CN100516918C - 一种测量三维动态磁场的装置及方法 - Google Patents

Abstract

针对传统霍尔元件体积大、测量效率低、精度差及易受环境温度影响的问题，本发明公开了一种测量三维动态磁场的装置及测量方法。该装置能高效的测量出窄小空间范围内的三维磁场，且不受环境温度的影响。在一根细长刚性杆的两端分别固定一个柔性柱体和一个探头组成的磁场探测计，将其安装于三轴工作台垂直导块的夹具上，将被测物置于三轴工作台的水平导块上，垂直导块和水平导块通过伺服电机驱动实现三维移动，使磁场探测计的探头置于被测物空间某一点，探头受到磁场力牵引并带动细长刚性杆上端的柔性柱体发生弹性变形，传导至应变片，通过A/D转换器及信号线，就可在计算机中根据柔性柱体的拉伸变形求出磁场强度的大小与方向。

Description

一种测量三维动态磁场的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量磁场的装置及方法，特别涉及一种测量三维动态磁场的装置及方法。

背景技术

现有测量磁场的方法，主要是使用霍尔元件测量空间某一定点的静态磁场。传统霍尔元件式的测量方式容易受到环境温度的干扰，即测量处的环境温度较高时，将会影响霍尔元件的测量精度，为了使测量精度能够有所保证，所以在数据采集线路中往往要使用温度补偿来解决该问题。此外，传统的霍尔传感器是利用霍尔效应制成的，其几何尺寸一般为4mm×2mm×0.1mm，该尺寸的霍尔式传感器适合测量大空间范围内的磁场，但是当需要二次测量(与第一次测量方向旋转九十度)的狭小空间范围内的三维磁场时，如测量电机内或通电线圈内的三维磁场，将会出现霍尔式传感器探头无法再次伸入至狭窄空间中的问题。

传统的磁场测量方式采用霍尔元件放置在探头前端对空间某点进行探测。该方法由于使用手工操作一次只能探测空间一个固定点上的磁场大小，因此当需要测量空间某一精确范围内的矢量场时，其测量效率比较低。使用手工方法的定位精度也比较低。此外，当需要研究该空间的磁场发生互感效应条件下某该点的磁场变化过程时，传统的手工测量仪器很难产生特定的互感过程。

发明内容

本发明针对传统磁场测量装置不能在狭小空间内测量出三维磁场的精确分布的问题，提供了一种高效率测量狭小空间磁场强度的、不受环境温度影响的力学式三维动态磁场测量装置及测量方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种测量三维动态磁场的装置，包括安装在三轴工作台上的可沿Z轴竖直移动的垂直导块、可沿X/Y轴移动的水平导块，所述垂直导块上设置有一个夹具，该夹具上垂直安装一个可拆卸的磁场探测计，被测物放置在所述水平导块上，其特征是，所述的磁场探测计包括一根非磁性材料制成的细长刚性杆，其一端为一个磁性材料制成的探测头，另一端连接一个柔性柱体，该柔性柱体外表面至少设置两片应变片，柔性柱体内设置有与应变片相连的A/D转换器，该转换器通过信号线与计算机连接。

上述方案中，所述垂直导块上可设置一个感应板，该感应板随垂直导块的竖直移动而与被测物如线圈的磁场产生互感效应；所述的应变片最好为4片，并沿柔性柱体外表面径向均布。

一种测量三维动态磁场的方法，在一根细长刚性杆的两端分别固定一个柔性柱体和一个探测头组成磁场探测计，将其安装于三轴工作台垂直导块的夹具上，将被测物置于三轴工作台的水平导块上，通过伺服电机驱动的垂直导块和水平导块的三维移动，使磁场探测计的探测头置于被测物空间某一点，探测头受到磁场力牵引并带动细长刚性杆上端的柔性柱体发生弹性变形，通过设置在柔性柱体表面的应变片、A/D转换器及信号线，就可以在计算机中根据柔性柱体的拉伸变形Δ_M1、Δ_M2和Δ_M3求出磁场强度的大小B与方向。

上述方案中，所述的柔性柱体的拉伸变形Δ_M1、Δ_M2和Δ_M3按照下列公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{M1}=B\·\cos \mathrm{\θ}\·\frac{p{L}_1}{\mathrm{\π}{\mathrm{ER}}^2}\\ {\mathrm{\Δ}}_{M2}=B\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\α}\·\frac{p{L_1}^2(L_1+L_2+r)}{3\mathrm{EI}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{M3}=B\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\α}\·\frac{p{L_1}^2(L_1+L_2+r)}{3\mathrm{EI}}\end{array}\right.$

式中

Δ_M1——柔性柱体在绝对坐标系中z方向的拉伸或压缩变形；

Δ_M2——柔性柱体在绝对坐标系中y方向的变形大小；

Δ_M3——柔性柱体在绝对坐标系中x方向的变形大小；

B——磁场强度；

θ——探测头受到的磁力与柔性柱体拉伸方向的夹角；

p——探测头受到的磁场力与磁场强度大小的比例系数；

L₁——柔性柱体的长度；

L₂——细长刚性杆的长度；

r——探测头的半径；

R——柔性柱体的截面半径；

E——柔性柱体的弹性模量；

I——柔性柱体的转动惯量；

本发明与现有技术相比，其有益效果体现在下述几方面：

1)当探测头测得的被测物某一点三维磁场值后，通过三维工作台的垂直和水平导块的移动可自动改变探测头在被测物中的位置，将该探测头的位置精确定位到需要测量的第二个点上去，当测量完毕第二个点的磁场值后再通过三维工作台的垂直和水平导块将探测头转移到第三个需要测量的点的精确位置上去，如此类推，能够动态测得被测物任意空间内有限个点的三维磁场值。

2)本发明装置中用竖直并行的两块独立的垂直导块，其中一个设置有一个夹具及磁场探测计，另一个可根据需要设置一个感应板，该感应板可随垂直导块的竖直移动而与被测物线圈的磁场产生互感效应，这时磁场探测计就可以将该过程中某点上的磁场变化测量出来，从而自动得到在产生互感过程中磁场变化的测量结果。

3)本发明采用柔性柱体内设置与应变片连接的A/D转换器，该转换器通过信号线与计算机连接，使得本发明数据采集电路(A/D转换器)集成到磁场探测计中，使得磁场探测计即可装在三轴工作台上测量，亦可单独使用测量，通过信号线直接输入计算机，省略了与计算机传输的分立数据采集装置。

4)本发明采用结构简单的力学式磁场探测计，测量过程中不受环境温度变化的影响，因而提高了测量的精度。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图。

图2是图1中的磁场探测计6的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种力学式三维磁场测量装置，包括安装在三轴工作台10上的可沿Z轴竖直移动的垂直导块11、可沿X/Y轴移动的水平导块9，所述垂直导块11为竖直并行的两块，一个上面设置有一个夹具12，另一个下端设置一个感应板7，该感应板7可随垂直导块11的竖直移动而与被测物8如线圈的磁场产生互感效应；夹具12上垂直安装一个可拆卸的磁场探测计6，被测物8放置在水平导块9上；垂直导块11、水平导块9可分别由两个伺服电机控制并带动磁场探测计6和被测物8实现三维空间位置任意移动。

如图2所示，本发明的磁场探测计6包括一根垂直的细长刚性杆2，其下端部固定一个探测头1，上端部连接一个柔性柱体3，该柔性柱体3的圆柱外表面设置四片应变片4，并沿柔性柱体3外表面径向均布，应变片4可采用0.2mm以下的金属片制成矩形片；柔性柱体3轴向上部内设置有与应变片4相连的A/D转换器，该转换器通过信号线5与计算机连接，所采集的磁场测量数据通过计算机处理后可绘制出三维磁场分布图。

探测头的体积较小，其由磁性材料如铁或者铁的合金等制成球形或柱形，本实施例采用不锈钢制成的球形；细长刚性杆2由非磁性材料如合金铝或者钛合金非等制成，本实施例采用钛合金；柔性柱体3可采用弹性材料如橡胶或尼龙等制成，本实施例采用橡胶。当磁场测量仪6进入被测物8的磁场测量空间时，探测头1会因受到磁场力而被磁场力所牵引，该磁场力牵引探测头1与细长刚性杆2使得柔性柱体3发生结构上的弹性变形，通过贴敷在柔性柱体3上的四个应变片4，可以获得该柔性柱体3弹性变形的大小与方向的模拟信息，该模拟信息通过设置在柔性柱体3里的A/D转换器，由信号线5将应变片4获得的柔性柱体3的弹性变形的电信号采集到计算机中，通过具体的计算来确定探测头1所在位置的磁场大小以及方向，并以图形的方式将被测量点磁场的大小与方向在计算机上显示出来；

根据以上实施例的装置，本发明测量三维动态磁场的方法是，将磁场探测计6安装于三轴工作台10垂直导块11的夹具12上，将被测物8置于三轴工作台10的水平导块9上，通过伺服电机驱动的垂直导块11和水平导块9的三维移动，使磁场探测计6的探头1置于被测物8空间某一点，探头1受到磁场力牵引并带动细长刚性杆2上端的柔性柱体3发生弹性变形，通过设置在柔性柱体3外表面的应变片4、柔性柱体3内的A/D转换器及引出信号线5，传递到计算机中，从而就可以在计算机中根据柔性柱体3的三维拉伸变形Δ_M1、Δ_M2和Δ_M3求出磁场强度B的大小与方向。

磁场强度B的大小以及磁场方向与柔性柱体3的拉伸变形Δ_M1、Δ_M2和Δ_M3的关系由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{M1}=B\·\cos \mathrm{\θ}\·\frac{p{L}_1}{\mathrm{\π}{\mathrm{ER}}^2}\\ {\mathrm{\Δ}}_{M2}=B\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\α}\·\frac{p{L_1}^2(L_1+L_2+r)}{3\mathrm{EI}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{M3}=B\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\α}\·\frac{p{L_1}^2(L_1+L_2+r)}{3\mathrm{EI}}\end{array}\right.$

式中

Δ_M1——柔性柱体3在绝对坐标系中z方向的拉伸或压缩变形。

Δ_M2——柔性柱体3在绝对坐标系中y方向的变形大小。

Δ_M3——柔性柱体3在绝对坐标系中x方向的变形大小。

B——磁场强度。

θ——探测头1受到的磁力与柔性柱体轴向的夹角。

p——探测头1受到的磁场力与磁场强度大小的比例系数。

L₁——柔性柱体3的长度。

L₂——细长刚性杆2的长度。

r——探测头1的半径。

R——柔性柱体3的截面半径。

E——柔性柱体3的弹性模量。

I——柔性柱体3的转动惯量。

其中比例系数p与测量点的磁场强度B，铁磁性材料制成的探头1的磁导率μ以及探头1的体积V分别成正比。

Claims (5)

1.一种测量三维动态磁场的装置，包括安装在三轴工作台(10)上的可沿Z轴竖直移动的垂直导块(11)、可沿X/Y轴移动的水平导块(9)，所述垂直导块(11)上设置有一个夹具(12)，该夹具(12)上安装一个可拆卸的磁场探测计(6)，被测物(8)放置在所述水平导块(9)上，其特征是，所述的磁场探测计(6)包括一根非磁性材料制成的细长刚性杆(2)，其一端固定一个磁性材料制成的探测头(1)，另一端固定一个柔性柱体(3)，该柔性柱体(3)外表面至少设置两片应变片(4)，柔性柱体(3)内设置有与应变片(4)相连的A/D转换器，该转换器通过信号线(5)与计算机连接。

2.如权利要求1所述的测量三维动态磁场的装置，其特征是，所述垂直导块(11)上设置有一个感应板(7)。

3.如权利要求1或2所述的测量三维动态磁场的装置，其特征是，所述的应变片(4)为四片，并沿柔性柱体(3)外表面径向均布。

4.一种测量三维动态磁场的方法，其特征是，在一根非磁性材料制成的细长刚性杆(2)的两端分别固定一个柔性柱体(3)和一个磁性材料制成的探测头(1)组成磁场探测计(6)，将其安装于三轴工作台(10)垂直导块(11)的夹具(12)上，将被测物(8)置于三轴工作台(10)的水平导块(9)上，通过伺服电机驱动的垂直导块(11)和水平导块(9)的三维移动，使磁场探测计(6)的探测头(1)置于被测物(8)空间某一点，探测头(1)受到磁场力牵引并带动细长刚性杆(2)上端的柔性柱体(3)发生弹性变形，通过设置在柔性柱体(3)表面的应变片(4)、柔性柱体(3)内的A/D转换器及信号线(5)，传递到计算机中，计算机根据柔性柱体(3)的拉伸变形Δ_M1、Δ_M2和Δ_M3求出磁场强度B的大小与方向，其中：Δ_M1为柔性柱体在绝对坐标系中z方向的拉伸或压缩变形；Δ_M2为柔性柱体在绝对坐标系中y方向的变形大小；Δ_M3为柔性柱体在绝对坐标系中x方向的变形大小。

5.如权利要求4所述的测量三维动态磁场的方法，其特征是，所述的柔性柱体(3)的拉伸变形Δ_M1、Δ_M2和Δ_M3按照下列公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{M1}=B\·\cos \mathrm{\θ}\·\frac{p{L}_1}{\mathrm{\πE}{R}^2}\\ {\mathrm{\Δ}}_{M2}=B\·\sin \mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\α}\·\frac{{{\mathrm{pL}}_1}^2(L_1+L_2+r)}{2\mathrm{EI}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{M3}=B\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\α}\·\frac{{{\mathrm{pL}}_1}^2(L_1+L_2+r)}{2\mathrm{EI}}\end{array}\right.$

式中：

Δ_M1——柔性柱体在绝对坐标系中z方向的拉伸或压缩变形；

Δ_M2——柔性柱体在绝对坐标系中y方向的变形大小；

Δ_M3——柔性柱体在绝对坐标系中x方向的变形大小；

B——磁场强度；

θ——探测头受到的磁力与柔性柱体拉伸方向的夹角；

p——探测头受到的磁场力与磁场强度大小的比例系数；

L₁——柔性柱体的长度；

L₂——细长刚性杆的长度；

r——探测头的半径；

R——柔性柱体的截面半径；

E——柔性柱体的弹性模量；

I——柔性柱体的转动惯量。

Images