專利名稱：三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及亥姆霍茲線圈磁場發(fā)生裝置，具體涉及一種能在設(shè)定的大小和任意三維方向產(chǎn)生交直流磁場的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
亥姆霍茲線圈是由一對半徑都為R、同軸放置且間距等于半徑R的圓線圈構(gòu)成的， 由于它結(jié)構(gòu)簡單又能產(chǎn)生均勻性較好的磁場，同時(shí)在不通電的情況下不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境磁場， 它可以作為一個(gè)穩(wěn)定的磁場發(fā)生器來被人們使用和測試，因而成為磁測量等物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部件。目前，傳統(tǒng)的亥姆霍茲線圈磁場發(fā)生裝置通常由一維或者二維亥姆霍茲線圈以及控制器組成，只能產(chǎn)生一維或者二維方向上的磁場，而且一般為直流磁場。但是在涉及磁傳感器的設(shè)計(jì)、測試以及應(yīng)用等較多場合，不僅僅需要直流磁場，而且還需要三維空間方向的交流磁場來對傳感器的響應(yīng)性能做出判斷，便于后期的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及處理，這在涉及磁傳感器的較多領(lǐng)域具有非常重要的意義。因而，有必要開發(fā)一種能產(chǎn)生三維空間方向的磁場的磁場發(fā)生裝置。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了一種能在設(shè)定的大小和任意三維方向產(chǎn)生交直流磁場的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置。一種三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，包括產(chǎn)生磁場的線圈和控制裝置， 所述的控制裝置包括電腦以及連接電腦和線圈的用于控制和驅(qū)動(dòng)線圈的控制器，所述的線圈為由兩兩互相垂直的三對亥姆霍茲線圈組成的三維亥姆霍茲線圈，所述的三對亥姆霍茲線圈的軸向方向分別對應(yīng)三維坐標(biāo)軸中的X軸、Y軸和Z軸，三對亥姆霍茲線圈的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。所述的控制器包括依次連接的用于運(yùn)算和處理電腦串口發(fā)送的磁場信息的單片機(jī)、用于產(chǎn)生三路電壓信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片以及用于放大三路電壓信號的輸出電流的運(yùn)算放大器；所述的運(yùn)算放大器輸出的放大的三路電壓信號的輸出電流分別與三對亥姆霍茲線圈連接。所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片以及運(yùn)算放大器采用射極跟隨器的方式進(jìn)行連接。所述的單片機(jī)為PIC18F6722型單片機(jī)。所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為AD57M型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。所述的運(yùn)算放大器為0PA548型運(yùn)算放大器。所述的電腦用于通過程序如編寫的Labview程序來采集用戶輸入的磁場大小和磁場方向信息，磁場方向信息采用了垂直投影輸入的方法即磁場方向信息由磁場在X-Y平面中的投影與X軸的夾角α以及磁場方向與X-Y平面的夾角β確定，用戶只要輸入磁場大小B、磁場在X-Y平面中的投影與χ軸的夾角α以及磁場方向與X-Y平面的夾角β就可以確定三維磁場，然后再通過計(jì)算便可以得到X軸、Y軸、ζ軸各自的磁場強(qiáng)度Bx、By、Bz并以二進(jìn)制的形式發(fā)送給控制器中的單片機(jī)進(jìn)行處理。本實(shí)用新型產(chǎn)生三維方向磁場的原理如下根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，一對亥姆霍茲線圈的磁場發(fā)生公式為B = (4/5)3/2Xu0XNXIXR (1)其中utl為真空磁導(dǎo)率，n為環(huán)繞線圈的匝數(shù)，i為線圈中的電流值，r為線圈的半徑，當(dāng)線圈半徑以及匝數(shù)不變的情況下，改變電流值I即可以改變磁場B的大小，當(dāng)輸入電流值I為直流時(shí)產(chǎn)生的磁場為直流磁場，當(dāng)輸入電流值I為交流時(shí)產(chǎn)生的磁場即為交流磁場，同理通過調(diào)整空間內(nèi)互相垂直的三對亥姆霍茲線圈的輸入電流Ix、Iy、Iz，便可以改變
三對亥姆霍茲線圈的磁場Bx、By、Bz，從而根據(jù)向量疊加的方法力=4+4+4，便可以得
到一個(gè)三維方向上的交直流磁場。本實(shí)用新型的有益效果是1.本實(shí)用新型三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置能根據(jù)用戶的需要，在設(shè)定的大小和任意三維方向上產(chǎn)生交直流磁場，給較多磁傳感器的設(shè)計(jì)、測試以及應(yīng)用等場合帶來了便利。2.本實(shí)用新型的三維線圈設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，組裝簡便，成本較為低廉。3.本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的控制裝置操作簡潔，控制界面的磁場方向設(shè)置采用了三維垂直投影的角度輸入法，非常直觀形象，并且大大減小了人工因素的干預(yù)。

圖1為本實(shí)用新型三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置的控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置的線圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置中輸入的磁場方向的坐標(biāo)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2和圖3所示，本實(shí)用新型三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置包括產(chǎn)生磁場的三維線圈3和控制裝置，控制裝置包括電腦1以及連接電腦1和三維線圈3的用于控制和驅(qū)動(dòng)三維線圈3的控制器2?？刂破?包括依次連接的PIC18F6722型單片機(jī)21、AD57M型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片22以及0PA548型運(yùn)算放大器23。單片機(jī)21負(fù)責(zé)運(yùn)算和處理電腦1串口發(fā)送過來的二進(jìn)制磁場信息，然后以SPI通訊方式控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片22產(chǎn)生三路電壓信號，最后通過運(yùn)算放大器 23放大這三路電壓信號的輸出電流后分別給三對三維線圈提供驅(qū)動(dòng)電源，從而達(dá)到產(chǎn)生用戶所設(shè)定交直流磁場的目的。電源M負(fù)責(zé)給組成控制器2的所有器件供電。三維線圈3分別由三對鋁合金圈作為框架然后繞線的兩兩互相垂直的三對亥姆霍茲線圈組成，三對亥姆霍茲線圈的軸向方向分別對應(yīng)三維坐標(biāo)軸中的X軸、Y軸和Z軸， 三對亥姆霍茲線圈的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，繞線時(shí)按照右手螺旋定理以便確定每組線圈的正負(fù)極接線。本實(shí)用新型采用了垂直投影定位法對三對亥姆霍茲線圈定位，先準(zhǔn)備了支撐板 31，然后經(jīng)過測量計(jì)算后在支撐板31上繪制出每個(gè)線圈的垂直投影位置，以此來確定各線圈間的位置關(guān)系，最后使用金屬粘合劑對三對線圈進(jìn)行固定和安裝，其中線圈32和線圈33 組成一對Z軸亥姆霍茲線圈，線圈34和線圈35組成一對Y軸亥姆霍茲線圈，線圈36和線圈37組成一對X軸亥姆霍茲線圈。運(yùn)算放大器23輸出的放大的三路電壓信號的輸出電流分別與三對亥姆霍茲線圈連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片22以及運(yùn)算放大器23采用射極跟隨器的方式進(jìn)行連接。本實(shí)用新型的工作流程為如圖4，三維磁場的矢量方向由磁場在X-Y平面中的投影與χ軸的夾角α以及磁場方向與X-Y平面的夾角β確定。電腦1通過編寫的Labview程序采集用戶輸入的磁場大小和磁場方向信息，用戶只要輸入磁場大小Β、Χ_Υ軸平面中的α角以及Y-Z軸平面中的 β角就可以確定三維磁場，然后再通過計(jì)算便可以得到X軸、Y軸、Z軸各自的磁場強(qiáng)度Βχ、 By、Bz并以二進(jìn)制的形式發(fā)送給控制器2中的單片機(jī)21進(jìn)行處理。其中，Bx = Bcosa cos β ⑵By = Bcos^ sin a (3)Bz = Bsin^ (4)一對亥姆霍茲線圈的磁場發(fā)生公式為B= (4/5)3/2Xu0XNXIXR(1)其中Utl為真空磁導(dǎo)率，N為環(huán)繞線圈的匝數(shù)，I為線圈中的電流值，R為線圈的半徑，當(dāng)線圈半徑以及匝數(shù)不變的情況下，改變電流值I即可以改變磁場B的大小，當(dāng)輸入電流值I為直流時(shí)產(chǎn)生的磁場為直流磁場，當(dāng)輸入電流值I為交流時(shí)產(chǎn)生的磁場即為交流磁場，同理通過調(diào)整空間內(nèi)互相垂直的三對亥姆霍茲線圈的輸入電流Ix、Iy、Iz，便可以改變
三對亥姆霍茲線圈的磁場Bx、By、Βζ，從而根據(jù)向量疊加的方法力=4+4+4，便可以得
到一個(gè)三維方向上的交直流磁場。用戶設(shè)定的磁場信息由電腦1按照公式(2)、(3)、⑷計(jì)算處理以后以二進(jìn)制格式通過RS232串口 25發(fā)送給單片機(jī)21，單片機(jī)21按照公式(1)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及處理以后，通過SPI通訊方式控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片22輸出三路一定頻率以及大小的電壓信號， 這些信號最后再經(jīng)過運(yùn)算放大器23進(jìn)行電流放大以后連接到輸出端口 26，輸出端口沈再分三路分別與X軸、Y軸、Z軸的三對亥姆霍茲線圈連接。三維線圈3最終得到的磁場由這三對亥姆霍茲線圈分別產(chǎn)生的磁場疊加而成。若輸入三維線圈3的是直流電壓，則產(chǎn)生直流磁場；若輸入三維線圈3的是交流電壓，則產(chǎn)生交流磁場。
權(quán)利要求1.一種三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，包括產(chǎn)生磁場的線圈和控制裝置，所述的控制裝置包括電腦以及連接電腦和線圈的用于控制和驅(qū)動(dòng)線圈的控制器，其特征在于，所述的線圈為由兩兩互相垂直的三對亥姆霍茲線圈組成的三維亥姆霍茲線圈，所述的三對亥姆霍茲線圈的軸向方向分別對應(yīng)三維坐標(biāo)軸中的X軸、Y軸和Z軸，三對亥姆霍茲線圈的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，其特征在于，所述的控制器包括依次連接的用于運(yùn)算和處理電腦串口發(fā)送的磁場信息的單片機(jī)、用于產(chǎn)生三路電壓信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片以及用于放大三路電壓信號的輸出電流的運(yùn)算放大器；所述的運(yùn)算放大器輸出的放大的三路電壓信號的輸出電流分別與三對亥姆霍茲線圈連接；所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片以及運(yùn)算放大器采用射極跟隨器的方式進(jìn)行連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，其特征在于，所述的單片機(jī)為PIC18F6722型單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，其特征在于，所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為AD57M型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，其特征在于，所述的運(yùn)算放大器為0PA548型運(yùn)算放大器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種三維亥姆霍茲線圈交直流磁場發(fā)生裝置，包括產(chǎn)生磁場的線圈和控制裝置，控制裝置包括電腦以及控制器，線圈由兩兩互相垂直的三對亥姆霍茲線圈組成，所述的三對亥姆霍茲線圈的軸向方向分別對應(yīng)三維坐標(biāo)軸中的X軸、Y軸和Z軸，三對亥姆霍茲線圈的中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。該磁場發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，能根據(jù)用戶的需要，在設(shè)定的大小和任意三維方向上產(chǎn)生交直流磁場，給較多磁傳感器的設(shè)計(jì)、測試以及應(yīng)用等場合帶來了便利。
文檔編號G01R33/38GK201975196SQ20102068792
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者徐凱, 戴光瑜, 邢增平 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所