基于虚拟仪器技术的磁场的测量

吴高米，崔　敏，石汉清，伍霞敏，万　欣，刘立英，赵金良，欧阳丽婷

(北京工业大学，北京　100124)

*通讯联系人

基于虚拟仪器技术的磁场的测量

吴高米，崔敏*，石汉清，伍霞敏，万欣，刘立英，赵金良，欧阳丽婷

(北京工业大学，北京100124)

摘 要：以螺线管磁场测试仪为硬件基础，LabVIEW为软件支持，通过数据采集卡将两者结合，直接测得通电长直螺线管轴线上的磁场分布，实现了磁场的自动化测量。测试结果表明，不同励磁电流下，通电长直螺线管中部轴线上均为匀强磁场，且大小是端口处磁场的两倍。该方法原理直观明了，操作简单，可作为创新和研究型项目。

关键词：螺线管；LabVIEW；USB-6009；磁场分布；霍尔效应

磁感应强度是描述磁场强弱和方向的重要物理量，实现磁感应强度的准确测量具有重要教学和科研意义。描述磁性材料周围空间磁场分布时，确定磁感应强度与具体空间位置的一一对应关系是主要难题。传统大学物理实验教学中测量通电长直螺线管[1]内磁场时利用刻度尺来读取空间位置，调节繁琐且读数误差大。而基于LabVIEW[2-3]的虚拟仪器开发平台[4-6]包含几乎所有经典的信号处理函数和大量现代高级信号分析函数，在数据采集、分析、显示和存储方面具有强大功能，极易与数据采集硬件集成，实现各种物理量的创新测量[7-9]。本文将LabVIEW与螺线管磁场测量仪相结合，搭建硬软件一体的磁场测试平台，对通电螺线管轴线上磁场的分布进行综合研究。

1实验原理

由电磁学理论知，当在如图1所示通电螺线管中通以励磁电流IM时，管内轴线上某点O的磁感应强度为

Bo=1/2UoNIM(cosβ1-cosβ2)

(1)

其中，真空磁导率μ0=4π×10-7亨利/米，N为螺线管单位长度的线圈平均匝数，IM为线圈中所通的励磁电流，β1,β2分别是点O到螺线管两端径矢与轴线的夹角。

图1　螺线管剖面图

且当螺线管尺度满足L≫D(L为螺线管长度，D为螺线管直径)时，端口附近沿轴线向内磁场逐渐增大，中部磁场恒定，端口磁场是中部恒定磁场数值的一半，且整个螺线管内轴线上的磁场分布关于中心点对称。

利用霍尔效应可以实现磁场测量[10-13]，且霍尔元件输出的霍尔电压UH与霍尔元件所处位置的磁感应强度B具有如下所示的线性关系[14]：

UH=KHIsB

(2)

其中，IS为霍尔元件工作电流，KH为霍尔元件灵敏度。

通过控制霍尔元件工作电流IS，将霍尔元件输出的霍尔电压UH采集至LabVIEW[15]，经(2)式换算即可求得磁感应强度B。

2测试平台设计和搭建

2.1实验仪器

LX-A型螺线管磁场仪(含霍尔元件、螺线管)；LX-CF型螺线管磁场测试仪(含直流稳压电源)；GP2Y0E03光位移传感器；数据采集卡USB-6009；计算机(LabVIEW程序)；干电池、USB线缆、导线。

2.2平台设计和搭建

图2所示为基于虚拟仪器的螺线管磁场测试平台原理图。位置信号通过光位移传感器转换为电压信号，磁感应强度通过霍尔元件转换为电压信号，数据采集卡USB-6009的模拟输入通道将携带空间位置和磁感应强度信息的电压信号输入计算机，由LabVIEW程序将两个电压信号还原为位置和磁场值，并进行分析处理。

图2　基于虚拟仪器的螺线管磁场测试平台原理图

图3所示为螺线管磁场测试平台的实物图。光位移传感器固定在与螺线管左端口同一竖直平面内的平板上，挡光板固定在与霍尔元件相连的金属细杆上，且金属细杆位于螺线管的轴线上。

图3　基于虚拟仪器的螺线管磁场测试平台实物装置图

2.3LabVIEW程序

图4所示为基于虚拟仪器技术测量磁场的LabVIEW程序框图。其中DAQ实现数据采集卡USB-6009对电压信号的采集，经拆分信号控件将采集到的位置电压U和霍尔电压UH分别由关系x=f(U)，B=f(UH)换算成位置x和磁感应强度B后输入XY图进行显示。

图4　LabVIEW程序框图

3实验测量和结果分析

3.1光位移传感器挡板与原点初始距离L0测量

以螺线管轴线的左端口处为位置坐标x的原点，设霍尔元件在原点位置处时光位移传感器的挡光板与原点的距离为L0，将霍尔元件移至螺线管轴线的左端口处，用刻度尺测量L0，重复测量6次，取平均值得到L0=22.25 cm。

3.2光位移传感器原理及校准

设挡光板到光位移传感器的距离为x0，则霍尔元件在某位置x(以cm为单位)处时，

x=L0-x0

(3)

如图5所示，光位移传感器从红外发射端口发出红外线，经挡光板反射至红外接收端口，光位移传感器的输出电压U随挡光板位置的改变而改变。并且，U(以V为单位)和传感器到挡光板的距离x0(以cm为单位)呈线性关系，满足[16]

(4)

图5　光位移传感器工作示意图

调节霍尔元件金属细杆底座，在不同位置处测量光位移传感器的输出电压U，得到U与x0的关系曲线，如图6所示。

图6　光位移传感器校准曲线

由图6可知光位移传感器的输出电压U和传感器到挡光板的距离x0呈线性关系，且线性系数与(4)式吻合。因此，在以螺线管轴线左端口为原点的坐标系里，霍尔元件所处的不同位置x(以cm为单位)与光位移传感器输出电压U的关系为

(5)

3.3霍尔元件特性测量

将霍尔元件移至螺线管轴线中点处，通以励磁电流IM=0.7A,当工作电流Is在4.00～8.00 mA范围内以间距ΔIs=1.00 mA变化时，测得霍尔元件输出的霍尔电压UH，可得如图7所示霍尔电压UH和工作电流Is关系曲线。

图7　霍尔电压UH和工作电流Is关系曲线

可见，霍尔电压UH和工作电流Is呈线性关系，设比例系数(即图7曲线斜率)为K0.

则由图1和(1)式得

(6)

又由图7及(2)式、(6)式得

(7)

其中，螺线管长度L=0.28 m，直径D=0.012 m，单位长度的线圈平均匝数N=9750/m，真空磁导率μ0=4π×10-7H/m，励磁电流IM=0.7A，曲线斜率K0=1.42 V/mA，代入(7)式可得霍尔元件灵敏度为KH=16.572(mV/mA·kGs)。

3.4螺线管磁场分布的测量及结果分析

为减小电流的热效应对实验结果的影响，实验中仅在数据采集时给测试平台供电。光位移传感器的工作电压为3.00 V，霍尔元件的工作电流Is设置为7.00 mA，螺线管的励磁电流IM分别取800 mA、700 mA、600 mA、500 mA，利用对称测量法测得四条曲线取平均得到如图8所示，其中实线所示为不同励磁电流下基于(1)式利用origin软件所画的螺线管轴线上磁场分布的理论曲线，虚线为不同励磁电流下螺线管轴线上磁场分布的测量曲线。

图8　螺线管轴线上磁场分布和理论曲线图

再由Origin软件读出测量曲线稳定值，与理论数据对比可得表1：

表1　测量数据和理论数据统计比较

由图8和表1可得看出，通电长直螺线管轴线上磁场从端口处至中部呈逐渐增大最终趋于稳定的趋势，且螺线管端口处的磁场约为中心磁场的一半。随励磁电流的增大，中心磁场(即磁场稳定值)也增大，且中心磁场与励磁电流成正比。实验测量的中心磁场的结果略低于理论值，我们分析误差主要来源于螺线管的漏磁现象。另外，由于霍尔元件灵敏度是在励磁电流为IM=0.7A的条件下改变工作电流测得的，则图8中当IM=0.7A时的磁场测量值应与理论值完全相同，造成0.69%的误差的原因主要是霍尔元件的重复性不可能满足多次测量的结果完全相同，而且电流热效应引起的霍尔元件温度升高也有微小影响。

4实验总结

实验基于LabVIEW平台，将虚拟仪器技术与硬件器材相结合，搭建了硬软件一体的磁场测试系统，实现了数据采集传输、分析处理自动化和简单化，极大地提高了实验效率。同时，在误差允许范围内，较为准确地实现了通电螺线管轴线上磁场的测量，探索了螺线管轴线上磁场的分布规律。另外，测试平台应用的LabVIEW软件不仅开发效率高，可维护性强，而且巧妙地避免了手工测量方法当中改变霍尔元件位置时，一边目测读取刻度尺示数，一边目测读取测试仪示数带来的误差。该基于虚拟仪器技术的磁场测试平台为更好地普及虚拟仪器技术，促进实验项目改革提供了方法和参考方向，在物理实验教学领域具有广阔应用前景。

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[16] GP2Y0E03距离测量传感器[EB/OL].http://www.kohantek.com/1953.htm.

The Measurement of the Magnetic Field Based on Virtual Instrument Technology

WU Gao-mi，CUI Min，SHI Han-qing，WU Xia-min,WAN Xin，LIU Li-ying，ZHAO Jin-liang，OU YANG Li-ting

(Beijing University of Technology,Beijing 100124)

Abstract：With the magnetic field of solenoid tester as hardware,LabVIEW as software and the data acquisition card as connecting device,the distribution of magnetic field of solenoid axis are automatically measured under different exciting current.Results show that the magnetic field of the central solenoid is uniform,and which is two times of the end field of the solenoid.The method in this experiment is with intuitive principle,simple operation,and can enrich the existing content of the college physics experiment and update the innovation research projects.

Key words：solenoid；LabVIEW；USB-6009；magnetic field distribution；Hall effect

收稿日期：2015-11-16

基金项目：北京高等学校青年英才计划项目(YETP1592)

文章编号：1007-2934(2016)02-0078-05

中图分类号：O 4-39；O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.021