一種新型工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì).doc

一種新型工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) 廖文平1，李麗2，賀慧勇1，劉嘉文2，王燕1，趙丹1，商梅雪1，李杰1，徐鵬1，魏明生1 （1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410114；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080） 摘要：針對(duì)工頻磁場(chǎng)測(cè)量的靈活性和便攜性需求，提出了一種測(cè)量?jī)x可任意姿態(tài)放置的工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案，該方案把加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器結(jié)合起來(lái)得到工頻磁場(chǎng)水平方向和豎直方向上的分量，而無(wú)需對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)平操作。該磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x包括三軸磁感應(yīng)線圈、信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換電路組成的磁場(chǎng)傳感器模塊及控制與處理模塊、加速度傳感器模塊、存儲(chǔ)和顯示模塊等部分。初步試驗(yàn)表明該方案可行，解決了傳統(tǒng)工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量磁場(chǎng)水平分量和豎直分量需要調(diào)平的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活，有一定的開(kāi)發(fā)應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x；工頻磁場(chǎng)；加速度傳感器；磁場(chǎng)矢量分解 ：TN702?34：A：1004?373X（xx）20?0110?04 ：xx?03?25 DesignfornewmeasurementinstrumentofpowerfrequencymagicfieldLIAOWenping1，LILi2，HEHuiyong1，LIUJiawen2，WANGYang1，ZHAODan1，SHANGMeixue1，LIJie1，XUPeng1，WEIMingsheng1 （1.SchoolofPhysicsandElectronicScience，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha410114，China；2.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCompany，Guangzhou510080，China） Abstract：Fortherequirementsofflexibilityandportabilityofpowerfrequencymagicfieldmeasurement，adesignschemeofpowerfrequencymagicfieldmeasurementinstrumentwhichcanplacewitharbitraryposturesisproposed.The?ponentsinhorizontaldirectionandverticaldirectionofthepowerfrequencymagicfieldareobtainedbybiningtheaelera?tionsensorwithmagicfieldsensorinthisscheme，anditisunnecessarytoputthemeasurementinstrumentintolevelingoperation.Themagicfieldmeasurementinstrumentisposedofmagicfieldsensormodule，controlandprocessingmod?ule，aelerationsensormodule，storageanddisplaymodule，etc.Thepreliminaryexperimentresultsshowthattheschemeisfeasible.Theproblemsofhorizontalponentandverticalponentlevelingoperationneededbythetraditionalmeasurementinstrumentweresolved.Thismeasurementinstrumenthassimplestructureandflexibleoperation，andhascertaindevelopmentandapplicationvalue. Keywords：magicfieldmeasurementinstrument；powerfrequencymagicfield；aelerationsensor；magicfieldvectordeposition 0引言 工頻磁場(chǎng)是由各種電壓等級(jí)的輸電線和各種用電器所產(chǎn)生的一種極低頻磁場(chǎng)，我國(guó)工頻為50Hz。工頻高壓設(shè)備安置點(diǎn)與人們的生活范圍越來(lái)越近，此類設(shè)備附近的電磁環(huán)境很復(fù)雜1，其中工頻磁場(chǎng)引起了廣大民眾的關(guān)注。超低頻磁場(chǎng)對(duì)人體的可能危害一直在研究中，至今為止，有許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和流行病學(xué)報(bào)道極低頻磁場(chǎng)對(duì)某些疾病的關(guān)系，但是現(xiàn)有的研究還不能確定極低頻磁場(chǎng)對(duì)人體的某些疾病的影響有一定的因果關(guān)系2?4?？蒲腥藛T在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，例如在極低頻電磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)研究3、電力設(shè)施工頻磁場(chǎng)與周邊設(shè)施耦合研究和及職業(yè)人員磁場(chǎng)暴露水平4?6等。目前國(guó)標(biāo)和一些行標(biāo)都規(guī)定了磁感強(qiáng)度的接觸限值，例如我國(guó)的電力行業(yè)勞動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范規(guī)定了工頻磁場(chǎng)職業(yè)接觸限制5為500T。在一些研究工作中，需要確定工頻磁場(chǎng)的豎直分量和水平分量。傳統(tǒng)的工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x一般要求水平放置才能測(cè)得水平方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的值，不便于現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量。本文采用加速度傳感器測(cè)得加速度值，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量?jī)x可以任意姿態(tài)放置的工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x把磁場(chǎng)測(cè)量模塊測(cè)得的三維磁場(chǎng)分解為水平分量和豎直分量，無(wú)需對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行調(diào)平操作，為工頻磁場(chǎng)測(cè)量提供了新的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)。 1儀器總體設(shè)計(jì)方案 為了獲得磁場(chǎng)的水平和豎直方向上的磁場(chǎng)值，傳統(tǒng)的方法就是把磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x水平放置，那么就要把支撐磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的工作臺(tái)調(diào)平。主要有兩種調(diào)平方式：手動(dòng)調(diào)平和自動(dòng)調(diào)平7。人工調(diào)節(jié)是手動(dòng)調(diào)平的的主要方法，需要用到水準(zhǔn)儀，同時(shí)需要多人配合操作工作臺(tái)的支撐腿，有操作時(shí)間長(zhǎng)、調(diào)節(jié)難度大的缺點(diǎn)7。自動(dòng)調(diào)平有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，可以自動(dòng)支撐、調(diào)平等，但是其中液壓驅(qū)動(dòng)方式中液壓系統(tǒng)復(fù)雜，不容易控制，且維護(hù)較難；電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的能耗較高，調(diào)平的控制算法復(fù)雜7。本文提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，該方案利用加速度傳感器上各軸上的加速度值，把磁場(chǎng)值分解到豎直方向和水平方向上，省去了調(diào)平的操作，同時(shí)該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低、磁場(chǎng)分解方法簡(jiǎn)單、使用方便，適用于便攜式快速測(cè)量?？傮w方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括磁場(chǎng)傳感器模塊、加速度傳感器模塊、控制與處理模塊、顯示和存儲(chǔ)模塊4個(gè)部分。 2磁場(chǎng)測(cè)量分解原理 針對(duì)測(cè)量?jī)x總體設(shè)計(jì)方案，為了降低儀器功耗和磁場(chǎng)解算方法的計(jì)算復(fù)雜度，這里提出了一種新的磁場(chǎng)分解方法。此方法把各軸磁場(chǎng)合成得為一個(gè)新的磁場(chǎng)，再利用三軸加速度傳感器測(cè)得的各軸加速度值把合成的磁場(chǎng)值分解到水平方向和豎直方向上。 該方法通過(guò)矢量運(yùn)算得到磁場(chǎng)的水平和豎直分量，沒(méi)有復(fù)雜的角度計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)中需要的代碼量較少。 3硬件設(shè)計(jì) 3.1加速度傳感器模塊 為了提高測(cè)量?jī)x的減小體積和功耗，提高使用的便攜性，本設(shè)計(jì)采用的加速度傳感器芯片是ADXL345。ADXL345是美國(guó)ADI公司推出的一款基于MEMS技術(shù)的三軸加速度傳感器，片上集成了信號(hào)處理和I2C通信模塊，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換就可以實(shí)現(xiàn)與微處理器通信。它是一款小而超薄的3軸加速度傳感器，采用3mm5mm1mm，14引腳超薄塑料封裝，芯片質(zhì)量只有30mg。該傳感器可以測(cè)量恒定和變化的加速度，在測(cè)量范圍設(shè)置為2g、室溫25，2.5V供電電壓條件下，其靈敏度的典型值為256計(jì)數(shù)點(diǎn)/g。ADXL345具有低功耗特性，供電電壓為23.6V，在2.5V供電電壓下，測(cè)量模式時(shí)的電流低至23A，待機(jī)模式時(shí)的電流低至0.1A，非常適合便攜式移動(dòng)設(shè)備使用8。ADXL345自動(dòng)調(diào)節(jié)功耗，為了降低功耗和噪聲，這里設(shè)計(jì)加速度傳感器的供電電壓為3.3V，輸出速率為100Hz，。由于本設(shè)計(jì)只適合傳感器處于靜止時(shí)測(cè)量，對(duì)加速度的測(cè)量范圍無(wú)需很大，配置傳感器相關(guān)寄存器使測(cè)量范圍為2g，分辨率是10位。 3.2三軸磁感應(yīng)線圈及信號(hào)調(diào)理電路 考慮到放大器芯片實(shí)際能輸出電壓略小于5V，同時(shí)實(shí)際A/D芯片實(shí)際能采集到的電壓略小于5V，這里取放大倍數(shù)為2。 為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地把電壓放大2倍，電路中的電阻R5使用了阻值50k的可調(diào)電阻，減少了因電阻精度的問(wèn)題帶來(lái)的誤差。電路使用單電源供電，無(wú)需提供負(fù)電源，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了便攜性；放大電路輸入端接入了一個(gè)1M值的大電阻，為了防止輸入開(kāi)路造成輸出的不確定；前級(jí)使用1個(gè)電源跟隨器為后級(jí)的3個(gè)通道的放大電路提供較穩(wěn)定的2.5V的直流偏置；加上對(duì)3個(gè)三軸磁感應(yīng)線圈上的3個(gè)軸上的電壓所需的3個(gè)運(yùn)算放大器，剛好可以在一片AD824芯片里實(shí)現(xiàn)，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單；后一級(jí)的RC低通濾波電路用于濾除高頻磁場(chǎng)帶來(lái)的干擾。 3.3單片機(jī)外圍接口電路 4總體軟件設(shè)計(jì) LCD的初始化主要是對(duì)顯示模式的選擇；電壓值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集主要包括采用模擬I2C時(shí)序?qū)/D芯片PCF8591的控制，對(duì)3個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，每次讀走的數(shù)據(jù)都是上一次A/D轉(zhuǎn)換的值，在轉(zhuǎn)換期間可以進(jìn)行其他程序的操作，提高了效率。由于PCF8591是8位芯片，參考電壓是5V，所以A/D采集得到的每一個(gè)1代表的是1256=0.01953V，所以采到的值要乘以0.01953，得到電壓的實(shí)際值?？紤]到單片機(jī)模擬I2C通信和PCF8591的A/D轉(zhuǎn)換速度，這里使PCF8591在工頻磁場(chǎng)的一個(gè)周期20ms里對(duì)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理之后的單軸上的電壓進(jìn)行32次采樣，并計(jì)算得到電壓的有效值，通過(guò)電壓和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系把電壓值換算為磁感應(yīng)強(qiáng)度，依此類推可得到各個(gè)軸方向上的磁場(chǎng)值，最后結(jié)合三軸加速度傳感器測(cè)得的加速度值，利用磁場(chǎng)測(cè)量分解原理計(jì)算得到磁場(chǎng)的水平和豎直分量的值，然后把它們存儲(chǔ)到AT24C16中，并通過(guò)LCD1602顯示。單片機(jī)里軟件實(shí)現(xiàn)在0.5s的時(shí)間內(nèi)完成上述操作，并等待到下一個(gè)0.5s開(kāi)始又一次的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)在LCD1602上把磁場(chǎng)的水平和豎直分量的值進(jìn)行更新。 5結(jié)語(yǔ) 本三維工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x使用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合加速度傳感器測(cè)得的加速度值，采用一種新的方法把三軸磁場(chǎng)分解到水平和豎直方向，解決了傳統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量工頻磁場(chǎng)水平和豎直分量時(shí)磁場(chǎng)傳感器必須水平放置的問(wèn)題。同時(shí)該工頻磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，有很好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 1李華亮，李麗，曾廣誠(chéng)，等.500kV變電站工頻磁場(chǎng)及個(gè)體暴露狀況調(diào)查J.中國(guó)工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，xx（1）：48?49. 2訾軍.極低頻磁場(chǎng)暴露水平與健康關(guān)系的研究D.上海：復(fù)旦大學(xué)，xx. 3董華，張學(xué)林，謝懷江.極低頻電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)J.中國(guó)工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，xx（3）：173?176. 4陳青松.極低頻電磁場(chǎng)職業(yè)接觸控制水平研究D.北京：中國(guó)疾病預(yù)防控制中心，xx. 5訾軍，周志俊.國(guó)際工頻電磁場(chǎng)職業(yè)接觸限值簡(jiǎn)介J.中國(guó)工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志，xx（1）：65?67. 6肖黎，余占清，張波，等.輸電線路工頻電磁場(chǎng)對(duì)汽車(chē)起重機(jī)的電磁騷擾J.高電壓技術(shù)，xx（6）：1775?1780. 7李勇建，魏貴玲，鄧勁松，等.自動(dòng)調(diào)平技術(shù)研究J.壓電與聲光，xx（6）：949?952. 8袁西，陳棟，田湘，等.三軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用J.電子設(shè)計(jì)工程，xx（3）：138?140. 9張強(qiáng).單電源低功耗運(yùn)算放大器A