CN101866735A - 三轴磁场模拟装置及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种三轴磁场模拟装置及其构建方法，三轴磁场模拟装置包括：三组线圈、控制系统、磁强计。三组线圈包括：包含有相互平行的m个线圈的第一组线圈、包含有相互平行的n个线圈的第二组线圈、包含有1个线圈的第三组线圈；三组线圈每两组线圈所成夹角之和大于等于260°、小于等于280°；其中，m、n为大于1的整数。控制系统用以输出电流至三组线圈，控制三组线圈产生磁场；磁强计用以采集所述三组线圈产生磁场强度关联参数，并把采集的信息发送至控制系统，供控制系统根据接收到的磁场强度关联参数、及设定需要调节输出电流。本发明精度较高、响应灵敏、成本低，且无需将磁强计放入地磁模拟器中，可满足已固联整机的磁强计应用要求。
Description
技术领域
本发明属于空间科学技术领域，涉及一种磁场模拟装置，尤其涉及一种三轴磁场模拟装置；此外，本发明还涉及上述三轴磁场模拟装置的构建方法。
背景技术
在航天、空间科学等领域的科学研究与试验中，模拟空间三轴变化磁场的典型方法有两种。
一种是用单轴线圈产生固定方向的磁场，将磁敏感器(又称磁强计)置于转台上，通过转台运动来获得变化磁场。但该方法要求三轴无磁转台，设备昂贵(约100万)，并且转台存在着转角范围限制和机械时延，精度不高。
另一种方法采用无磁框架(如木质或铝质)搭建空间正交的三轴磁线圈，将磁强计位置固定在框架内，通过线圈电流变化产生三轴变化磁场。但该方法的磁模拟器体积大，框架安装复杂。尤其是对于已固联整机的磁强计，不可能将磁强计放入模拟器内，此时需将模拟器外置在磁强计附近，即可产生相应的三轴模拟磁场。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种三轴磁场模拟装置，精度较高、响应灵敏、成本低，且无需将磁强计放入地磁模拟器中，可满足已固联整机的磁强计应用要求。
另外，本发明还提供上述三轴磁场模拟装置的构建方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种三轴磁场模拟装置，其包括：三组线圈、控制系统、磁强计。三组线圈包括：包含有相互平行的m个线圈的第一组线圈、包含有相互平行的n个线圈的第二组线圈、包含有1个线圈的第三组线圈；三组线圈每两组线圈所成夹角之和大于等于260°、小于等于280°；其中，m、n为大于1的整数。控制系统用以输出电流至所述三组线圈，控制所述三组线圈产生磁场；磁强计用以采集所述三组线圈产生磁场强度关联参数，并把采集的信息发送至所述控制系统，供控制系统根据接收到的磁场强度关联参数、及设定需要调节输出电流。
作为本发明的一种优选方案，所述控制系统包括处理器、程控恒流源；所述程控恒流源用以输出电流至所述三组线圈；所述处理器根据程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数，计算期望磁场时需要的期望电流输出，换算成处理器的信号输出值，得到期望磁场。
作为本发明的一种优选方案，所述控制系统还包括放大电路，所述处理器通过该放大电路放大输出信号，而后发送至程控恒流源。
作为本发明的一种优选方案，所述放大电路为差分放大电路。
作为本发明的一种优选方案，所述处理器自带4路DA输出，其中三路输出至差分放大电路的正向放大端，另一路进入负端，组成三路差分放大电路输出，控制程控恒流源向线圈输出期望电流，并控制线圈产生磁场。
作为本发明的一种优选方案，三组线圈每两组线圈所成夹角之和为270°。
作为本发明的一种优选方案，三组线圈每两组线圈所成夹角均为90°。
上述三轴磁场模拟装置的构建方法，该方法包括如下步骤：
将标准磁强计放在三组线圈附近，通过串口连接磁强计和控制系统；
进行实际地磁场测试；
测试程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数；
根据程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数，计算期望磁场时需要的期望电流输出，换算成处理器的DA输出值，得到期望磁场。
本发明的有益效果在于：本发明以-40,000--+40,000nT的空间磁场模拟范围和10nT的分辨细度满足广泛的空间科学试验中的地磁场模拟要求，精度较高，响应灵敏，成本低(制作费约9,000元)，尤其是无需将磁强计放入地磁模拟器中，可满足已固联整机的磁强计应用要求。
附图说明
图1为本发明三轴磁场模拟装置的组成示意图。
图2为处理器的DA输出线形关系图。
图3为差分放大电路的电路图。
图4为程控恒流源的输入输出关系图。
图5为三组线圈的结构图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1，本发明揭示了一种三轴磁场模拟装置，其包括：三组线圈、控制系统、磁强计；控制系统分别与三组线圈、磁强计连接；控制系统包括依次连接的处理器(CPU)、差分放大电路、程控恒流源。
【控制系统】
控制系统用以输出电流至所述三组线圈，控制所述三组线圈产生磁场。具体地，所述控制系统包括CPU、差分放大电路、程控恒流源。本实施例中，CPU采用AD7026处理器，差分放大电路采用AD8608放大器，程控恒流源采用YM0441型高精度压控可调式恒流源模块。
请参阅图1，微处理器AD7026自带4路DA输出，其中三路输出给集成放大器AD8608的正向放大端，另一路进入负端，组成三路差分放大电路输出，控制恒流源YM0441向线圈输出期望电流，并控制线圈产生磁场。放置在线圈外的磁强计采集相应的磁场方向和大小，通过串口反馈回AD7026处理器，以调整电流，达到期望磁场。以下分别描述控制系统的各组成。
1、CPU部分
CPU采用AD7026处理器，该处理器是一款基于ARM7核的微处理器，片上集成串口和4路DA通道，DA输出功能参数如下：12位精度，10us的建立时间，2LSB的相对精度，DA输出的线性度，如图2所示。由图2可见，在DA输出的末端，存在非线性输出。为了解决这一问题，引入基于AD8608的差分放大电路。
2、差分放大电路
AD8608放大器是一款4路精密集成放大器。AD7026的第4路DA输出一个小电压值，作为AD8608的3组差分放大器的公共的差分输入端，DA1、DA2、DA3共3路DA输出叠加上DA4的小量后分别作为AD8608的另一个输入端，以避开DA输出的非线性部分，如图3所示。可以认为，每组AD8608的两个输入信号差模部分反映了被放大信号的变化，而共模部分反映了AD7026的非线性部分。
3、程控电源
YM0441型高精度压控可调式恒流源模块采用18-27V供电，控制端输入0～10V时，在10Ω的负载上对应产生0～1A的恒定电流。图4为该模块的线性度标定，图中横坐标为输入电压，单位为V，纵坐标为输出电流，单位为mA。由图4可见，该模块具有很好的线性度。
【磁强计】
磁强计用以采集所述三组线圈产生磁场强度关联参数(包括磁场的方向及大小)，并把采集的信息发送至所述控制系统，供控制系统根据接收到的磁场强度关联参数、及设定需要调节输出电流。
【三组线圈】
三组线圈包括：包含有相互平行的m个线圈的第一组线圈、包含有相互平行的n个线圈的第二组线圈、包含有1个线圈的第三组线圈；三组线圈每两组线圈所成夹角之和大于等于260°、小于等于280°；其中，m、n为大于1的整数。本实施例中，m、n均为2，第三组线圈与水平面平行。
如图5所示，线圈部分设计了3组共5个线圈，各组线圈均采用0.7mm的漆包线绕制而成。
在安装时，通过改变线圈的安装位置，尽量使三组线圈每两组线圈所成夹角之和接近270°。进一步地，三组线圈每两组线圈所成夹角均为90°，此时三组线圈间的相互干扰最小。此外，根据线圈尺寸，外部设置一个密闭铝板箱，构成地磁模拟器的线圈箱。
以上介绍本发明三轴磁场模拟装置的组成，以下介绍其构建方法，该方法包括如下步骤：
将标准磁强计放在三组线圈附近，通过串口连接磁强计和控制系统；
进行实际地磁场测试；
测试程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数；
根据程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数，计算期望磁场时需要的期望电流输出，换算成处理器的DA输出值，得到期望磁场。
通过以上改进，本发明以-40,000--+40,000nT的空间磁场模拟范围和10nT的分辨细度满足广泛的空间科学试验中的地磁场模拟要求，精度较高，响应灵敏，成本低(制作费约9,000元)，尤其是无需将磁强计放入地磁模拟器中，可满足已固联整机的磁强计应用要求。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
Claims (8)
1.一种三轴磁场模拟装置，其特征在于，其包括：
三组线圈，包括：包含有相互平行的m个线圈的第一组线圈、包含有相互平行的n个线圈的第二组线圈、包含有1个线圈的第三组线圈；三组线圈每两组线圈所成夹角之和大于等于260°、小于等于280°；其中，m、n为大于1的整数；
控制系统，用以输出电流至所述三组线圈，控制所述三组线圈产生磁场；
磁强计，用以采集所述三组线圈产生磁场强度关联参数，并把采集的信息发送至所述控制系统，供控制系统根据接收到的磁场强度关联参数、及设定需要调节输出电流。
2.根据权利要求1所述的三轴磁场模拟装置，其特征在于：
所述控制系统包括处理器、程控恒流源；
所述程控恒流源用以输出电流至所述三组线圈；
所述处理器根据程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数，计算期望磁场时需要的期望电流输出，换算成处理器的信号输出值，得到期望磁场。
3.根据权利要求2所述的三轴磁场模拟装置，其特征在于：
所述控制系统还包括放大电路，所述处理器通过该放大电路放大输出信号，而后发送至程控恒流源。
4.根据权利要求3所述的三轴磁场模拟装置，其特征在于：
所述放大电路为差分放大电路。
5.根据权利要求4所述的三轴磁场模拟装置，其特征在于：
所述处理器自带4路DA输出，其中三路输出至差分放大电路的正向放大端，另一路进入负端，组成三路差分放大电路输出，控制程控恒流源向线圈输出期望电流，并控制线圈产生磁场。
6.根据权利要求1所述的三轴磁场模拟装置，其特征在于：
三组线圈每两组线圈所成夹角之和为270°。
7.根据权利要求6所述的三轴磁场模拟装置，其特征在于：
三组线圈每两组线圈所成夹角均为90°。
8.权利要求1至7任意一项所述三轴磁场模拟装置的构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
将标准磁强计放在三组线圈附近，通过串口连接磁强计和控制系统；
进行实际地磁场测试；
测试程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数；
根据程控恒流源的电流输出与磁场强度关联参数，计算期望磁场时需要的期望电流输出，换算成处理器的DA输出值，得到期望磁场。
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