基于虛擬儀器技術的磁場的測量

吳高米，崔　敏，石漢清，伍霞敏，萬　欣，劉立英，趙金良，歐陽麗婷

(北京工業大學，北京　100124)

*通訊聯系人

基于虛擬儀器技術的磁場的測量

吳高米，崔敏*，石漢清，伍霞敏，萬欣，劉立英，趙金良，歐陽麗婷

(北京工業大學，北京100124)

摘 要：以螺線管磁場測試儀為硬件基礎，LabVIEW為軟件支持，通過數據采集卡將兩者結合，直接測得通電長直螺線管軸線上的磁場分布，實現了磁場的自動化測量。測試結果表明，不同勵磁電流下，通電長直螺線管中部軸線上均為勻強磁場，且大小是端口處磁場的兩倍。該方法原理直觀明了，操作簡單，可作為創新和研究型項目。

關鍵詞：螺線管；LabVIEW；USB-6009；磁場分布；霍爾效應

磁感應強度是描述磁場強弱和方向的重要物理量，實現磁感應強度的準確測量具有重要教學和科研意義。描述磁性材料周圍空間磁場分布時，確定磁感應強度與具體空間位置的一一對應關系是主要難題。傳統大學物理實驗教學中測量通電長直螺線管[1]內磁場時利用刻度尺來讀取空間位置，調節繁瑣且讀數誤差大。而基于LabVIEW[2-3]的虛擬儀器開發平臺[4-6]包含幾乎所有經典的信號處理函數和大量現代高級信號分析函數，在數據采集、分析、顯示和存儲方面具有強大功能，極易與數據采集硬件集成，實現各種物理量的創新測量[7-9]。本文將LabVIEW與螺線管磁場測量儀相結合，搭建硬軟件一體的磁場測試平臺，對通電螺線管軸線上磁場的分布進行綜合研究。

1實驗原理

由電磁學理論知，當在如圖1所示通電螺線管中通以勵磁電流IM時，管內軸線上某點O的磁感應強度為

Bo=1/2UoNIM(cosβ1-cosβ2)

(1)

其中，真空磁導率μ0=4π×10-7亨利/米，N為螺線管單位長度的線圈平均匝數，IM為線圈中所通的勵磁電流，β1,β2分別是點O到螺線管兩端徑矢與軸線的夾角。

圖1　螺線管剖面圖

且當螺線管尺度滿足L?D(L為螺線管長度，D為螺線管直徑)時，端口附近沿軸線向內磁場逐漸增大，中部磁場恒定，端口磁場是中部恒定磁場數值的一半，且整個螺線管內軸線上的磁場分布關于中心點對稱。

利用霍爾效應可以實現磁場測量[10-13]，且霍爾元件輸出的霍爾電壓UH與霍爾元件所處位置的磁感應強度B具有如下所示的線性關系[14]：

UH=KHIsB

(2)

其中，IS為霍爾元件工作電流，KH為霍爾元件靈敏度。

通過控制霍爾元件工作電流IS，將霍爾元件輸出的霍爾電壓UH采集至LabVIEW[15]，經(2)式換算即可求得磁感應強度B。

2測試平臺設計和搭建

2.1實驗儀器

LX-A型螺線管磁場儀(含霍爾元件、螺線管)；LX-CF型螺線管磁場測試儀(含直流穩壓電源)；GP2Y0E03光位移傳感器；數據采集卡USB-6009；計算機(LabVIEW程序)；干電池、USB線纜、導線。

2.2平臺設計和搭建

圖2所示為基于虛擬儀器的螺線管磁場測試平臺原理圖。位置信號通過光位移傳感器轉換為電壓信號，磁感應強度通過霍爾元件轉換為電壓信號，數據采集卡USB-6009的模擬輸入通道將攜帶空間位置和磁感應強度信息的電壓信號輸入計算機，由LabVIEW程序將兩個電壓信號還原為位置和磁場值，并進行分析處理。

圖2　基于虛擬儀器的螺線管磁場測試平臺原理圖

圖3所示為螺線管磁場測試平臺的實物圖。光位移傳感器固定在與螺線管左端口同一豎直平面內的平板上，擋光板固定在與霍爾元件相連的金屬細桿上，且金屬細桿位于螺線管的軸線上。

圖3　基于虛擬儀器的螺線管磁場測試平臺實物裝置圖

2.3LabVIEW程序

圖4所示為基于虛擬儀器技術測量磁場的LabVIEW程序框圖。其中DAQ實現數據采集卡USB-6009對電壓信號的采集，經拆分信號控件將采集到的位置電壓U和霍爾電壓UH分別由關系x=f(U)，B=f(UH)換算成位置x和磁感應強度B后輸入XY圖進行顯示。

圖4　LabVIEW程序框圖

3實驗測量和結果分析

3.1光位移傳感器擋板與原點初始距離L0測量

以螺線管軸線的左端口處為位置坐標x的原點，設霍爾元件在原點位置處時光位移傳感器的擋光板與原點的距離為L0，將霍爾元件移至螺線管軸線的左端口處，用刻度尺測量L0，重復測量6次，取平均值得到L0=22.25 cm。

3.2光位移傳感器原理及校準

設擋光板到光位移傳感器的距離為x0，則霍爾元件在某位置x(以cm為單位)處時，

x=L0-x0

(3)

如圖5所示，光位移傳感器從紅外發射端口發出紅外線，經擋光板反射至紅外接收端口，光位移傳感器的輸出電壓U隨擋光板位置的改變而改變。并且，U(以V為單位)和傳感器到擋光板的距離x0(以cm為單位)呈線性關系，滿足[16]

(4)

圖5　光位移傳感器工作示意圖

調節霍爾元件金屬細桿底座，在不同位置處測量光位移傳感器的輸出電壓U，得到U與x0的關系曲線，如圖6所示。

圖6　光位移傳感器校準曲線

由圖6可知光位移傳感器的輸出電壓U和傳感器到擋光板的距離x0呈線性關系，且線性系數與(4)式吻合。因此，在以螺線管軸線左端口為原點的坐標系里，霍爾元件所處的不同位置x(以cm為單位)與光位移傳感器輸出電壓U的關系為

(5)

3.3霍爾元件特性測量

將霍爾元件移至螺線管軸線中點處，通以勵磁電流IM=0.7A,當工作電流Is在4.00～8.00 mA范圍內以間距ΔIs=1.00 mA變化時，測得霍爾元件輸出的霍爾電壓UH，可得如圖7所示霍爾電壓UH和工作電流Is關系曲線。

圖7　霍爾電壓UH和工作電流Is關系曲線

可見，霍爾電壓UH和工作電流Is呈線性關系，設比例系數(即圖7曲線斜率)為K0.

則由圖1和(1)式得

(6)

又由圖7及(2)式、(6)式得

(7)

其中，螺線管長度L=0.28 m，直徑D=0.012 m，單位長度的線圈平均匝數N=9750/m，真空磁導率μ0=4π×10-7H/m，勵磁電流IM=0.7A，曲線斜率K0=1.42 V/mA，代入(7)式可得霍爾元件靈敏度為KH=16.572(mV/mA·kGs)。

3.4螺線管磁場分布的測量及結果分析

為減小電流的熱效應對實驗結果的影響，實驗中僅在數據采集時給測試平臺供電。光位移傳感器的工作電壓為3.00 V，霍爾元件的工作電流Is設置為7.00 mA，螺線管的勵磁電流IM分別取800 mA、700 mA、600 mA、500 mA，利用對稱測量法測得四條曲線取平均得到如圖8所示，其中實線所示為不同勵磁電流下基于(1)式利用origin軟件所畫的螺線管軸線上磁場分布的理論曲線，虛線為不同勵磁電流下螺線管軸線上磁場分布的測量曲線。

圖8　螺線管軸線上磁場分布和理論曲線圖

再由Origin軟件讀出測量曲線穩定值，與理論數據對比可得表1：

表1　測量數據和理論數據統計比較

由圖8和表1可得看出，通電長直螺線管軸線上磁場從端口處至中部呈逐漸增大最終趨于穩定的趨勢，且螺線管端口處的磁場約為中心磁場的一半。隨勵磁電流的增大，中心磁場(即磁場穩定值)也增大，且中心磁場與勵磁電流成正比。實驗測量的中心磁場的結果略低于理論值，我們分析誤差主要來源于螺線管的漏磁現象。另外，由于霍爾元件靈敏度是在勵磁電流為IM=0.7A的條件下改變工作電流測得的，則圖8中當IM=0.7A時的磁場測量值應與理論值完全相同，造成0.69%的誤差的原因主要是霍爾元件的重復性不可能滿足多次測量的結果完全相同，而且電流熱效應引起的霍爾元件溫度升高也有微小影響。

4實驗總結

實驗基于LabVIEW平臺，將虛擬儀器技術與硬件器材相結合，搭建了硬軟件一體的磁場測試系統，實現了數據采集傳輸、分析處理自動化和簡單化，極大地提高了實驗效率。同時，在誤差允許范圍內，較為準確地實現了通電螺線管軸線上磁場的測量，探索了螺線管軸線上磁場的分布規律。另外，測試平臺應用的LabVIEW軟件不僅開發效率高，可維護性強，而且巧妙地避免了手工測量方法當中改變霍爾元件位置時，一邊目測讀取刻度尺示數，一邊目測讀取測試儀示數帶來的誤差。該基于虛擬儀器技術的磁場測試平臺為更好地普及虛擬儀器技術，促進實驗項目改革提供了方法和參考方向，在物理實驗教學領域具有廣闊應用前景。

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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

基金項目：北京高等學校青年英才計劃項目(YETP1592)

文章編號：1007-2934(2016)02-0078-05

中圖分類號：O 4-39；O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.021