地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，包括：線圈、懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置、監(jiān)控裝置，線圈通過懸掛裝置懸掛在空中，并在通電后在地磁作用下扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)放大裝置將線圈的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行顯示放大，監(jiān)控裝置監(jiān)控扭轉(zhuǎn)放大裝置顯示結(jié)果，處理后得到動(dòng)態(tài)的地磁水平分量。本實(shí)用新型的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置運(yùn)用了力學(xué)、光學(xué)以及計(jì)算機(jī)處理圖片的技術(shù)，時(shí)時(shí)刻刻可以精確地反映出地磁水平分量的大小，成功地對(duì)地磁水平分量的大小進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
【專利說明】
地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種監(jiān)控裝置，具體涉及一種地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，本實(shí) 用新型屬于物理檢測(cè)儀器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于地磁水平分量較小，普通的特斯拉計(jì)難以檢測(cè)，目前的一些測(cè)量地磁水平分 量的裝置都只能停留在測(cè)量大小方面，而且裝置成本都比較高，市場(chǎng)上沒有動(dòng)態(tài)監(jiān)控地球 磁場(chǎng)水平分量的裝置。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控 裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)只能測(cè)量地磁水平分量的大小、裝置成本較高的技術(shù)問題。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案：
[0005] 地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，包括:線圈、懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置、 監(jiān)控裝置，線圈通過懸掛裝置懸掛在空中，并在通電后在地磁作用下扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)放大裝置將 線圈的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行顯示放大，監(jiān)控裝置監(jiān)控扭轉(zhuǎn)放大裝置顯示結(jié)果，處理后得到動(dòng)態(tài)的 地磁水平分量。
[0006] 前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，在線圈未通電時(shí)，線圈平面的法 向與地磁水平方向垂直。
[0007] 前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，通過指南針確定線圈的初始平 衡位置。
[0008] 前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述懸掛裝置包括懸掛導(dǎo)線、固 定端，所述懸掛導(dǎo)線一端連接固定端，另一端連接線圈。
[0009] 前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，懸掛導(dǎo)線包括第一懸掛導(dǎo)線、第 二懸掛導(dǎo)線，固定端包括固定頂端、固定底端，線圈包括相對(duì)的兩端，第一懸掛導(dǎo)線的一端 連接固定頂端，第一懸掛導(dǎo)線的另一端連接線圈的一端，第二懸掛導(dǎo)線的一端連接固定底 端，第一懸掛導(dǎo)線的另一端連接線圈的另一端。
[0010] 前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)放大裝置包括反射鏡 組件、光屏、光點(diǎn)產(chǎn)生裝置，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點(diǎn)打在反射鏡組件上，并通過反射鏡組 件顯示在光屏上，反射鏡組件與線圈相連，并跟隨線圈扭轉(zhuǎn)而扭轉(zhuǎn)。
[0011]前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述反射鏡組件包括第一反射 鏡、第二反射鏡，所述第一反射鏡與線圈固定連接，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點(diǎn)通過第一反射 鏡反射到第二反射鏡上，再通過第二反射鏡反射顯示到光屏上。
[0012]前述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述監(jiān)控裝置包括攝像機(jī)、計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)，攝像機(jī)連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，攝像機(jī)拍攝光點(diǎn)照片后將照片傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)處理后得到動(dòng)態(tài)的地磁水平分量。
[0013] 本實(shí)用新型的有益之處在于:本實(shí)用新型的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置運(yùn)用了力 學(xué)、光學(xué)以及計(jì)算機(jī)處理圖片的技術(shù)，時(shí)時(shí)刻刻可以精確地反映出地磁水平分量的大小，成 功地對(duì)地磁水平分量的大小進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本實(shí)用新型地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖2是本實(shí)用新型地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置反射路徑的幾何模型；
[0016] 圖3是本實(shí)用新型地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置用matlab處理圖片的技術(shù)，計(jì)算出 每張圖片中光點(diǎn)的位置，繪制出光點(diǎn)位移與時(shí)間的曲線光點(diǎn)位移與時(shí)間的曲線。
[0017] 圖中附圖標(biāo)記的含義：
[0018] 1、線圈，2、第一懸掛導(dǎo)線，3、第二懸掛導(dǎo)線，4、固定頂端，5、固定底端，6、第一反射 鏡，7、第二反射鏡，8、光屏，9、光點(diǎn)產(chǎn)生裝置，10、攝像機(jī)，11、外箱。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作具體的介紹。
[0020] 參照?qǐng)D1所示，本實(shí)用新型地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，包括:線圈1、懸掛裝置、扭 轉(zhuǎn)放大裝置、監(jiān)控裝置，線圈1通過懸掛裝置懸掛在空中，并在通電后在地磁作用下扭轉(zhuǎn)，扭 轉(zhuǎn)放大裝置將線圈1的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行顯示放大，監(jiān)控裝置監(jiān)控扭轉(zhuǎn)放大裝置顯示結(jié)果，處理 后得到動(dòng)態(tài)的地磁水平分量。線圈1、懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置、監(jiān)控裝置均可以設(shè)置在外箱 11內(nèi)，外箱能夠減少外界因素對(duì)線圈1、懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置、監(jiān)控裝置的干擾。使得監(jiān) 控更為精確。這些外界因素可以是空氣擾動(dòng)、外力振動(dòng)等。
[0021] 下面介紹本實(shí)用新型的應(yīng)用原理。
[0022] (1)圓軸扭轉(zhuǎn)
[0023] 我們以一根銅絲為例，當(dāng)其發(fā)生圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，若最大剪應(yīng)力不超過材料的比例極 限，其扭轉(zhuǎn)角公式：
[0024]
[0025] 其中，Mx是銅絲橫截面上的扭矩，L是銅絲的長(zhǎng)度，G是銅絲的剪切模量，Ip是橫截 面對(duì)截面形心極慣性矩，橫截面是圓形。
[0026] 若銅絲轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度Θ，則銅絲最下端橫截面上的扭矩為：
[0027]
[0028]定義扭矩系數(shù)
[0029]
[0030]
[0031] (2)地磁水平分量計(jì)算公式
[0032]我們用兩根銅絲把一個(gè)線圈1固定住，保證線圈1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度等于銅絲的扭轉(zhuǎn)角 度，銅絲與外界的電源相連接。初始時(shí)刻把線圈1平面的法向與地磁水平方向垂直。在初始 時(shí)刻，使線圈平面的法向與地磁水平分量垂直，不通電流時(shí)，線圈1系統(tǒng)受到重力和銅絲的 拉力，處于靜止，將此時(shí)線圈1所處的位置稱為初始平衡位置。確定線圈1的初始平衡位置時(shí) 借助于一個(gè)指南針。我們給線圈1通電流，線圈1會(huì)受到地磁水平分量的施加磁力矩，因?yàn)榫€ 圈1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)了銅絲的扭轉(zhuǎn)，所以線圈1同時(shí)會(huì)受到銅絲施加的反向扭矩。線圈1最后在兩 個(gè)力矩的作用下平衡，線圈1靜止后，偏離初始平衡位置的一個(gè)角度。我們根據(jù)線圈1的受力 平衡推導(dǎo)出地磁水平分量的計(jì)算公式：
[0033]
[0034] 其中，k是材料的扭矩系數(shù)，N是線圈1的匝數(shù)，I是線圈1所通的電流，Θ是線圈1偏離 初始平衡位置的角度，s是線圈1所圍成的面積。
[0035] (3)θ的測(cè)量
[0036]放大部分：
[0037] 由于線圈1在最后靜止時(shí)，偏離初始平衡位置的角度較小，不易測(cè)量，我們?cè)谘b置 中加入了一個(gè)激光放大的部分，在線圈1的內(nèi)部固定了一個(gè)反射鏡，將測(cè)量線圈1的轉(zhuǎn)動(dòng)的 角度轉(zhuǎn)化到了測(cè)量激光光點(diǎn)的移動(dòng)距離。圖2是我們激光反射路徑的幾何模型。根據(jù)余弦定 理和正弦定理，推導(dǎo)出轉(zhuǎn)角與光點(diǎn)移動(dòng)距離的轉(zhuǎn)換公式：
[0038]
[0039] 監(jiān)控部分：
[0040]我們已經(jīng)將線圈1的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成了光點(diǎn)的移動(dòng)，只要測(cè)量出線圈1移動(dòng)的距離就可 以推算出線圈1轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，首先不通電流，讓線圈1自由轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通電流，讓線圈1轉(zhuǎn)動(dòng)， 我們用攝像頭對(duì)光點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行每隔0.02 8拍照，并用!^丨1&13處理圖片的技術(shù)，計(jì)算出每張 圖片中光點(diǎn)的位置，繪制出光點(diǎn)位移與時(shí)間的曲線，如圖3:
[0041] 不通電流時(shí)，光點(diǎn)位移近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，在平衡位置左右移動(dòng)，通電流后，光點(diǎn)的 位移
[0042] 也近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)新的平衡位置左右移動(dòng)，圖中的橫線是線圈1的兩個(gè)平 衡位置。我們計(jì)算出線圈1的兩個(gè)平衡位置的像素差，然后將像素差轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際中兩個(gè)平衡 位置的距離，再代入距離與轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式，得到轉(zhuǎn)角大小。
[0043] 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變：
[0044] 初始時(shí)，不給線圈1通電流，使其轉(zhuǎn)動(dòng)，攝像頭拍攝光點(diǎn)，matlab計(jì)算出它的初始平 衡位置，接著通電流，計(jì)算出新的平衡位置，攝像機(jī)10每〇.〇2s拍一張照片，matlab處理圖 片，計(jì)算出一個(gè)平衡位置點(diǎn)，得到一次新的平衡位置偏離原來平衡位置的角度，轉(zhuǎn)角有了之 后，代入到地磁水平分量的計(jì)算公式當(dāng)中，得到地磁水平分量的數(shù)值大小，整個(gè)過程不超過 Is。這樣，整個(gè)裝置就能在Is中之內(nèi)測(cè)量出地磁水平分量的大小了，如果地磁突然改變，線 圈1新的平衡位置就會(huì)改變，轉(zhuǎn)角就會(huì)有一個(gè)新的值，地磁水平分量的大小也同樣可以計(jì)算 出來。
[0045] 下面給出具體實(shí)施本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。
[0046]需要說明的是，本實(shí)用新型不限制懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置、監(jiān)控裝置的具體構(gòu) 造，但是作為優(yōu)選，懸掛裝置包括懸掛導(dǎo)線、固定端，懸掛導(dǎo)線一端連接固定端，另一端連接 線圈1。進(jìn)一步，本實(shí)用新型不限定懸掛導(dǎo)線的數(shù)量，材質(zhì)、懸掛導(dǎo)線與線圈1的結(jié)合部位。但 是作為優(yōu)選，懸掛導(dǎo)線包括第一懸掛導(dǎo)線2、第二懸掛導(dǎo)線3,固定端包括固定頂端4、固定底 端5,線圈1包括相對(duì)的兩端，第一懸掛導(dǎo)線2的一端連接固定頂端4,第一懸掛導(dǎo)線2的另一 端連接線圈1的一端，第二懸掛導(dǎo)線3的一端連接固定底端5,第一懸掛導(dǎo)線2的另一端連接 線圈1的另一端。同樣的，本實(shí)用新型不限制扭轉(zhuǎn)放大裝置的具體構(gòu)造，作為優(yōu)選，扭轉(zhuǎn)放大 裝置包括反射鏡組件、光屏8、光點(diǎn)產(chǎn)生裝置9,光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點(diǎn)打在反射鏡組件 上，并通過反射鏡組件顯示在光屏8上，反射鏡組件與線圈1相連，并跟隨線圈1扭轉(zhuǎn)而扭轉(zhuǎn)。 進(jìn)一步，本實(shí)用新型不限制反射鏡組件的具體構(gòu)造，作為優(yōu)選，反射鏡組件包括第一反射鏡 6、第二反射鏡7,所述第一反射鏡6與線圈1固定連接，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點(diǎn)通過第一反 射鏡6反射到第二反射鏡7上，再通過第二反射鏡7反射顯示到光屏8上。同樣的，本實(shí)用新型 不限制監(jiān)控裝置具體構(gòu)造，作為優(yōu)選，監(jiān)控裝置包括攝像機(jī)10、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，攝像機(jī)10連接 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，攝像機(jī)10拍攝光點(diǎn)照片后將照片傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理后得 到動(dòng)態(tài)的地磁水平分量。
[0047]如圖1所示。該優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置裝置中各個(gè)參量的數(shù)值如下表一，激光放大各部分 數(shù)值如下表二：
[0048]表一:裝置中各個(gè)參量的數(shù)值
LUUDZj 仕n兀旌頭施例〒，微亢貺兀符缽安氺，玦圓1兀符缽安氺，漢坍現(xiàn)兀符缽安氺，M 像頭像素優(yōu)選在500萬像素以上。
[0053]我們用兩根銅絲把一個(gè)線圈1固定住，保證線圈1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度等于銅絲的扭轉(zhuǎn)角 度，銅絲與外界的電源相連接。初始時(shí)刻把線圈1平面的法向與地磁水平方向垂直。確定線 圈1的初始平衡位置時(shí)借助于一個(gè)指南針。我們給線圈1通電流，線圈1會(huì)受到地磁水平分量 的施加磁力矩，因?yàn)榫€圈1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)了銅絲的扭轉(zhuǎn)，所以線圈1同時(shí)會(huì)受到銅絲施加的反 向扭矩。線圈最后在兩個(gè)力矩的作用下平衡，線圈靜止后，偏離初始平衡位置的一個(gè)角度。 我們根據(jù)線圈的受力平衡推導(dǎo)出地磁水平分量的計(jì)算公式：
[0054]
[0055] 其中，k是材料的扭矩系數(shù)，N是線圈的匝數(shù)，I是線圈所通的電流，Θ是線圈偏離初 始平衡位置的角度，s是線圈所圍成的面積。測(cè)得的地磁動(dòng)態(tài)監(jiān)控的數(shù)值穩(wěn)定在3.01 XHT 5T。
[0056]以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員 應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本實(shí)用新型，凡采用等同替換或等效變換的方式 所獲得的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，包括:線圈、懸掛裝置、扭轉(zhuǎn)放大裝置、監(jiān) 控裝置，線圈通過懸掛裝置懸掛在空中，并在通電后在地磁作用下扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)放大裝置將線 圈的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行顯示放大，監(jiān)控裝置監(jiān)控扭轉(zhuǎn)放大裝置顯示結(jié)果，處理后得到動(dòng)態(tài)的地 磁水平分量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，在線圈未通電時(shí)， 線圈平面的法向與地磁水平方向垂直。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，通過指南針確定線 圈的初始平衡位置。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述懸掛裝置包括 懸掛導(dǎo)線、固定端，所述懸掛導(dǎo)線一端連接固定端，另一端連接線圈。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，懸掛導(dǎo)線包括第一 懸掛導(dǎo)線、第二懸掛導(dǎo)線，固定端包括固定頂端、固定底端，線圈包括相對(duì)的兩端，第一懸掛 導(dǎo)線的一端連接固定頂端，第一懸掛導(dǎo)線的另一端連接線圈的一端，第二懸掛導(dǎo)線的一端 連接固定底端，第一懸掛導(dǎo)線的另一端連接線圈的另一端。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述扭 轉(zhuǎn)放大裝置包括反射鏡組件、光屏、光點(diǎn)產(chǎn)生裝置，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點(diǎn)打在反射鏡組 件上，并通過反射鏡組件顯示在光屏上，反射鏡組件與線圈相連，并跟隨線圈扭轉(zhuǎn)而扭轉(zhuǎn)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述反射鏡組件包 括第一反射鏡、第二反射鏡，所述第一反射鏡與線圈固定連接，光電產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的光點(diǎn)通 過第一反射鏡反射到第二反射鏡上，再通過第二反射鏡反射顯示到光屏上。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的地磁水平分量動(dòng)態(tài)監(jiān)控裝置，其特征在于，所述監(jiān)控裝置包括 攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，攝像機(jī)連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，攝像機(jī)拍攝光點(diǎn)照片后將照片傳輸給計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理后得到動(dòng)態(tài)的地磁水平分量。
【文檔編號(hào)】G01V3/40GK205539523SQ201620111756
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年2月3日
【發(fā)明人】張雅男, 孫杰, 王彥昭, 張震
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)