CN103390482A - 一种大截面均匀可调稳定与交变磁场产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置及方法，所述装置包括：由圆形上盖（2）、圆形下盖（3）和圆环形外壳（4）构成的磁闭合体；其内部相对放置上下磁轭板（5）和（6），圆柱形线圈支架架（7）上绕制螺线圈（8），圆环形外壳（4）上分布着若干通气孔（1）；通过选用不同高度的圆柱形线圈支架可调整上、下磁轭板间距，适应不同高度的实验样品；上盖及上磁轭板间通过线圈骨架支撑，用螺钉（9）紧固成整体，既是大截面磁极又是装置可打开部分，用于取放实验样品；下磁轭板固定亦如前述，既是磁极又是载物平台；螺线圈施加直流电流激励经磁轭板均匀化作用产生大截面均匀可调稳定磁场；螺线圈施加交变电流激励产生大截面均匀交变磁场。
Description
技术领域
本发明涉及磁通密度连续可调的大面积均匀轴向稳定和交变磁场（包括亚磁场）产生属于磁场产生与控制技术领域，即本发明涉及一种大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置及方法。
背景技术
随着载人航天技术的深入和月球与火星计划的发展，作为空间三要素之一的亚磁环境，其和微重力及宇宙辐射一样，都是未来空间探索中人类必须克服的宇宙环境因素。在未来，航天员会长期暴露在亚磁场环境中，可能对宇航员的身心健康带来潜在的危害。亚磁场生物学效应及其机制的研究，将为相关载人航天的空间防护提供理论基础。综合亚磁生物学的发展历史、生物学效应以及空间亚磁环境的客观情况，磁感应强度总量在“0<|B|≤5μT”区间内的弱磁场可定义为亚磁场。
利用磁屏蔽桶，能够在桶内获得大范围的亚磁场环境，但是桶内的亚磁场大小不可调，无法满足对可变磁场的实验要求。
永磁体由于产生的磁场比较稳定，并且不容易产生波动而在现有磁场产生装置中被广泛采用。但是，永磁体的磁场大小比较固定，无法获得连续可调的磁场和交变的磁场。
还有一部分的磁场产生装置使用亥姆霍兹线圈产生磁场，它通过给螺线圈通电来产生磁场，虽然可以实现连续可调的磁场和交变磁场，但产生的均匀磁场范围小，空间利用率低。
可见能够运用于亚磁场生物学效应的研究的磁场产生装置很少，而且构建这种能用于亚磁场生物学效应的难度很大，这是因为：
1、要有一个电磁屏蔽效果很好的屏蔽系统，用来屏蔽外界系统的电磁干扰。利用它构建一个近零磁场环境。
2、为了在有限的屏蔽区域内获得尽量大的均匀磁场，磁场产生装置就要考虑其产生磁场的均匀范围必须越大越好。
3、为了研究生物在各种不同磁场环境下的生物学效应，必须提供连续可调的静态磁场和交变磁场。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术的永磁体磁场大小比较固定，无法获得连续可调的磁场和交变的磁场；亥姆霍兹线圈空间利用率低，无法产生大范围均匀磁场等技术问题，本发明提供了一种大面积均匀可调稳定与交变轴向磁场产生装置及方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，所述的装置包含：圆形上盖2、圆形下盖3、圆柱形外壳4、上磁轭板5、下磁轭板6、圆柱形线圈支架7；
所述圆形上盖2和圆形下盖3分别与圆柱形外壳4的上端口和下端口相连，共同组成一封闭的圆柱形桶；
所述上磁轭板5与圆形上盖2平行，且上磁轭板5与圆形上盖2之间固定若干圆柱形线圈支架7，所述圆柱形线圈支架7用于缠绕螺线圈8；
所述圆形下盖3和下磁轭板6平行，且圆形下盖3和下磁轭板6之间固定若干圆柱形线圈支架7，所述圆柱形线圈支架7用于缠绕螺线圈8；
其中，所述上磁轭板5与下磁轭板6均位于圆柱形桶内，且两者之间相距一定距离；所述上磁轭板5和下磁轭板6与圆柱形外壳4的内壁保持一定距离。
上述若干个圆柱形线圈支架7均匀布放于上磁轭板5或下磁轭板6的圆周上。
上述圆柱形线圈支架7的个数为8，相邻的圆柱形线圈支架7与上磁轭板5或下磁轭板6的中心点的夹角均为45度；
其中，所述圆柱形线圈支架7的直径取值范围为：8mm～9mm。
上述圆柱形线圈支架7的高度可调，进而：
改变上磁轭板5与圆形上盖2之间的间距；或
改变圆形下盖3和下磁轭板6之间的间距。
上述圆柱形外壳4上设置有若干直径为1mm的通气孔，用于开展生物效应实验时通气。
通过螺钉9将圆柱形线圈支架7的两端分别与圆形上盖2和上磁轭板5固定相连；或通过螺钉9将圆柱形线圈支架7的两端分别与圆形下盖3和下磁轭板6固定相连。
当螺线圈8上通过直流电流激励时，将在上磁轭板5和下磁轭板6之间的区域内产生可调的稳定的均匀磁场；或当螺线圈8上通过交流电流激励时，将在上磁轭板5和下磁轭板6之间的区域内产生可调幅调频的交变磁场。
一种用于控制上述装置产生大截面均匀可调稳定与交变亚磁场的方法，所述方法包含：
上位机利用RS232串口对恒流源或者交变电源进行实时控制、利用恒流源或者交变电源给螺线圈8通电；
利用磁场传感器对大面积均匀可调稳定与交变轴向磁场装置产生的磁场进行实时采集并通过RS232串口将采集的数据传输到电脑上；
利用上位机数据采集软件对采集数据进行实时显示，再利用上位机改变恒流源或者交变电源的输出进而实现对大截面均匀可调稳定与交变亚磁场装置的闭环控制。
本发明提供的一种磁通密度连续可调的大截面均匀轴向稳定和交变亚磁场产生装置，它可以产生大截面均匀连续可调的稳定磁场和连续可调的交变亚磁场。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
为了体现本发明装置的优越性，还对亥姆霍兹线圈产生的磁场进行了测试，其亥姆霍兹线圈的直径为180mm。通过对比本发明产生的磁场和亥姆霍兹线圈产生的磁场，可以看到在相同的测试区域内，在磁场误差为50nT的允许误差范围内，本发明所产生的磁场均匀范围为亥姆霍兹线圈磁场均匀范围的两倍。利用恒流源对本发明中的螺线圈通电，测试了电流与磁场的关系，从测试结果可以看出，在其它实验条件不变的条件下，电流与磁场是成线性变化的。利用交流电源对本发明中的螺线圈通电，测试了交变磁场。通过改变交流电源的频率可以改变产生磁场的频率，通过改变交流电流的峰峰值可以改变交流磁场的峰峰值。利用正弦波形交流电源给本发明供电，可以产生正弦波变化的交流磁场；利用三角波形交流电源给本发明供电，可以产生三角波变化的交流磁场；利用方波波形交流电源给本发明供电，可以产生方波变化的交流磁场。
总之，本发明提供的磁场产生装置易装配、易拆卸、抗干扰等优点，特别适合于对磁场均匀度要求高、对磁场进行精确控制的场合。本发明提供的亚磁场产生装置特别适合于对磁场均匀度要求比较高、需要对磁场大小进行精确控制场合，主要用来模拟月、火及太空微弱磁环境，进而开展生物效应实验研究。本发明能够提供连续可调的稳定磁场；本发明能够在固定的空间中提供大范围的均匀磁场，也即空间利用率大；本发明还提供以正弦波、方波和三角波变化的交变磁场，而且交变磁场的幅度和频率都可以改变。
附图说明
图1是本发明所述大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置的剖视图；
图2是本发明所述大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置的俯视图；
图3为利用恒流源给亥姆霍兹线圈磁场产生装置供电的情况下，磁场均匀性的波形图；
图4为利用恒流源给本发明装置供电的情况下，上磁轭板与下磁轭板之间磁场均匀性的波形图；
图5为利用恒流源给本发明装置供电的情况下，测试上磁轭板与下磁轭板之间的磁场与电流关系的测试图；
图6为利用交流电源给本发明装置供电的情况下，通过改变交流电源的频率来改变交流磁场频率的波形图；
图7为利用交流电源给本发明装置供电的情况下，通过改变交流电源的峰峰值来改变交变磁场的峰峰值的波形图；
图8为利用正弦波交流电源给本发明装置供电的情况下，交流磁场波形图；
图9为利用方波交流电源给本发明装置供电的情况下，交流磁场波形图；
图10为利用三角波交流电源给本发明装置供电的情况下，交流磁场波形图。
附图标识：
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。
实施例：
一种大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，包含：采用高导磁材料制成的圆形上盖2、圆形下盖3和圆环形外壳4，圆环环形外壳4分布着若干1mm圆形通气孔1，上下盖扣在环形外壳上组成圆柱形桶，形成所述磁场产生装置的磁闭合体，屏蔽外部磁场电磁场的干扰，屏蔽内部磁场对外部的影响，通气孔太大会影响屏蔽效果.
圆形上盖2与高导磁材料制成圆形上磁轭板5之间用圆柱形线圈支架（非导磁材料）7支撑，螺钉9（非导磁材料）经由圆柱形线圈支架7将圆形上盖2与上磁轭板5紧固成一个部件，该部件形成所述磁场产生装置内部的一个大截面磁极，也作为装置可打开的部分，用于放取实验样品.
圆形下盖3与高导磁材料制成圆形下磁轭板6之间用圆柱形线圈支架7支撑，螺钉9经由圆柱形线圈支架7将圆形下盖3和下磁轭板6紧固构成一个部件，该部件形成所述磁场产生装置内部另一个大截面磁极，也作为装置内部载物平台.
圆环形外壳4内径为200mm，上下磁轭板尺寸直径为180mm，间距为90mm。上下磁轭板与圆柱形外壳4内壁需保持一定距离防止磁短路，两个磁轭板间距不宜过大，间距可以通过改变骨架高度来调整以适合应用需求。
通过将圆柱形线圈支架7上缠绕螺线圈8，形成磁场产生装置的磁场发生部件，根据截面大小选取适当数量的螺线圈8沿上磁轭板和下磁轭板的圆周均匀分布，通过磁轭板均匀作用产生大截面均匀磁场.
圆柱形线圈支架7及螺线圈8的个数为8，相邻的螺线圈与上磁轭板5或下磁轭板6的中心点的夹角均为45度，且此时螺线圈8（或圆柱形线圈支架7）的直径取值范围为：8mm～9mm。
上位机利用RS232串口对恒流源或者交变电源进行实时控制、利用恒流源或者交变电源给螺线圈（8）通电；利用磁场传感器对大面积均匀可调稳定与交变轴向磁场装置产生的磁场进行实时采集并通过RS232串口将采集的数据传输到电脑上；利用上位机数据采集软件对采集数据进行实时显示，再利用上位机改变恒流源或者交变电源的输出进而实现对大截面均匀可调稳定与交变亚磁场装置的闭环控制。
本发明提供的一种磁通密度连续可调的大截面均匀轴向稳定和交变亚磁场产生装置，它可以产生大截面均匀连续可调的稳定磁场和连续可调的交变亚磁场。
通过恒流源给螺线圈供电能够在上磁轭板5和下磁轭板6之间的区域内产生大面积的连续可调的均匀磁场；通过交变电源给螺线圈供电可以在上磁轭板5和下磁轭板6之间的区域内产生大面积的可调交变磁场。
本发明的技术方案与现有的技术方案实验结果对比如下：
为了体现本发明装置的优越性，对现有技术的亥姆霍兹线圈产生的磁场进行了测试。
利用恒流源给亥姆霍兹线圈提供恒定的电流，对磁场大小进行实时采集，通过串孔与上位机软件进行实时通信，上位机软件在将采集的数据实时的以图形方式显示出来得到图3，其中磁场的单位为nT。磁场测试的范围为圆柱形圆桶的一个圆形截面的直径方向，由于测试用磁场传感器本身有一定的尺寸大小，所以测试的范围为150mm.从图3中可以看出，在均匀误差为50nT的情况下，从50mm处到100mm可以看成是均匀的磁场，磁场均匀面积为1963.5mm2，总的测试面积为17671.5mm2，可以计算出磁场的均匀范围达到了11.1%；而在均匀误差为100nT的情况下，从40mm处到110mm可以看成是均匀磁场，其均匀面积为3848.5mm2，总的测试面积为17671.5mm2，可以计算出磁场的均匀范围达到了21.8%。
利用恒流源给本发明装置提供恒定的电流，利用同样的方法对磁场进行采集得到图4，磁场测试的范围为圆柱形圆桶的一个圆形截面的直径方向，由于测试用磁场传感器本身有一定的尺寸大小，所以测试的范围为150mm.从图4中可以看出，在均匀误差为50nT的情况下，从15mm处到135mm可以看成是均匀的磁场，磁场的均匀面积为11309.7mm2，总的测试面积为17671.5mm2，可以计算出磁场的均匀范围达到了64%；而在均匀误差为100nT的情况下，从10mm处到140可以看成是均匀磁场，磁场的均匀面积为13273.2mm2，总的测试面积为17671.5mm2，可以计算出磁场的均匀范围达到了75.1%。
对比图3和图4可以看出，在相同的磁场允许误差范围内，本发明所述大截面均匀稳定和交变磁场（包括亚磁场）产生装置所产生磁场的均匀范围约为亥姆霍兹线圈所产生磁场均匀范围的3～6倍。
为了进一步的研究本发明装置对磁场的可控性，实验还在不同电流下对螺线圈产生的磁场大小进行了测试，利用恒流源给螺线圈供电，并改变电流的大小。如图5所示，磁场随电流的变化基本是呈线性变化的，也说明了磁场的可控性而且是连续可调的。
利用交流电源给本发明装置供电，根据交流电源所产生的电流的性质的不同可以产生不同要求的交变磁场。通过改变交流电源的频率可以改变产生的交变磁场磁场的频率，如图6所示，当交流电源的频率逐渐变大时，交流磁场波形越来越密集；通过改变交流电源的峰峰值可以改变交流磁场的峰峰值，如图7所示，当交流电源的峰峰值逐渐变大时，交流磁场波形的峰峰值越来越大。
利用正弦波形的交流电源给本发明供电，可以产生正弦波变化的交流磁场，如图8所示；利用方波波形的交流电源给本发明供电，可以产生方波变化的交流磁场如图9所示;利用三角波形的交流电源给本发明供电，可以产生三角波变化的交流磁场如图10所示。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，所述的装置包含：圆形上盖（2）、圆形下盖（3）、圆柱形外壳（4）、上磁轭板（5）、下磁轭板（6）、圆柱形线圈支架（7）；
所述圆形上盖（2）和圆形下盖（3）分别与圆柱形外壳（4）的上端口和下端口相连，共同组成一封闭的圆柱形桶；
所述上磁轭板（5）与圆形上盖（2）平行，且上磁轭板（5）与圆形上盖（2）之间固定若干圆柱形线圈支架（7），所述圆柱形线圈支架（7）用于缠绕螺线圈（8）；
所述圆形下盖（3）和下磁轭板（6）平行，且圆形下盖（3）和下磁轭板（6）之间固定若干圆柱形线圈支架（7），所述圆柱形线圈支架（7）用于缠绕螺线圈（8）；
其中，所述上磁轭板（5）与下磁轭板（6）均位于圆柱形桶内，且两者之间相距一定距离；所述上磁轭板（5）和下磁轭板（6）与圆柱形外壳（4）的内壁保持一定距离。
2.根据权利要求1所述的大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，所述若干个圆柱形线圈支架（7）均匀布放于上磁轭板（5）或下磁轭板（6）的圆周上。
3.根据权利要求2所述的大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，所述圆柱形线圈支架（7）的个数为8，相邻的圆柱形线圈支架（7）与上磁轭板（5）或下磁轭板（6）的中心点的夹角均为45度；
其中，所述圆柱形线圈支架（7）的直径取值范围为：8mm～9mm。
4.根据权利要求1所述的大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，所述圆柱形线圈支架（7）的高度可调，进而：
改变上磁轭板（5）与圆形上盖（2）之间的间距；或
改变圆形下盖（3）和下磁轭板（6）之间的间距。
5.根据权利要求1所述的大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，所述圆柱形外壳（4）上设置有若干直径为1mm的通气孔。
6.根据权利要求1所述的大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，
通过螺钉（9）将圆柱形线圈支架（7）的两端分别与圆形上盖（2）和上磁轭板（5）固定相连；
通过螺钉（9）将圆柱形线圈支架（7）的两端分别与圆形下盖（3）和下磁轭板（6）固定相连。
7.根据权利要求1所述的大截面均匀可调稳定与交变亚磁场产生装置，其特征在于，
当螺线圈（8）上通过直流电流激励时，将在上磁轭板（5）和下磁轭板（6）之间的区域内产生可调的稳定的均匀磁场；
当螺线圈（8）上通过交流电流激励时，将在上磁轭板（5）和下磁轭板（6）之间的区域内产生可调幅调频的交变磁场。
8.一种用于控制权利要求1-7所述装置产生大截面均匀可调稳定与交变亚磁场的方法，所述方法包含：
上位机利用RS232串口对恒流源或者交变电源进行实时控制、利用恒流源或者交变电源给螺线圈（8）通电；
利用磁场传感器对大面积均匀可调稳定与交变轴向磁场装置产生的磁场进行实时采集并通过RS232串口将采集的数据传输到电脑上；
利用上位机数据采集软件对采集数据进行实时显示，再利用上位机改变恒流源或者交变电源的输出进而实现对大截面均匀可调稳定与交变亚磁场装置的闭环控制。
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