CN102288925A - 三维脉冲磁场测量方法 - Google Patents

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邱望标
胡鹏飞
田丰果
杨绿
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本发明公开了一种三维脉冲磁场测量方法，采用三维脉冲磁场测量装置，将组装有三维移动探头（12）的感应线圈（1）置于待测量的磁场中，感应线圈（1）将通过连接的电压变送器（4）将感应电压转换成PLC控制系统（5）可以识别的标准电压信号，纵向位移传感器（6）、横向位移传感器（7）、角位移传感器（8）分别将三坐标移动机构（9）上Z、X、XOY方向上的位移信号送入PLC控制系统（5）的外部接口，经显示器（10）显示在液晶屏上，电压/频率转换计(11)与PLC控制系统（5）的高速计数端口相连，在显示器（10）上读出待测磁场的瞬时频率、场强和三坐标位移值。本发明能对梯度变化较大的磁场进行测量，且适用性好。

Description

三维脉冲磁场测量方法
技术领域
本发明涉及一种磁场测量方法。
背景技术
目前磁场测量的方法主要有法拉第电磁感应法和法拉第磁光效应法。磁光效应法对环境变化不敏感，外界干扰对测量系统影响较小，但是测量系统实现起来很复杂；法拉第电磁感应方法，外界干扰对测量量的影响较大，但系统实现相对简单，从实际应用和经济性的角度出发，电磁感应方法可以作为一种实际可行的磁场测量方法。不过由于磁场在空间的矢量方向是无法感知的，一般在使用法拉第感应线圈作为磁场传感器时，如果感应平面与磁场方向不垂直时，所输出的感应电流和电压无法反映实际场强的大小。因此要求测量系统不仅要具有较快的响应速度，还须让探头（线圈）能在测量空间进行三维运动，保证测量值的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种三维脉冲磁场测量方法，该方法量程宽、响应速度快、能准确读出三维方向上的磁场参数值和位移值，以克服传统电磁感应方法测量磁场存在的不足。
为了解决所述的技术问题，本发明采取以下技术方案：采用三维脉冲磁场测量装置，将组装有三维移动探头的感应线圈置于待测量的磁场中，感应线圈将通过连接的电压变送器将感应电压转换成PLC控制系统可以识别的标准电压信号，纵向位移传感器、横向位移传感器、角位移传感器分别将三坐标移动机构上Z、X、XOY方向上的位移信号送入PLC控制系统的外部接口，经显示器显示在液晶屏上，电压/频率转换计与PLC控制系统的高速计数端口相连，在显示器上读出待测磁场的瞬时频率、场强和三坐标位移值。
本发明以PLC控制系统作为控制核心，将普通的探头（线圈）改良为可三维移动的探头（线圈），使测量系统具有较宽的量程、较快的响应速度以及能准确读出三维方向上的磁场参数值和位移值，以克服传统电磁感应方法测量磁场存在的局限。
本发明的有益效果：采用本发明的测量方法，磁场变化的梯度越大，对测量磁场的线圈反映就越灵敏，针对梯度变化较大的磁场具有良好的适用性；用PLC控制系统的高速输入端口测量磁场的频率，理论上限可以达到20KHz，感应线圈设计成可调式，保证测量场强的峰值范围具有宽量程，解决了市场上的场强计测量范围仅限于强磁场的低频段和通信用的弱磁场的高频段的缺点,采用本装置可以精确测量磁场频率在1-4000HZ的任意场强值；针对不同的磁场测量范围，可通过外部的硬件（线圈）与PLC（软件）交互进行调整，具有良好的通用性；显示界面可以显示任意三坐标下的磁场强度、频率值。
附图说明
图1为本发明采用的测量装置的示意图；
图2为本发明采用的测量装置电磁感应线圈与线圈骨架的结构及连接方式图；
图3 为本发明采用的测量装置的三坐标移动机构示意图。
具体实施方式                              
本发明的实施例：本发明的测量方法为：采用三维脉冲磁场测量装置，将组装有三维移动探头12的感应线圈1置于待测量的磁场中，感应线圈1将通过连接的电压变送器4将感应电压转换成PLC控制系统5可以识别的标准电压信号，纵向位移传感器6、横向位移传感器7、角位移传感器8分别将三坐标移动机构9上Z、X、XOY方向上的位移信号送入PLC控制系统5的外部接口，经显示器10显示在液晶屏上，电压/频率转换计11与PLC控制系统5的高速计数端口相连，在显示器10上读出待测磁场的瞬时频率、场强和三坐标位移值。
操作纵向位移传感器6、横向位移传感器7在X、Z平面做直线往复运动，操作角位移传感器8在XOY方向做单向旋转运动，X、Z方向的运动均采用继电器控制方式进行，通过正/反转继电器的吸合控制坐标轴上的往复直线运动，位移传感器用卡箍固定在滑块上，实时检测探头在X、Z方向上的位移；在旋转座上连接有角位移传感器，实时检测探头在XOY平面内的旋转角度。
本发明测量装置如图1所示意，电磁感应线圈1与线圈骨架2相连、取样电阻3与电磁感应线圈1并联，在取样电阻3与PLC控制系统5之间分别连接频率变送器11、电压变送器4，PLC控制系统5与显示器10连接；PLC控制系统5还分别与纵向位移传感器6、横向位移传感器7、角位移传感器8连接，纵向位移传感器6、横向位移传感器7、角位移传感器8分别安装在三坐标移动机构9上；线圈骨架2安装在连接杆15上，连接杆15与三坐标移动机构9的固定杆14相连。
由于位于梯度磁场中的感应线圈1处于微分工作状态，感应线圈骨架2设计成可调式，取样电阻3两端的电压与被测磁场呈微分关系，需得到与被测磁场一致的磁参数，通过外积分器对取样电阻上的信号进行积分即可。如图1所示意，通过电压变送器4将电磁感应线圈1两端电压转化成PLC控制系统5可以识别的标准电压信号，用PLC控制系统5作为外积分器，对电压信号进行采样、线性积分运算，将磁场强度值显示在文本显示器10上。
感应线圈1将通过连接的电压变送器4将感应电压转换成PLC控制系统5可以识别的标准电压信号，三个位移传感器（纵向位移传感器6、横向位移传感器7、角位移传感器8）分别将三坐标移动机构9上X、Z、XOY方向上的位移信号送入PLC控制系统5的外部接口，经显示器10显示在液晶屏上，电压/频率转换计(V/FC)11与PLC控制系统5的高速计数端口相连，测量磁场的频率，在显示器10上可以读出待测磁场的瞬时频率、场强和三坐标位移值。其中，X、Z如图1、图4中所示意，Y垂直于XOZ平面。
所述的线圈材料为细铜线，均匀绕在线圈骨架上，依据测量磁场的大小，绕制层数为1-6层，构成线圈微分环，磁场越大，层数越小。线圈结构尺寸关系为：线圈所绕制的磁路长度L/线圈直径D（包括绝缘层）=0.866。
所述的线圈骨架采用温度系数小、较为容易加工的聚氯乙烯为材料，线圈骨架一段固定，另一端连接感应线圈伸入磁场空间内，保持架在校准探头垂直度时使用，检测时可卸下。如图2所示意，所述的线圈骨架2一端固定在连接杆15上，另一端连接感应线圈1，感应线圈1上有探头12，探头12的下端连接保持架13。
所述电压变送器的作用在于将线圈微分环上的感应电压转换成PLC可以处理的标准电压信号。电压变送器输入输出量均选择双极性电压信号。
所述的三坐标机构运动方式为柱坐标运动，动力由连接在固定端上的电机提供，连接杆15与X方向的固定杆14相连，感应线圈1（探头）则用紧固件固定在连接杆15上。X、Z平面为直线往复运动，XOY方向为单向旋转运动，X、Z方向的运动均采用继电器控制方式进行，通过正/反转继电器的吸合控制坐标轴上的往复直线运动，位移传感器用卡箍固定在滑块上，实时检测探头在X、Z方向上的位移；在旋转座上连接有角位移传感器，实时检测探头在XOY平面上的旋转角度。
测量装置的三坐标移动机构如图3所示意，在该机构上除了安装有纵向位移传感器6、横向位移传感器7、角位移传感器8、固定杆14外，还安装有导向块16、旋转轴17、固定端18、导轨19、电机20、底座21、旋转座22。
所述的纵、横向位移传感器位移最大测量范围：X、Z方向为500mm，线性度不大于0.30%；角位移传感器8在XOY方向测量范围为0-360°,分辨率0.5°。
所述的PLC控制系统采用西门子CPU224，带有模拟量模块EM235，模拟量的信号分辨率可达到0.25ms。作用有：一、从电压变送器读取线圈的瞬时电压值，并对感应电动势进行积分计算，得出实时磁场强度值及波形参数值，完成数据的处理；二、利用PLC的高速计数端口，对磁场的频率进行测量；三、采集来自三个位移传感器的电信号，经PLC内部CPU处理后，通过显示器显示出线圈的三维坐标值。

Claims (3)

1.一种三维脉冲磁场测量方法，其特征在于：采用三维脉冲磁场测量装置，将组装有三维移动探头（12）的感应线圈（1）置于待测量的磁场中，感应线圈（1）将通过连接的电压变送器（4）将感应电压转换成PLC控制系统（5）可以识别的标准电压信号，纵向位移传感器（6）、横向位移传感器（7）、角位移传感器（8）分别将三坐标移动机构（9）上Z、X、XOY方向上的位移信号送入PLC控制系统（5）的外部接口，经显示器（10）显示在液晶屏上，电压/频率转换计(11)与PLC控制系统（5）的高速计数端口相连，在显示器（10）上读出待测磁场的瞬时频率、场强和三坐标位移值。
2.根据权利要求1所述的三维脉冲磁场测量方法，其特征在于：操作纵向位移传感器（6）、横向位移传感器（7）在X、Z平面做直线往复运动，操作角位移传感器（8）在XOY方向做单向旋转运动，X、Z方向的运动均采用继电器控制方式进行，通过正/反转继电器的吸合控制坐标轴上的往复直线运动，位移传感器用卡箍固定在滑块上，实时检测探头在X、Z方向上的位移；在旋转座上连接有角位移传感器，实时检测探头在XOY平面内的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的三维脉冲磁场测量方法，其特征在于：所述的纵向位移传感器（6）、横向位移传感器（7）位移最大测量范围：X、Z方向为500mm，线性度不大于0.30%；角位移传感器（8）在XOY方向测量范围为0-360°,分辨率0.5°。
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