CN103760502B - 一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，属于冲击动力学测试技术领域。测量线圈包括球形骨架和三个环形线圈，球形骨架的外形为圆球形，球形骨架的表面沿径向加工三道互相垂直的环形槽，三道环形槽的深度依次递减；三个环形线圈对应绕制在三道环形槽中且互相独立，每个线圈连接一个BNC插头，BNC插头与外部的三个相互独立数据采集通道相连。本发明采用三个空间互相垂直的线圈获取空间某点三个方向上的磁感应强度值，全面认识测量点的磁场信息，避免对碰撞磁场研究产生干扰和误差；测得的线圈感应电动势信号在时间上同步，测量结果更加准确。本发明设计简单，操作容易，并可以重复利用。

Description

一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈

技术领域

发明涉及一种测量超高速碰撞产生磁场的测量装置，属于冲击动力学测试技术领域。

背景技术

空间碎片对航天器的高速撞击已经引发了多起航天器事故，研究表明空间碎片的超高速撞击对航天器的毁伤不仅仅是强冲击导致航天器内部结构力学失效造成的机械毁伤，还有碰撞引发的电磁效应对航天器内部电路系统的干扰造成的毁伤。

进行超高速碰撞产生电磁场特性研究的实验时，为了获取碰撞产生的磁场在空间某点处的强度值，由于其磁感应强度小，通常采用盘式线圈进行测量。然而常用的盘式线圈只能测量与线圈平面垂直方向上的磁感应强度值，无法识别平行线圈方向上的磁场分量。这样就会对该点的磁场信息认识不全面，对研究产生干扰，或者得到结论存在误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，利用三个空间互相垂直的线圈获取空间某点三个方向上的磁感应强度值，能够实现对空间磁感应强度更加准确的测量。

一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，包括球形骨架和三个环形线圈，其中，球形骨架的外形为圆球形，球形骨架的表面沿径向加工三道互相垂直的环形槽，三道环形槽的深度依次递减；三个环形线圈对应绕制在三道环形槽中且互相独立，每个线圈连接一个BNC插头，BNC插头与外部的三个相互独立数据采集通道相连。

进一步的，三个环形线圈的截面为矩形；

进一步的，最内层环形线圈铜漆包线直径D为0.29mm，线圈截面轴向长度a为10mm，线圈内径d₁₁为20mm，平均直径d₁为25.8mm，线圈外径d₁₂为31.6mm，线圈的匝数N为600，线圈的缠绕方式为每层30匝，共20层；

中间层环形线圈铜漆包线直径D为0.29mm，线圈截面轴向长度a为10mm，线圈的内径d₂₁为32.73mm，外径d₂₂为41.43mm，平均直径d₂为37.08mm，线圈的匝数N为450，线圈的缠绕方式为每层30匝，共15层；

最外层环形线圈铜漆包线直径D为0.29mm，线圈截面轴向长度a为10mm，线圈的内径d₃₁为45.8mm，外径d₃₂为52.76m，平均直径d₃为49.28mm，线圈的匝数N为360，线圈的缠绕方式为每层30匝，共12层。

进一步的，所述三个环形线圈的外部分别缠绕厚度为2mm的铝箔层，并对该铝箔层接地。

所述三个环形线圈参数确定的步骤如下：

第一步：根据实验室条件超高速碰撞产生的磁场量级、所测磁感应强度大小与后端信号采集仪的分辨率确定最内层环形线圈的参数；参数包括铜漆包线直径D、环形线圈的匝数N、平均直径d、截面的轴向长度a和径向长度r；

第二步：根据公式 $L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4}{N}^{2}d[(1+\frac{1}{6}\frac{\mathrm{ra}}{d^2})\ln \frac{{8d}^2}{\mathrm{ra}}+0.4082\frac{\mathrm{ra}}{d^2}-1.6967]$ 计算出最内层环形线圈的电感；

其中，L为矩形截面盘式线圈的电感，μ₀为真空磁导率；

第三步：根据三个线圈在同一时刻电感相等的条件确定中间层环形线圈和最外层环形线圈的参数；

由于电感与最内层环形线圈相等，则中间层环形线圈和最外层环形线圈的电感计算公式中有4个变量，分别为线圈的匝数N，线圈的平均直径d，线圈截面的轴向长度a，线圈截面的径向长度r，根据线圈实际加工工艺特点，对4个变量值作进一步限定；中间层环形线圈和最外层环形线圈截面轴向尺寸保持与最内层线圈相同，如此电感计算公式中的a由变量变成已知量，则公式中只有3个变量；中间层环形线圈和最外层环形线圈并采用与最内层线圈相同直径的漆包线进行绕制，因此3个线圈每层缠绕的匝数n相同；设线圈缠绕的层数为未知量x，漆包线直径为D，线圈内径为d_min，则线圈的匝数N＝nx；线圈每层的厚度与漆包线直径D相等，则线圈截面径向尺寸r＝Dx，线圈平均直径d＝d_min+r＝d_min+Dx；根据最内层线圈的参数可知n和D为已知量，根据前述分析可知电感计算公式中的三个变量N、r、d为d_min和x的函数，则线圈计算公式中只剩d_min和x两个变量；中间层线圈根据电感计算公式，根据不同的层数x可计算出对应的线圈内径d_min，由于中间层线圈的内径必须比最内层线圈的外径大，取d_min为大于最内层线圈外径的最小值为中间层线圈的内径，对应的线圈层数x为中间层线圈的层数，据此可以计算出线圈所有参数，根据中间层线圈的参数，依据上述过程可以计算出最外层线圈的参数。

工作原理：进行超高速碰撞时，球形骨架上的每个环形线圈能测量到与该线圈垂直的磁场分量，根据测量得到的线圈感应电动势e，再进行积分计算就可以得到磁感应强度B，根据盘式“点”线圈的原理，测量得到的磁感应强度B可作为线圈中心点在线圈轴线方向的磁感应强度。三个相互垂直绕制在球形骨架上的线圈可以测量得到球心三个方向的磁感应强度值，由于磁感应强度为矢量，通过矢量运算可以计算出球心点的磁感应强度值。

有益效果：

1、本发明采用三个空间互相垂直的线圈获取空间某点三个方向上的磁感应强度值，克服了盘式线圈只能测量与线圈平面垂直方向上的磁感应强度值的技术缺陷，三个空间互相垂直的线圈能够识别平行线圈方向上的磁场分量，可以全面认识测量点的磁场信息，避免对碰撞磁场研究产生干扰和误差。

2、本发明通过三个线圈的线圈宽度、内径、外径、漆包线直径以及缠绕匝数等相关参数的确定，保证了测得的线圈感应电动势信号在时间上同步，使测量结果更加准确，对碰撞磁场的研究奠定了良好的基础。

3、本发明将三个线圈的外表面包裹厚度为2mm的铝箔，并将该铝箔层接地，能屏蔽外部电场对测量时产生的电磁干扰，同时防止由于实验过程中碰撞产生的碎片云直接作用到线圈上，能够对内部的线圈起一定的保护作用。

附图说明

图1为本发明整体结构的剖视图（沿最外层环形线圈的径向过球形骨架中心的剖面）；

图2为本发明球形骨架的立体图。

其中，1-最内层环形线圈、2-中间层环形线圈、3-最外层环形线圈、4-球形骨架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，如附图1所示，包括球形骨架4和三个环形线圈，球形骨架4的外形为圆球形，球形骨架4的表面沿径向加工三道互相垂直的环形槽，三道环形槽的深度依次递减，如附图2所示；三个环形线圈对应绕制在三道环形槽中且互相独立，三个环形线圈分别为最内层环形线圈1、中间层环形线圈2和最外层环形线圈3，三个环形线圈的截面为矩形；

进一步的，所述三个环形线圈的外部分别缠绕厚度为2mm的铝箔层，并对该铝箔层接地。

根据已有的相关数据，可知实验室条件超高速碰撞产生的磁场量级为nT。据此可以估算能够识别目标的线圈参数。由法拉第电磁感应定律可知，线圈的灵敏度与线圈界定的面积成正比，所以可把该线圈作为最内层环形线圈1。同时线圈界定的面积太大会影响测量精确度，所以不能过大。本例选用的铜漆包线线径为0.29mm，最内层环形线圈1的参数为：线圈宽即线圈截面轴向长度a为10mm，内径d₁₁为20mm，平均直径d₁为25.8mm，外径d₁₂为31.6mm，此时线圈的缠绕方式为每层30匝，共20层，总匝数N为600。

三个环形线圈是独立的，为了保证信号在时间上同步，三个环形线圈的电感相同。矩形截面环形线圈的电感L为：

$L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4}{N}^{2}d[(1+\frac{1}{6}\frac{\mathrm{ra}}{d^2})\ln \frac{{8d}^2}{\mathrm{ra}}+0.4082\frac{\mathrm{ra}}{d^2}-1.6967]$

根据电感的计算公式可得到最内层环形线圈1的电感为9.49mH；中间层环形线圈2截面轴向尺寸宽度保持与最内层环形线圈1宽度10mm不变，采用与最内层环形线圈1相同的0.29mm直径的漆包线进行绕制；根据中间层环形线圈2线圈电感与1号线圈电感相等，计算出中间层环形线圈2在层数为12、13、14、15和16层时其对应的内径d₂₁分别为45.84mm、40.7mm、36.4mm、32.73mm和29.54mm，中间层环形线圈2的内径d₂₁必须大于线圈1的外径d₁₂31.6mm，并取大于31.6mm的最小值为32.73mm，此时线圈层数为15；则中间层环形线圈2的参数为:内径d₂₁为32.73mm，外径d₂₂为41.43mm，平均直径d₂为37.08mm，匝数N为450；根据相同的方法，计算出最外层环形线圈3在层数为10、11、12和13层时其对应的内径d₃₁分别为59.85mm、52.08mm、45.8mm和40.7mm，最外层环形线圈3的内径d₃₁必须大于中间层环形线圈2的外径d₂₂41.43mm，并取大于41.43mm的最小值为45.8mm，此时线圈层数为12。则最外层环形线圈3的参数为：内径d₃₁为45.8mm，外径d₃₂为52.76m，平均直径d₃为49.28mm，匝数N为360。

实验时，每个环形线圈连接一个BNC插头，BNC插头与外部的三个相互独立数据采集通道相连，当有变化的磁场通过线圈界定的平面时，环形线圈会产生感应电动势。对采集到的电动势进行积分可得到穿过环形线圈界定面的平均磁感应强度，将它作为线圈中心处的磁感应强度值。当其中一个环形线圈有感应电流时会产生磁场，由于三个环形线圈是相互垂直，该线圈产生的磁场不会影响到其他两个环形线圈对目标磁场的测量。球形骨架线圈中心点的磁场强度可表示为（B1，B2，B3）。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，其特征在于，包括：球形骨架和三个环形线圈；其中，球形骨架的外形为圆球形，球形骨架的表面沿径向加工三道互相垂直的环形槽，三道环形槽的深度依次递减；三个环形线圈对应绕制在三道环形槽中且互相独立，每个线圈连接一个BNC插头，BNC插头与外部的三个相互独立数据采集通道相连；

所述三个环形线圈参数确定的步骤如下：

第一步：根据实验室条件超高速碰撞产生的磁场量级、所测磁感应强度大小以及后端信号采集仪的分辨率确定最内层环形线圈的参数；参数包括铜漆包线直径D、环形线圈的匝数N、平均直径d、截面的轴向长度a和径向长度r；

第二步：根据公式 $L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4}{N}^{2}d\[(1+\frac{1}{6}\frac{ra}{d^2})ln\frac{8d^2}{ra}+0.4082\frac{ra}{d^2}-1.6967\]$ 计算出最内层环形线圈的电感；

其中，L为矩形截面盘式线圈的电感，μ₀为真空磁导率；

第三步：根据三个线圈在同一时刻电感相等的条件确定中间层环形线圈和最外层环形线圈的参数。

2.如权利要求1所述的高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，其特征在于，所述三个环形线圈的截面为矩形。

3.如权利要求1或2所述的高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，其特征在于，所述最内层环形线圈铜漆包线直径D为0.29mm，线圈截面轴向长度a为10mm，线圈内径d₁₁为20mm，平均直径d₁为25.8mm，线圈外径d₁₂为31.6mm，线圈的匝数N为600，线圈的缠绕方式为每层30匝，共20层；

中间层环形线圈铜漆包线直径D为0.29mm，线圈截面轴向长度a为10mm，线圈的内径d₂₁为32.73mm，外径d₂₂为41.43mm，平均直径d₂为37.08mm，线圈的匝数N为450，线圈的缠绕方式为每层30匝，共15层；

最外层环形线圈铜漆包线直径D为0.29mm，线圈截面轴向长度a为10mm，线圈的内径d₃₁为45.8mm，外径d₃₂为52.76m，平均直径d₃为49.28mm，线圈的匝数N为360，线圈的缠绕方式为每层30匝，共12层。

4.如权利要求3所述的高速碰撞磁场三维磁感应强度测量线圈，其特征在于，所述三个环形线圈的外部分别缠绕厚度为2mm的铝箔层，并对该铝箔层接地。