專利名稱：三維脈沖磁場測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場測量方法。
背景技術(shù)：
目前磁場測量的方法主要有法拉第電磁感應(yīng)法和法拉第磁光效應(yīng)法。磁光效應(yīng)法對環(huán)境變化不敏感，外界干擾對測量系統(tǒng)影響較小，但是測量系統(tǒng)實現(xiàn)起來很復(fù)雜；法拉第電磁感應(yīng)方法，外界干擾對測量量的影響較大，但系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單，從實際應(yīng)用和經(jīng)濟性的角度出發(fā)，電磁感應(yīng)方法可以作為一種實際可行的磁場測量方法。不過由于磁場在空間的矢量方向是無法感知的，一般在使用法拉第感應(yīng)線圈作為磁場傳感器時，如果感應(yīng)平面與磁場方向不垂直時，所輸出的感應(yīng)電流和電壓無法反映實際場強的大小。因此要求測量系統(tǒng)不僅要具有較快的響應(yīng)速度，還須讓探頭(線圈)能在測量空間進行三維運動，保證測量值的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種三維脈沖磁場測量方法，該方法量程寬、響應(yīng)速度快、能準(zhǔn)確讀出三維方向上的磁場參數(shù)值和位移值，以克服傳統(tǒng)電磁感應(yīng)方法測量磁場存在的不足。為了解決所述的技術(shù)問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案采用三維脈沖磁場測量裝置，將組裝有三維移動探頭的感應(yīng)線圈置于待測量的磁場中，感應(yīng)線圈將通過連接的電壓變送器將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成PLC控制系統(tǒng)可以識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，縱向位移傳感器、橫向位移傳感器、角位移傳感器分別將三坐標(biāo)移動機構(gòu)上Z、X、XOY方向上的位移信號送入PLC 控制系統(tǒng)的外部接口，經(jīng)顯示器顯示在液晶屏上，電壓/頻率轉(zhuǎn)換計與PLC控制系統(tǒng)的高速計數(shù)端口相連，在顯示器上讀出待測磁場的瞬時頻率、場強和三坐標(biāo)位移值。本發(fā)明以PLC控制系統(tǒng)作為控制核心，將普通的探頭(線圈)改良為可三維移動的探頭(線圈)，使測量系統(tǒng)具有較寬的量程、較快的響應(yīng)速度以及能準(zhǔn)確讀出三維方向上的磁場參數(shù)值和位移值，以克服傳統(tǒng)電磁感應(yīng)方法測量磁場存在的局限。本發(fā)明的有益效果采用本發(fā)明的測量方法，磁場變化的梯度越大，對測量磁場的線圈反映就越靈敏，針對梯度變化較大的磁場具有良好的適用性；用PLC控制系統(tǒng)的高速輸入端口測量磁場的頻率，理論上限可以達到20KHz，感應(yīng)線圈設(shè)計成可調(diào)式，保證測量場強的峰值范圍具有寬量程，解決了市場上的場強計測量范圍僅限于強磁場的低頻段和通信用的弱磁場的高頻段的缺點，采用本裝置可以精確測量磁場頻率在1-4000HZ的任意場強值；針對不同的磁場測量范圍，可通過外部的硬件(線圈)與PLC (軟件)交互進行調(diào)整，具有良好的通用性；顯示界面可以顯示任意三坐標(biāo)下的磁場強度、頻率值。


圖1為本發(fā)明采用的測量裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明采用的測量裝置電磁感應(yīng)線圈與線圈骨架的結(jié)構(gòu)及連接方式圖； 圖3為本發(fā)明采用的測量裝置的三坐標(biāo)移動機構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施例方式本發(fā)明的測量方法為采用三維脈沖磁場測量裝置，將組裝有三維移動探頭12的感應(yīng)線圈1置于待測量的磁場中，感應(yīng)線圈1將通過連接的電壓變送器4將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成PLC控制系統(tǒng)5可以識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，縱向位移傳感器6、橫向位移傳感器7、角位移傳感器8分別將三坐標(biāo)移動機構(gòu)9上Z、X、XOY方向上的位移信號送入PLC 控制系統(tǒng)5的外部接口，經(jīng)顯示器10顯示在液晶屏上，電壓/頻率轉(zhuǎn)換計11與PLC控制系統(tǒng)5的高速計數(shù)端口相連，在顯示器10上讀出待測磁場的瞬時頻率、場強和三坐標(biāo)位移值。操作縱向位移傳感器6、橫向位移傳感器7在X、Z平面做直線往復(fù)運動，操作角位移傳感器8在XOY方向做單向旋轉(zhuǎn)運動，X、Z方向的運動均采用繼電器控制方式進行，通過正/反轉(zhuǎn)繼電器的吸合控制坐標(biāo)軸上的往復(fù)直線運動，位移傳感器用卡箍固定在滑塊上， 實時檢測探頭在X、Z方向上的位移；在旋轉(zhuǎn)座上連接有角位移傳感器，實時檢測探頭在XOY 平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明測量裝置如圖1所示意，電磁感應(yīng)線圈1與線圈骨架2相連、取樣電阻3與電磁感應(yīng)線圈1并聯(lián)，在取樣電阻3與PLC控制系統(tǒng)5之間分別連接頻率變送器11、電壓變送器4，PLC控制系統(tǒng)5與顯示器10連接；PLC控制系統(tǒng)5還分別與縱向位移傳感器6、橫向位移傳感器7、角位移傳感器8連接，縱向位移傳感器6、橫向位移傳感器7、角位移傳感器8 分別安裝在三坐標(biāo)移動機構(gòu)9上；線圈骨架2安裝在連接桿15上，連接桿15與三坐標(biāo)移動機構(gòu)9的固定桿14相連。由于位于梯度磁場中的感應(yīng)線圈1處于微分工作狀態(tài)，感應(yīng)線圈骨架2設(shè)計成可調(diào)式，取樣電阻3兩端的電壓與被測磁場呈微分關(guān)系，需得到與被測磁場一致的磁參數(shù)，通過外積分器對取樣電阻上的信號進行積分即可。如圖1所示意，通過電壓變送器4將電磁感應(yīng)線圈1兩端電壓轉(zhuǎn)化成PLC控制系統(tǒng)5可以識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，用PLC控制系統(tǒng)5作為外積分器，對電壓信號進行采樣、線性積分運算，將磁場強度值顯示在文本顯示器10上。感應(yīng)線圈1將通過連接的電壓變送器4將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成PLC控制系統(tǒng)5可以識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，三個位移傳感器(縱向位移傳感器6、橫向位移傳感器7、角位移傳感器 8)分別將三坐標(biāo)移動機構(gòu)9上X、Z、XOY方向上的位移信號送入PLC控制系統(tǒng)5的外部接口，經(jīng)顯示器10顯示在液晶屏上，電壓/頻率轉(zhuǎn)換計(V/FC) 11與PLC控制系統(tǒng)5的高速計數(shù)端口相連，測量磁場的頻率，在顯示器10上可以讀出待測磁場的瞬時頻率、場強和三坐標(biāo)位移值。其中，X、Z如圖1、圖4中所示意，Y垂直于XOZ平面。所述的線圈材料為細(xì)銅線，均勻繞在線圈骨架上，依據(jù)測量磁場的大小，繞制層數(shù)為1-6層，構(gòu)成線圈微分環(huán)，磁場越大，層數(shù)越小。線圈結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系為線圈所繞制的磁路長度L/線圈直徑D (包括絕緣層)=0. 866。所述的線圈骨架采用溫度系數(shù)小、較為容易加工的聚氯乙烯為材料，線圈骨架一段固定，另一端連接感應(yīng)線圈伸入磁場空間內(nèi)，保持架在校準(zhǔn)探頭垂直度時使用，檢測時可卸下。如圖2所示意，所述的線圈骨架2 —端固定在連接桿15上，另一端連接感應(yīng)線圈1， 感應(yīng)線圈1上有探頭12，探頭12的下端連接保持架13。所述電壓變送器的作用在于將線圈微分環(huán)上的感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成PLC可以處理的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。電壓變送器輸入輸出量均選擇雙極性電壓信號。所述的三坐標(biāo)機構(gòu)運動方式為柱坐標(biāo)運動，動力由連接在固定端上的電機提供， 連接桿15與X方向的固定桿14相連，感應(yīng)線圈1 (探頭)則用緊固件固定在連接桿15上。 X、Z平面為直線往復(fù)運動，XOY方向為單向旋轉(zhuǎn)運動，X、Z方向的運動均采用繼電器控制方式進行，通過正/反轉(zhuǎn)繼電器的吸合控制坐標(biāo)軸上的往復(fù)直線運動，位移傳感器用卡箍固定在滑塊上，實時檢測探頭在X、Z方向上的位移；在旋轉(zhuǎn)座上連接有角位移傳感器，實時檢測探頭在XOY平面上的旋轉(zhuǎn)角度。測量裝置的三坐標(biāo)移動機構(gòu)如圖3所示意，在該機構(gòu)上除了安裝有縱向位移傳感器6、橫向位移傳感器7、角位移傳感器8、固定桿14外，還安裝有導(dǎo)向塊16、旋轉(zhuǎn)軸17、固定端18、導(dǎo)軌19、電機20、底座21、旋轉(zhuǎn)座22。所述的縱、橫向位移傳感器位移最大測量范圍X、Z方向為500mm，線性度不大于 0.30%;角位移傳感器8在XOY方向測量范圍為0-360°，分辨率0.5°。所述的PLC控制系統(tǒng)采用西門子CPU2M，帶有模擬量模塊EM235，模擬量的信號分辨率可達到0.25ms。作用有一、從電壓變送器讀取線圈的瞬時電壓值，并對感應(yīng)電動勢進行積分計算，得出實時磁場強度值及波形參數(shù)值，完成數(shù)據(jù)的處理；二、利用PLC的高速計數(shù)端口，對磁場的頻率進行測量；三、采集來自三個位移傳感器的電信號，經(jīng)PLC內(nèi)部CPU處理后，通過顯示器顯示出線圈的三維坐標(biāo)值。
權(quán)利要求
1.一種三維脈沖磁場測量方法，其特征在于采用三維脈沖磁場測量裝置，將組裝有三維移動探頭(12)的感應(yīng)線圈(1)置于待測量的磁場中，感應(yīng)線圈(1)將通過連接的電壓變送器(4)將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成PLC控制系統(tǒng)(5)可以識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，縱向位移傳感器 (6)、橫向位移傳感器(7)、角位移傳感器(8)分別將三坐標(biāo)移動機構(gòu)(9)上Ζ、Χ、Χ0Υ方向上的位移信號送入PLC控制系統(tǒng)(5)的外部接口，經(jīng)顯示器(10)顯示在液晶屏上，電壓/頻率轉(zhuǎn)換計(11)與PLC控制系統(tǒng)(5)的高速計數(shù)端口相連，在顯示器(10)上讀出待測磁場的瞬時頻率、場強和三坐標(biāo)位移值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維脈沖磁場測量方法，其特征在于操作縱向位移傳感器 (6)、橫向位移傳感器(7)在X、Z平面做直線往復(fù)運動，操作角位移傳感器(8)在XOY方向做單向旋轉(zhuǎn)運動，X、Z方向的運動均采用繼電器控制方式進行，通過正/反轉(zhuǎn)繼電器的吸合控制坐標(biāo)軸上的往復(fù)直線運動，位移傳感器用卡箍固定在滑塊上，實時檢測探頭在X、Z方向上的位移；在旋轉(zhuǎn)座上連接有角位移傳感器，實時檢測探頭在XOY平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維脈沖磁場測量方法，其特征在于所述的縱向位移傳感器(6)、橫向位移傳感器(7)位移最大測量范圍X、Z方向為500mm，線性度不大于0. 30% ；角位移傳感器(8)在XOY方向測量范圍為0-360°，分辨率0.5°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維脈沖磁場測量方法，采用三維脈沖磁場測量裝置，將組裝有三維移動探頭(12)的感應(yīng)線圈(1)置于待測量的磁場中，感應(yīng)線圈(1)將通過連接的電壓變送器(4)將感應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換成PLC控制系統(tǒng)(5)可以識別的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，縱向位移傳感器(6)、橫向位移傳感器(7)、角位移傳感器(8)分別將三坐標(biāo)移動機構(gòu)(9)上Z、X、XOY方向上的位移信號送入PLC控制系統(tǒng)(5)的外部接口，經(jīng)顯示器(10)顯示在液晶屏上，電壓/頻率轉(zhuǎn)換計(11)與PLC控制系統(tǒng)(5)的高速計數(shù)端口相連，在顯示器(10)上讀出待測磁場的瞬時頻率、場強和三坐標(biāo)位移值。本發(fā)明能對梯度變化較大的磁場進行測量，且適用性好。
文檔編號G01R33/02GK102288925SQ20111018965
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者楊綠, 田豐果, 胡鵬飛, 邱望標(biāo) 申請人:貴州大學(xué)