加速度值，把磁场值分解到竖直方向和水平方向上，省去了调平的操作，同时该方案结构简单、能耗较低、磁场分解方法简单、使用方便，适用于便携式快速测量。总体方案设计框图如图1所示，主要包括磁场传感器模块、加速度传感器模块、控制与处理模块、显示和存储模块4个部分。
磁场传感器模块主要包括三轴磁感应线圈、信号调理电路、A/D转换电路3个部分，其中三轴磁感应线圈利用电磁感应原理感应得到3个轴上的感应电压，信号调理电路把3个轴上的感应电压放大、滤波，A/D转换电路主要是对3个轴上的感应电压进行A/D转换，便于后面的控制与处理模块进行数据采集。控制与处理模块使用单片机，主要是对加速度传感器的数据采集及A/D芯片的控制，并结合加速度数据和A/D转换后的数据进行磁场的水平和竖直分量的分解处理。显示和存储模块由控制与处理模块控制，负责把磁场的水平和竖直分量进行存储记录并直观地显示出来。 
2 磁场测量分解原理
针对测量仪总体设计方案，为了降低仪器功耗和磁场解算方法的计算复杂度，这里提出了一种新的磁场分解方法。此方法把各轴磁场合成得为一个新的磁场，再利用三轴加速度传感器测得的各轴加速度值把合成的磁场值分解到水平方向和竖直方向上。
本设计中三轴磁场传感器的x 轴、y 轴、z 轴分别与三轴加速度的x 轴、y 轴、z 轴一一平行放置。加速度传感器的x 轴、t 轴、z 轴上的加速度分别是
，把它们合成得到一个加速度
，也就是重力加速度，方向竖直向下；磁场传感器的x 轴、y 轴、z 轴方向上的磁场分别是
，这3个矢量合成得到磁场为
为合成后的磁场
之间的夹角，即可得到合成磁场矢量在竖直方向上的投影，即竖直方向上的磁场分量为：
该方法通过矢量运算得到磁场的水平和竖直分量，没有复杂的角度计算，计算简单，实现中需要的代码量较少。
3 硬件设计
3.1 加速度传感器模块
为了提高测量仪的减小体积和功耗，提高使用的便携性，本设计采用的加速度传感器芯片是ADXL345。ADXL345是美国ADI公司推出的一款基于MEMS技术的三轴加速度传感器，片上集成了信号处理和I2C通信模块，无需A/D转换就可以实现与微处理器通信。它是一款小而超薄的3轴加速度传感器，采用3 mm×5 mm×1 mm，14引脚超薄塑料封装，芯片质量只有30 mg。该传感器可以测量恒定和变化的加速度，在测量范围设置为±2g、室温25°，2.5 V供电电压条件下，其灵敏度的典型值为256 计数点/g。ADXL345具有低功耗特性，供电电压为2~3.6 V，在2.5 V 供电电压下，测量模式时的电流低至23 μA，待机模式时的电流低至0.1 μA，非常适合便携式移动设备使用[8]。ADXL345自动调节功耗，为了降低功耗和噪声，这里设计加速度传感器的供电电压为3.3 V，输出速率为100 Hz，。由于本设计只适合传感器处于静止时测量，对加速度的测量范围无需很大，配置传感器相关寄存器使测量范围为±2g，分辨率是10 位。
3.2 三轴磁感应线圈及信号调理电路
中国实际推荐的工频磁场的职业接触限制为500 μT，故设计本测量仪的测量范围时0~5 mT。试制阶段使用的是某工厂的非均匀磁场测量仪中的探测线圈，根据其具体参数和公式可以计算得到工频磁场值B和感应电压U 的值之间的关系是U=171B，其中U 的单位是V，B 的单位是T。A/D芯片采集的电压最大值是在直流偏置2.5 V上叠加的感应电压的峰值，故磁感应强度最大值5 mT在探测探测线圈上产生的磁感应电压峰值为：
放大电路的输出电压不能超过电源电压5 V，可得到后级放大电路的放大倍数为：
考虑到放大器芯片实际能输出电压略小于5 V，同时实际A/D芯片实际能采集到的电压略小于5 V，这里取放大倍数为2。
信号调理电路主要是对磁感应线圈得到的三轴上的电压进行放大和滤波。对单个轴的信号调理电路如图2所示。为了便于单电源供电、简化电路结构、提高便携性，运算放大器选用了AD824芯片。AD824芯片是一款四通道、FET输入、单电源供电、提供轨对轨输出的运算放大器芯片[9]。 
本电路使用同相放大的接法，增大了输入阻抗，减少了后级放大电路对感应线圈上电压的影响，可以提高测量的准确性。电路放大倍数的计算如下：
为了实现准确地把电压放大2倍，电路中的电阻R5使用了阻值50 kΩ的可调电阻，减少了因电阻精度的问题带来的误差。电路使用单电源供电，无需提供负电源，简化了电路结构，提高了便携性；放大电路输入端接入了一个1 MΩ值的大电阻，为了防止输入开路造成输出的不确定；前级使用1个电源跟随器为后级的3个通道的放大电路提供较稳定的2.5 V的直流偏置；加上对3个三轴磁感应线圈上的3个轴上的电压所需的3个运算放大器，刚好可以在一片AD824芯片里实现，使电路的结构更加简单；后一级的RC低通滤波电路用于滤除高频磁场带来的干扰。
3.3 单片机外围接口电路
单片机外围接口电路示意图如图3所示。由于磁场测量的速度无需很高，同时为了降低功耗及成本，这里使用的单片机是STC89C52。为了便于对多路模拟电压的A/D转换控制，这里采用PCF8591作为A/D转换芯片。PCF8591芯片使用I2C 接口进行控制，具有8 位A/D及D/A 转换器，其中有4 路A/D 转换输入，适合对多路模拟信号进行A/D转换[10]。这里使用了PCF8591的3个A/D转换通道，分别对磁感应线圈的3个轴上的放大之后的感应电压进行A/D 转换。芯片AT24C16用于对磁场分量值的存储、记录；LCD1602液晶显示屏用来对磁场分量值的显示，控制起来简单、实用。 
4 总体软件设计
本设计的工频磁场测量是一个循环测量的过程，如图4所示。 
LCD 的初始化主要是对显示模式的选择；电压值A/D 转换及数据采集主要包括采用模拟I2C 时序对A/D芯片PCF8591的控制，对3个通道的A/D转换后的数据进行采集。由于A/D转换需要一定时间，每次读走的数据都是上一次A/D转换的值，在转换期间可以进行其他程序的操作，提高了效率。由于PCF8591 是8 位芯片，参考电压是5 V，所以A/D 采集得到的每一个1 代表的是1 256 =0.019 53 V，所以采到的值要乘以0.019 53，得到电压的实际值。考虑到单片机模拟I2C 通信和PCF8591的A/D转换速度，这里使PCF8591在工频磁场的一个周期20 ms里对经过信号调理之后的单轴上的电压进行32次采样，并计算得到电压的有效值，通过电压和磁感应强度的关系把电压值换算为磁感应强度，依此类推可得到各个轴方向上的磁场值，最后结合三轴加速度传感器测得的加速度值，利用磁场测量分解原理计算得到磁场的水平和竖直分量的值，然后把它们存储到AT24C16 中，并通过LCD1602显示。单片机里软件实现在0.5 s的时间内完成上述操作，并等待到下一个0.5 s 开始又一次的循环，实现在LCD1602上把磁场的水平和竖直分量的值进行更新。
5 结语
本三维工频磁场测量仪使用STC89C52单片机作为主控芯片，结合加速度传感器测得的加速度值，采用一种新的方法把三轴磁场分解到水平和竖直方向，解决了传统磁场测量仪测量工频磁场水平和竖直分量时磁场传感器必须水平放置的问题。同时该工频磁场测量仪具有结构简单、使用灵活方便的优点，有很好的开发应用前景。
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作者简介：廖文平（1990—），男，湖南衡阳人，硕士研究生。主要从事信号检测与处理方面的研究工作。
李丽（1971—），女，江西全南人，教授级高级工程师，硕士。主要从事电力行业环境保护和职业卫生监测与评价工作。
贺慧勇（1962—），男，湖南长沙人，教授。主要从事信号检测与处理方面的研究工作。