CN103901361A - 一种磁场模拟系统与磁场模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场模拟系统，包括控制子系统、直流稳流电源、三维亥姆霍兹线圈子系统以及三维磁场测量装置，其中：控制子系统控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈子系统输入电流，在三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间内产生磁场；三维磁场测量装置位于线圈空间内用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至控制子系统，该控制子系统将实际测得的磁感应强度与一设定值进行比较，并基于比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得磁感应强度与所述设定值的差值控制在预定范围内。本发明还涉及一种磁场模拟方法。利用本发明的磁场模拟系统和磁场模拟方法能够产生强度和方向可控、均匀度高、稳定性好的磁场。

Description

一种磁场模拟系统与磁场模拟方法

技术领域

本发明涉及磁场模拟技术领域，具体涉及一种能够产生强度和方向可控，均匀度高，稳定性好的磁场的磁场模拟系统与磁场模拟方法。

背景技术

目前，在工程实践中，磁场在地磁导航、磁测试验，磁器件标定及校正等方面都有着广泛的应用，对磁场模拟技术的研究具有重要的工程价值和现实意义。然而，现有技术中的磁场模拟系统，其模拟的磁场精度、分布均匀性及其范围均不能满足实际要求，有待提高，并且如何简化系统操作，节省建造费用也是当前迫切需要解决的问题。

第201020687927.4号中国专利“三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置”，提出了一种三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，包括产生磁场的线圈和控制装置,控制装置包括电脑以及控制器,线圈由两两互相垂直的三对亥姆霍兹线圈组成,所述的三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中的X轴、Y轴和Z轴,三对亥姆霍兹线圈的中心点为坐标原点。该装置通过计算机控制控制器为线圈供电产生模拟磁场，用于测试等。但是，其线圈是圆形的，不利于三维线圈系统的定位和固定，影响精度；而且，该装置的控制子系统是开环的，不能实时显示和控制磁场，仍然有待进一步提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种磁场模拟系统与磁场模拟方法，利用其能够产生强度和方向可控、均匀度高、稳定性好的磁场

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种磁场模拟系统，包括控制子系统、直流稳流电源、三维亥姆霍兹线圈子系统以及三维磁场测量装置，其中：

控制子系统控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈子系统输入电流，在三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间内产生磁场；

三维磁场测量装置位于线圈空间内用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至控制子系统，该控制子系统将实际测得的磁感应强度与一设定值进行比较，并基于比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得磁感应强度与所述设定值的差值控制在预定范围内。

进一步的实施例中，所述直流稳流电源为一数控直流稳流电源。

进一步的实施例中，所述三维亥姆霍兹线圈子系统包括三对两两相互垂直的亥姆霍兹线圈，所述三对亥姆霍兹线圈为正方形，且其轴向分别为三维坐标轴中的XYZ轴、其中心为坐标原点。

进一步的实施例中，所述三维磁场测量装置为一三通道磁通门高斯计。

进一步的实施例中，所述控制子系统由静态磁场模拟模块、动态磁场模拟模块、磁场采集与处理模块组成，其中：

所述静态磁场模拟模块用于实现静态磁场的模拟，其由磁场输入方式选择模块、磁场输入模块、空间计算点模块、电流计算模块和电流控制模块组成，其中：所述磁场输入方式选择模块用于供选择标量输入和矢量输入中的一种；所述磁场输入模块用于提供磁场值输入，该磁场值即前述设定值；空间计算点模块用于设定空间计算点的初值，该初值影响所述电流的转换；所述电流计算模块用于根据输入的磁场数据进行磁场值与电流值之间的转换；所述电流控制模块用于根据前述计算所得的电流值对直流稳流电源进行控制，通过三维磁场测量装置的反馈信息调整输入所述三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间的电流值，使得线圈空间所产生的磁场实际值与所输入磁场值的差值在预定范围内；

所述动态磁场模拟模块用于实现磁场的渐变过程控制，其由磁场输入方式选择模块、磁场初/末值输入模块、动态模拟参数模块和动态模拟模块组成，其中：所述磁场输入方式选择模块用于供选择标量输入和矢量输入中的一种；所述磁场初/末值输入模块用于供输入磁场渐变模拟的初值和末值；所述动态模拟参数模块用于供设置磁场渐变的步长和步数；动态模拟模块用于根据所输入的初值和末值，并按照所设定的步长和步数进行磁场曲线的动态模拟；

所述磁场采集与处理模块由串口设置模块、数据发送模块、数据接收模块，磁场数据显示模块及磁场数据处理模块组成，其中：所述串口设置模块用于进行串口参数设置并打开串口；所述数据发送模块用于向三维磁场测量装置发送控制指令；所述数据接收模块用于接收三维磁场测量装置测得的磁感应强度数据；所述磁场数据显示模块用于显示所述磁感应强度数据；所述数据处理模块用于计算前述磁感应强度的采样个数及其平均值和均方差，并将数据进行保存。

进一步的实施例中，所述磁场数据显示模块以图形的形式显示所述磁场数据。

进一步的实施例中，所述静态磁场模拟模块与动态磁场模拟模块之间通过一外部切换按钮进行切换，以实现磁场动态模拟和静态模拟的切换。

根据本发明的改进，本发明的另一方面还提出一种基于上述磁场模拟系统的磁场模拟方法，包括以下步骤：

控制子系统控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈子系统输入电流，在三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间内产生磁场；

位于线圈空间内的三维磁场测量装置实时检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至控制子系统；

该控制子系统将实际测得的磁感应强度与一设定值进行比较，并基于比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得磁感应强度与所述设定值的差值控制在预定范围内。

进一步的实施例中，所述控制子系统由静态磁场模拟模块、动态磁场模拟模块、磁场采集与处理模块组成，分别可切换地实现静态磁场模拟、动态磁场模拟以及磁场数据的采集及处理，其中：

1）静态磁场模拟包括以下过程：

首先，选择标量或矢量中的一种磁场输入方式；然后，按所选择的的输入方式输入磁场值，并输入空间计算点；之后，根据电流与磁场及空间计算点的关系计算电流值；最后，再控制直流稳流电源输入线圈的电流即可实现静态磁场的模拟；

2）动态磁场模拟包括以下过程：

首先，选择标量或矢量中的一种磁场输入方式；然后，所选择的的输入方式输入磁场的初值、末值的三个分量：B_x1，B_y1，B_z1，B_x2，B_y2，B_z2；之后，根据磁场各个分量的差值，设置动态模拟参数；磁场初值、末值及磁场渐变的步数、步长设定完成后，进行动态磁场的模拟；

3）磁场数据的采集及处理包括以下过程：

首先，在串口设置完成后，打开串口连接设备；

然后，在数据发送模块中向三维磁场测量装置发送控制命令；

之后，数据接收模块接收三维磁场测量装置测得的磁感应强度数据，并通过磁场数据显示模块显示所述磁感应强度数据；

最后在数据处理模块中，计算前述磁感应强度的采样个数及其平均值和均方差，并将数据进行保存。

进一步的实施例中，所述磁场数据显示模块以图形的形式显示所述磁场数据。

由以上本发明的技术方案可知，本发明所提出的磁场模拟系统和模拟方法与现有技术相比，其显著优点在于：

1、本发明的线圈为正方形亥姆霍兹线圈，在其边长与圆形亥姆霍兹线圈直径相同时，正方形线圈比圆形线圈的均匀性更高，范围更广；

2、磁场模拟系统为一闭环控制子系统，可显著提高模拟磁场的精度；

3、本发明的控制和输入可以采用标量和矢量两种方式来设定和控制三维矢量磁场，实时存储被控磁场的曲线，实时显示被控磁场的数据，还实现被控磁场的曲线和数据的存储；

4、利用本发明的磁场模拟系统，通过闭环控制产生强度和方向可控，均匀度高，稳定性好的磁场；

5、本发明的磁场模拟系统，其磁场初值输入方便易行，操作简便，模拟过程自动进行并可以进行空间计算点的初值调整，易于对比和控制。

附图说明

图1为本发明一实施方式磁场模拟系统的原理框图。

图2a为图1实施例中控制子系统的原理框图。

图2b为图2实施例控制子系统中的静态磁场模拟模块的原理框图。

图2c为图2实施例控制子系统中的动态磁场模拟模块的原理框图。

图2d为图2实施例控制子系统中的磁场采集及处理模块的原理框图。

图3a为图2b实施例中静态磁场模拟的流程示意图。

图3b为图2c实施例中动态磁场模拟的流程示意图。

图3c为图2d实施例中磁场采集及处理的流程示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明一实施方式磁场模拟系统的原理框图，其中，一种磁场模拟系统，包括控制子系统1、直流稳流电源2、三维亥姆霍兹线圈子系统3以及三维磁场测量装置4。

控制子系统1控制直流稳流电源2向三维亥姆霍兹线圈子系统3输入电流，在三维亥姆霍兹线圈子系统3的线圈空间内产生磁场。

三维磁场测量装置4位于线圈空间内用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至控制子系统1，该控制子系统1将实际测得的磁感应强度与一设定值进行比较，并基于比较结果调整直流稳流电源2通入线圈空间的电流，使得实际测得磁感应强度与所述设定值的差值控制在预定范围内，如此构成一个构成闭环控制子系统，通过闭环控制产生强度和方向可控，均匀度高，稳定性好的磁场。

作为优选的方式，所述直流稳流电源1采用一数控直流稳流电源。

作为优选的方式，所述三维亥姆霍兹线圈子系统3包括三对两两相互垂直的亥姆霍兹线圈，所述三对亥姆霍兹线圈为正方形，且其轴向分别为三维坐标轴中的XYZ轴、其中心为坐标原点。

作为优选的方式，所述三维磁场测量装置4为一三通道磁通门高斯计。

本实施例中，如图2a所示，所述控制子系统1由磁场模拟部分和磁场采集及处理部分组成。磁场模拟部分由静态磁场模拟模块21、动态磁场模拟模块22组成。磁场采集及处理部分由一个磁场采集与处理模块23组成。磁场模拟部分和磁场采集及处理部分可相互切换，互不影响。

在一些实施例中，可在一个主操作界面上设置对应于上述磁场模拟部分和磁场采集及处理部分的单选按钮，选中对应的按钮，就触发相应的模块进行工作。作为优选的，默认状态为磁场模拟部分，即默认进入磁场模拟状态。

如图2b所示，所述静态磁场模拟模块21用于实现静态磁场的模拟，其由磁场输入方式选择模块211、磁场输入模块212、空间计算点模块213、电流计算模块214和电流控制模块215组成。

所述磁场输入方式选择模块211用于供选择标量输入和矢量输入中的一种。

所述磁场输入模块212用于提供磁场值输入，该磁场值即前述设定值。

如果选择标量方式输入，则默认单位为Gs，可以根据1T=10⁴Gs的关系与单位T相互转换。由于本实施例中使用的三通道磁通门高斯计4的标量量程为±1Gs，因此在输入时，X、Y、Z方向的磁场输入值超出[-1,1]Gs范围时，会出现警告，并提示应该输入值的范围。

如果选择矢量方式输入，R默认单位Gs，D、I的定义与三通道磁通门高斯计的坐标系定义相同，其输入时的单位为度。与标量方式输入时类似，由于三维高斯计的矢量量程的限制，如果输入量超量程，则警告并提示应该输入值的范围。

所述空间计算点模块213用于设定空间计算点的初值，该初值影响所述电流的转换。本实施例中，为了模拟线圈空间内的磁场分布，所以空间计算点模块213的X，Y，Z的磁场输入值可根据相应线圈的间距确定其输入的范围。在没有输入时，空间计算点模块213的X，Y，Z的磁场输入值均默认为零，即在线圈空间的中心处。

所述电流计算模块214用于根据输入的磁场数据进行磁场值与电流值之间的转换。

所述电流控制模块215用于根据前述计算所得的电流值对直流稳流电源2进行控制，通过三维磁场测量装置4的反馈信息调整输入所述三维亥姆霍兹线圈子系统3的线圈空间的电流值，使得线圈空间所产生的磁场实际值与所输入磁场值的差值在预定范围内。

参考图3a所示的流程，静态磁场模拟的具体流程包括：首先，选择标量或矢量中的一种磁场输入方式；然后，按所选择的的输入方式输入磁场值，并输入空间计算点；之后，根据电流与磁场及空间计算点的关系计算电流值；最后，再控制直流稳流电源输入线圈的电流即可实现静态磁场的模拟。

如图2c所示，所述动态磁场模拟模块22用于实现磁场的渐变过程控制，其由磁场输入方式选择模块221、磁场初/末值输入模块222、动态模拟参数模块223和动态模拟模块224组成。

所述磁场输入方式选择模块221用于供选择标量输入和矢量输入中的一种。

所述磁场初/末值输入模块222用于供输入磁场渐变模拟的初值和末值。

前述磁场输入方式选择模块221以及磁场初/末值输入模块222的设计分别与前述静态磁场模拟模块21对应的磁场输入方式选择模块211、磁场输入模块212的功能和输入方式类似，不再赘述。

所述动态模拟参数模块223用于供设置磁场渐变的步长和步数。

所述动态模拟模块224用于根据所输入的初值和末值，并按照所设定的步长和步数进行磁场曲线的动态模拟。

如图3b所示，动态磁场模拟包括以下过程：首先，选择标量或矢量中的一种磁场输入方式；然后，所选择的的输入方式输入磁场的初值、末值的三个分量：B_x1，B_y1，B_z1，B_x2，B_y2，B_z2；之后，根据磁场各个分量的差值，设置动态模拟参数；磁场初值、末值及磁场渐变的步数、步长设定完成后，进行动态磁场的模拟。

下面以标量输入方式为例，介绍动态磁场模拟的具体流程。

按标量方式分别输入磁场初、末值的三个分量：B_x1，B_y1，B_z1，B_x2，B_y2，B_z2。需要注意的是这里各个分量的值与静态磁场输入时一样，都有相同的范围限制[-1,1]，输入超出范围时会出现警告。根据磁场各个分量的差值，设置动态模拟参数。磁场初、末值及步数、步长设定完成后，进行动态磁场的模拟。

根据对动态磁场模拟过程的分析，可以认为动态磁场模拟的实质就是按照设置的步数，自动进行静态磁场模拟的过程。因此，动态磁场模拟模块可以完成对不同磁场曲线的动态模拟。

如图2d所示，所述磁场采集与处理模块23用于磁场数据的采集及处理，其由串口设置模块231、数据发送模块232、数据接收模块233，磁场数据显示模块234及磁场数据处理模块235组成。

所述串口设置模块231用于进行串口参数设置并打开串口；在此模块中，设置相应的串口通信参数，设置完成后打开串口为数据通信做准备。为了方便操作，在一些实施例中可以设置默认的串口参数，以利直接打开使用。

所述数据发送模块232用于向三维磁场测量装置发送控制指令。

所述数据接收模块233用于接收三维磁场测量装置测得的磁感应强度数据。

所述磁场数据显示模块234用于显示所述磁感应强度数据，优选的，为了更加直观的观察磁场数据及其变化情况，磁场数据以图形的形式显示。

作为可选的方式，磁场数据显示模块包括一LCD或LED显示器。

所述数据处理模块235用于计算前述磁感应强度的采样个数及其平均值和均方差，并将数据进行保存，例如将接收到磁场数据保存在.txt文件或.excel文件中，以利后续的分析和处理。

参考图3c所示，磁场数据的采集及处理包括以下过程：

首先，在串口设置完成后，打开串口连接设备；

然后，在数据发送模块中向三维磁场测量装置发送控制命令；

之后，数据接收模块接收三维磁场测量装置测得的磁感应强度数据，并通过磁场数据显示模块显示所述磁感应强度数据；

最后在数据处理模块中，计算前述磁感应强度的采样个数及其平均值和均方差，并将数据进行保存。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种磁场模拟系统，其特征在于，包括控制子系统、直流稳流电源、三维亥姆霍兹线圈子系统以及三维磁场测量装置，其中：

控制子系统控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈子系统输入电流，在三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间内产生磁场；

三维磁场测量装置位于线圈空间内用于检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至控制子系统，该控制子系统将实际测得的磁感应强度与一设定值进行比较，并基于比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得磁感应强度与所述设定值的差值控制在预定范围内。

2.根据权利要求1所述的磁场模拟系统，其特征在于，所述直流稳流电源为一数控直流稳流电源。

3.根据权利要求1所述的磁场模拟系统，其特征在于，所述三维亥姆霍兹线圈子系统包括三对两两相互垂直的亥姆霍兹线圈，所述三对亥姆霍兹线圈为正方形，且其轴向分别为三维坐标轴中的XYZ轴、其中心为坐标原点。

4.根据权利要求1所述的磁场模拟系统，其特征在于，所述三维磁场测量装置为一三通道磁通门高斯计。

5.根据权利要求1所述的磁场模拟系统，其特征在于，所述控制子系统由静态磁场模拟模块、动态磁场模拟模块、磁场采集与处理模块组成，其中：

所述静态磁场模拟模块用于实现静态磁场的模拟，其由磁场输入方式选择模块、磁场输入模块、空间计算点模块、电流计算模块和电流控制模块组成，其中：所述磁场输入方式选择模块用于供选择标量输入和矢量输入中的一种；所述磁场输入模块用于提供磁场值输入，该磁场值即前述设定值；空间计算点模块用于设定空间计算点的初值，该初值影响所述电流的转换；所述电流计算模块用于根据输入的磁场数据进行磁场值与电流值之间的转换；所述电流控制模块用于根据前述计算所得的电流值对直流稳流电源进行控制，通过三维磁场测量装置的反馈信息调整输入所述三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间的电流值，使得线圈空间所产生的磁场实际值与所输入磁场值的差值在预定范围内；

所述动态磁场模拟模块用于实现磁场的渐变过程控制，其由磁场输入方式选择模块、磁场初/末值输入模块、动态模拟参数模块和动态模拟模块组成，其中：所述磁场输入方式选择模块用于供选择标量输入和矢量输入中的一种；所述磁场初/末值输入模块用于供输入磁场渐变模拟的初值和末值；所述动态模拟参数模块用于供设置磁场渐变的步长和步数；动态模拟模块用于根据所输入的初值和末值，并按照所设定的步长和步数进行磁场曲线的动态模拟；

所述磁场采集与处理模块由串口设置模块、数据发送模块、数据接收模块，磁场数据显示模块及磁场数据处理模块组成，其中：所述串口设置模块用于进行串口参数设置并打开串口；所述数据发送模块用于向三维磁场测量装置发送控制指令；所述数据接收模块用于接收三维磁场测量装置测得的磁感应强度数据；所述磁场数据显示模块用于显示所述磁感应强度数据；所述数据处理模块用于计算前述磁感应强度的采样个数及其平均值和均方差，并将数据进行保存。

6.根据权利要求5所述的磁场模拟系统，其特征在于，所述磁场数据显示模块以图形的形式显示所述磁场数据。

7.根据权利要求5所述的磁场模拟系统，其特征在于，所述静态磁场模拟模块与动态磁场模拟模块之间通过一外部切换按钮进行切换，以实现磁场动态模拟和静态模拟的切换。

8.一种基于权利要求1所述磁场模拟系统的磁场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制子系统控制直流稳流电源向三维亥姆霍兹线圈子系统输入电流，在三维亥姆霍兹线圈子系统的线圈空间内产生磁场；

位于线圈空间内的三维磁场测量装置实时检测磁感应强度，并将测得的磁感应强度反馈至控制子系统；

该控制子系统将实际测得的磁感应强度与一设定值进行比较，并基于比较结果调整直流稳流电源通入线圈空间的电流，使得实际测得磁感应强度与所述设定值的差值控制在预定范围内。

9.根据权利要求8所述的磁场模拟方法，其特征在于，所述控制子系统由静态磁场模拟模块、动态磁场模拟模块、磁场采集与处理模块组成，分别可切换地实现静态磁场模拟、动态磁场模拟以及磁场数据的采集及处理，其中：

1）静态磁场模拟包括以下过程：

首先，选择标量或矢量中的一种磁场输入方式；然后，按所选择的的输入方式输入磁场值，并输入空间计算点；之后，根据电流与磁场及空间计算点的关系计算电流值；最后，再控制直流稳流电源输入线圈的电流即可实现静态磁场的模拟；

2）动态磁场模拟包括以下过程：

首先，选择标量或矢量中的一种磁场输入方式；然后，所选择的的输入方式输入磁场的初值、末值的三个分量：B_x1，B_y1，B_z1，B_x2，B_y2，B_z2；之后，根据磁场各个分量的差值，设置动态模拟参数；磁场初值、末值及磁场渐变的步数、步长设定完成后，进行动态磁场的模拟；

3）磁场数据的采集及处理包括以下过程：

首先，在串口设置完成后，打开串口连接设备；

然后，在数据发送模块中向三维磁场测量装置发送控制命令；

之后，数据接收模块接收三维磁场测量装置测得的磁感应强度数据，并通过磁场数据显示模块显示所述磁感应强度数据；

最后在数据处理模块中，计算前述磁感应强度的采样个数及其平均值和均方差，并将数据进行保存。

10.根据权利要求9所述的磁场模拟方法，其特征在于，所述磁场数据显示模块以图形的形式显示所述磁场数据。

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