CN104748762A - 一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法 - Google Patents

一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法，包括，一种磁场发生器的设计方法，根据上述的设计方法制备磁场发生器，利用上述磁场发生器制备高性能地磁场模拟装置，该高性能地磁场模拟装置在工作方法中还引入了负反馈方法，该方法可以通过对输出电流进行相应微调来控制匀强磁场的大小及方向，从而保证磁场发生器的设计精度。本发明设计的地磁场模拟器精度高，响应速度快，可准确模拟出所需的地磁场强度。

Description

一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法
技术领域
本发明属于磁场环境模拟技术领域，具体涉及一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法。
背景技术
随着现代小卫星技术的发展，卫星的姿态确定和控制方式也越来越多样化，而利用地磁场来实现卫星的姿态确定和控制是目前非常实用且方便的方法之一。为了有效验证卫星姿态确定和控制系统方案设计的正确性，或进行控制系统故障仿真与故障对策试验研究，都需要设计地面全物理或半物理仿真系统。对于采用地磁场矢量的姿态确定方法及纯磁控的姿态控制方法，都需要模拟小卫星上天后在卫星轨道上所处位置的磁场环境。经过对现有地磁场模型的计算发现，小卫星在近地轨道处的磁场可近似看为匀强磁场，地磁场模拟装置就是用来产生此匀强磁场的主要设备。该装置利用方形通电线圈来产生磁场，并由计算机以及高精度程控电流源来控制通过线圈电流的大小和方向，进而控制磁场的大小和方向。由于地磁场模拟装置具有结构简单、功耗低、精度高、工作稳定的特点，在现代小卫星姿态控制的地面模拟系统中应用非常广泛，设计一种方便、可靠、精度高的地磁场模拟装置对于进行卫星姿态确定及控制的地面仿真至关重要。
传统的匀强磁场发生装置大部分使用圆形或方形的亥姆霍兹线圈来产生磁场，即每个轴上采用两个相互平行的线圈来产生匀强磁场，这种装置所产生磁场的均匀范围比较小，且产生磁场的均匀性较差，若想获得较大区域的匀强磁场，则需使用尺寸更大的线圈，这从性能上极大降低了磁场发生器的使用范围。此外，单一的开环控制系统无法满足产生高精度磁场的设计要求，即实际产生的磁场值与所设计磁场值之间有较大误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种可以产生磁场精度高、均匀性强、均匀磁场区域大的高性能地磁场模拟装置设计及制作方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是，一种磁场发生器的设计方法，该磁场发生器为梅里特磁场发生器，梅里特发生器包括x轴、y轴和z轴三个互相垂直设置的梅里特线圈，各梅里特线圈均包括有四个相互平行且间隔放置的方形导线线圈1至线圈4，其中线圈1至线圈4连接方式为串联，本设计方法包括以下步骤：
步骤1：确定磁场发生器中线圈在x轴方向上磁场强度B的公式：
B = 4 μ 0 N 1 I a 2 π ( a 2 + 4 x 2 ) 2 a 2 + 4 x 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π ( a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 ) 2 a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 = 4 μ 0 N 2 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 = 4 μ 0 N 1 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ,
其中，B为线圈在x轴轴线方向上产生的磁场强度的大小，x为该x轴线上任意一点到原点O的距离，μ0为真空中磁导率，N1为线圈1、线圈4的通电导线匝数，N2为线圈2、线圈3的通电导线匝数，L1为线圈1、2之间的距离，L2为线圈2、3之间的距离，L3为线圈3、4之间的距离，I为流过导线的电流大小，ɑ为方形线圈的边长；L1与L3的值相等；y轴和z轴方向上磁场强度B的确定方法与x轴轴线方向上确定磁场强度B的方法相同；
步骤2：根据步骤1中计算磁场强度B的公式，在磁场强度变化小于等于1％时产生的最大匀强磁场区域，确定出制备磁场发生器的一组最优参数值。
进一步的，该步骤2的具体方法为：最优参数N1、N2、L1和L2是利用MATLAB软件进行处理，将N1、N2、L1和L2设置为可变参数，利用枚举法确定该组最优参数值N1、N2、L1和L2。
进一步的，该最优参数值中匝数N1是匝数N2的2倍，线圈间距L1＝L3＝0.343ɑ，L2＝0.307ɑ，其中ɑ为方形导线线圈的边长。
本发明还公开了一种按照上述设计制备磁场发生器的方法，该方法如下：
制备12个线圈框架，分为三组，线圈框架为方形且外侧设置有凹槽，每组的四个线圈框架平行设置，线圈框架边长及线圈框架之间的距离为最优参数值；
制备三组梅里特线圈，将每组线圈绕制在线圈框架的凹槽内，线圈绕线方向相同，且连接方式为串联；每组梅里特线圈分别垂直于其他两组梅里特线圈所在的平面，每组梅里特线圈的线圈框架也要分别与另外两组梅里特线圈的线圈框架互相垂直。
本发明还公开了一种包含上述磁场发生器的高性能地磁场模拟装置，包括控制装置、程控电流源、磁场发生器和三轴磁强计，磁场发生器的三组线圈分别与程控电流源的三个输出端口对应相连接，程控电流源用于控制磁场发生器在x轴、y轴、z轴上产生匀强磁场的大小和方向，程控电流源还与控制装置相连接，控制装置与三轴磁强计通过串口通信相连接，三轴磁强计设置于磁场发生器产生的匀强磁场区域中。
进一步地，该控制装置为仿真控制计算机。
本发明还公开了上述高性能地磁场模拟装置的工作方法，该工作方法为：记录三轴实时测量的磁场强度值，并将该数据传输给控制装置，控制装置将该数据与磁场强度的理论值比较，当实时的磁场强度值大于理论值时，控制装置发出指令，减小程控电流源的输出电流，反之则增大输出电流，如此反复进行直到实际测量的磁场强度值与磁场强度的理论值之间的相对误差达到误差要求范围内。
本发明一种高性能地磁场模拟装置设计及制作方法具有如下优点：
该方案制作出的磁场模拟装置具有产生的磁场精度高、均匀性强、均匀磁场区域大，尺寸设计灵活，能够满足地面物理仿真对磁场环境模拟的要求。
附图说明
图1是本发明中梅里特线圈的磁场产生示意图。
图2是本发明中梅里特线圈在x轴方向产生的磁场强度曲线图。
图3是本发明中磁场发生器结构示意图。
图4是本发明中高性能地磁场模拟装置设备连接示意图。
其中：1.控制装置；2.程控电流源；3.磁场发生器；4.三轴磁强计。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明中一种磁场发生器的设计方法，该磁场发生器3为梅里特磁场发生器，梅里特发生器包括x轴、y轴和z轴三个互相垂直设置的梅里特线圈，各梅里特线圈均包括有四个相互平行且间隔放置的方形导线线圈1至线圈4，其中线圈1至线圈4连接方式为串联，本设计方法包括以下步骤：
步骤1：确定磁场发生器中线圈在x轴方向上磁场强度B的公式：
B = 4 μ 0 N 1 I a 2 π ( a 2 + 4 x 2 ) 2 a 2 + 4 x 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π ( a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 ) 2 a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 + 4 μ 0 N 1 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ;
其中，B为线圈在x轴轴线方向上产生的磁场强度的大小，x为该x轴线上任意一点到原点O的距离，μ0为真空中磁导率，N1为线圈1、线圈4的通电导线匝数，N2为线圈2、线圈3的通电导线匝数，L1为线圈1、2之间的距离，L2为线圈2、3之间的距离，L3为线圈3、4之间的距离，I为流过导线的电流大小，ɑ为方形线圈的边长；L1与L3的值相等；y轴和z轴方向上磁场强度B的确定方法与x轴轴线方向上确定磁场强度B的方法相同；
步骤2：根据步骤1中计算磁场强度B的公式，在磁场强度变化小于等于1％时产生的最大匀强磁场区域，确定出制备磁场发生器的一组最优参数值。其具体方法为：最优参数N1、N2、L1和L2是利用MATLAB软件进行处理，将N1、N2、L1和L2设置为可变参数，利用枚举法确定该组最优参数值N1、N2、L1和L2。该最优参数值中匝数N1是匝数N2的2倍，线圈间距L1＝L3＝0.343ɑ，L2＝0.307ɑ，其中ɑ为方形线圈的边长。
本发明中根据上述设计制备磁场发生器的方法，包括：
制备12个线圈框架，分为三组，该线圈框架为方形且外侧设置有凹槽，每组的四个线圈框架平行设置，线圈框架边长及线圈框架之间的距离为最优参数值；
制备三组梅里特线圈，将每组线圈绕制在线圈框架的凹槽内，线圈绕线方向相同，且连接方式为串联；其中每组梅里特线圈分别垂直于其他两组梅里特线圈所在的平面，每组梅里特线圈的线圈框架也要分别与另外两组梅里特线圈的线圈框架互相垂直。
如图4所示，本发明中一种包含上述磁场发生器的高性能地磁场模拟装置，该装置包括控制装置1、程控电流源2、磁场发生器3和三轴磁强计4，磁场发生器3的三组线圈框架分别与程控电流源2的三个输出端口对应相连接，程控电流源2用于控制磁场发生器3在x轴、y轴、z轴上产生匀强磁场的大小和方向，程控电流源2还与控制装置1相连接，控制装置1与三轴磁强计4通过串口通信相连接，三轴磁强计4设置于磁场发生器3产生的匀强磁场区域中，该控制装置1为仿真控制计算机。
上述高性能地磁场模拟装置的工作方法，记录三轴磁强计4实际测量的磁场强度值，并将该数据传输给控制装置1，控制装置1将该数据与磁场强度的理论值比较，当实际测量的磁场强度值大于理论值时，控制装置1发出指令，减小程控电流源2的输出电流，反之则增大输出电流，如此反复进行直到实际测量的磁场强度值与磁场强度的理论值之间的相对误差达到误差要求范围内。
本发明所设计的三轴匀强地磁场发生装置使用的是梅里特线圈，即每个轴上采用四个相互平行的线圈来产生匀强磁场，三个轴的匀强磁场的产生则需要12个通电线圈。在相同尺寸条件下，本磁场发生装置所产生的磁场的均匀范围及均匀性都优于传统的磁场发生装置。本发明还在匀强磁场的大小及方向控制中引入负反馈方法，即将三轴磁强计4的测量值引入到高精度程控电流源的程序中，将测量值与设计值进行比较，并对输出电流进行相应微调，从而保证磁场发生器的设计精度。
实施例1
给出磁场发生器的设计方案，并推导该磁场发生器所产生的磁场强度B的理论公式，该磁场发生器为梅里特磁场发生器，梅里特磁场发生器共有三组互相垂直放置的梅里特线圈，此梅里特线圈的磁场产生示意图如图1所示，为简化起见，这里仅给出一个轴(x轴方向)的示意图。根据物理学原理推到出磁场发生装置所产生磁场的公式如下所示。
先对将要使用的符号作以下定义：
B为线圈在轴线(x轴)方向上产生的磁场大小，x为从图中轴线上任意一点距离原点O的距离。μ0为真空中磁导率，N1为图1中线圈1、线圈4的通电导线匝数，N2为图1中线圈2和线圈3中通电导线的匝数。L1为线圈1和线圈2之间的距离，L2为线圈2和线圈3之间的距离，L3为线圈3和线圈4之间的距离。I为流过导线的电流大小，a为方形导线线圈的边长。
磁场强度：
B = 4 μ 0 N 1 I a 2 π ( a 2 + 4 x 2 ) 2 a 2 + 4 x 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π ( a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 ) 2 a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 + 4 μ 0 N 1 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2
实施例2
给出高性能地磁场模拟装置设计及制作方法：
A、找到最优设计方案。从公式中可以看出，可变参数有N1、N2、L1和L2，利用MATLAB软件将上述磁场强度编写为程序，将N1、N2、L1和L2设置为可变参数，利用枚举法找到在满足精度条件下产生最大匀强磁场区域所对应的一组参数。其中精度可根据实际需求设置，这里设置为：在匀强磁场区域内，磁场强度变化小于等于0.1％。找到的最优解为：设方形线圈边长为ɑ，则L1＝L3＝0.343ɑ，L2＝0.307ɑ，图中所标的线圈1与线圈4的匝数为2，线圈2与线圈3的匝数为1，四个线圈的合成磁场分布曲线如图2所示，在轴心的中点附近，会产生一段磁场均匀区，通过分析可以得知0.1％均匀度区域大约为50％，其磁场近似为1.165×104nT。
B、上述为单轴情况，实际制作的磁场发生装置为三轴，即将三组和上述相同的线圈相互垂直放置，从而能在三维空间中产生任意方向和大小的磁场，如图3所示。为保证线圈的形状的稳定，使用高强度航空无磁铝材来制作线圈框架，将线圈绕制在框架内。为达到足够精度，需要使每组的四个线圈框架严格平行，框架之间的距离由第一步中计算出的最优参数L1和L2来确定。同时，每组线圈之间要严格垂直，即每组的四个线圈框架要分别与另外两组的线圈框架互相垂直。
高性能地磁场模拟装置连接方式，如图4所示。
该高性能地磁场模拟装置的工作方法中采用了一种负反馈系统：首先，利用高精度的程控电流源来给磁场发生器3供电，具体做法为将制作完成的三组线圈框架与程控电流源2相连。一般的程控电流源2有三个输出口，将这三个电流输出端分别与线圈框架的第一组、第二组、第三组相连接，通过三个输出端口将分别控制磁场发生器3在x轴、y轴、z轴上产生的匀强磁场大小和方向。将三轴磁强计4放置在磁场发生器3所产生的匀强磁场区域中，实时测量出产生的磁场大小，并将数据传送给计算机。计算机将得到的数据与利用地磁场模型所算出的理论数据进行比较，当测得的磁场比理论值大时，计算机1程序发出指令，使与计算机相连的程控电流源2的输出电流减小，直到磁场测量值与理论值相等。若测得的磁场强度比理论值小时，则系统进行相反的操作。这样，计算机与磁场发生器3、程控电流源2以及三轴磁强计4便组成了一个可以精确地模拟地磁场的负反馈系统。
C、在绕线过程中，不断涂加环氧树脂来对导线进行固化。为了防止有多余的环氧树脂在线圈的一侧积存，在绕线过程中要及时清理掉多余的环氧树脂。

Claims (7)

1.一种磁场发生器的设计方法，其特征在于，该磁场发生器(3)为梅里特磁场发生器，所述梅里特磁场发生器包括x轴、y轴和z轴三个互相垂直设置的梅里特线圈，所述各梅里特线圈均包括有四个相互平行且间隔放置的方形导线线圈1至线圈4，所述线圈1至线圈4连接方式为串联，本设计方法包括以下步骤：
步骤1：确定磁场发生器中线圈在x轴方向上磁场强度B的公式：
B = 4 μ 0 N 1 I a 2 π ( a 2 + 4 x 2 ) 2 a 2 + 4 x 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π ( a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 ) 2 a 2 + 4 ( L 1 - x ) 2 + 4 μ 0 N 2 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 - x ) 2 + 4 μ 0 N 1 I a 2 π [ a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ] 2 a 2 + 4 ( L 1 + L 2 + L 3 - x ) 2 ;
其中，B为线圈在x轴轴线方向上产生的磁场强度的大小，x为该x轴线上任意一点到原点O的距离，μ0为真空中磁导率，N1为线圈1、线圈4的通电导线匝数，N2为线圈2、线圈3的通电导线匝数，L1为线圈1、2之间的距离，L2为线圈2、3之间的距离，L3为线圈3、4之间的距离，I为流过导线的电流大小，ɑ为方形线圈的边长；所磁场发生器述L1与L3的值相等；所述y轴和z轴方向上磁场强度B的确定方法与x轴轴线方向上确定磁场强度B的方法相同；
步骤2：根据步骤1中计算磁场强度B的公式，在磁场强度变化小于等于1％时产生的最大匀强磁场区域，确定出制备磁场发生器的一组最优参数值。
2.按照权利要求1所述的一种磁场发生器的设计方法，其特征在于，所述步骤2的具体方法为：所述最优参数N1、N2、L1和L2是利用MATLAB软件进行处理，将N1、N2、L1和L2设置为可变参数，利用枚举法确定该组最优参数值N1、N2、L1和L2。
3.按照权利要求2所述的一种磁场发生器的设计方法，其特征在于，所述的最优参数值中匝数N1是匝数N2的2倍，线圈间距L1＝L3＝0.343ɑ，L2＝0.307ɑ，其中ɑ为方形导线线圈的边长。
4.按照权利要求1、2或3所述的设计制备磁场发生器的方法，其特征在于，包括：
制备12个线圈框架，分为三组，所述线圈框架为方形且外侧设置有凹槽，每组的四个线圈框架平行设置，线圈框架边长及线圈框架之间的距离为最优参数值；
制备三组梅里特线圈，将每组线圈绕制在线圈框架的凹槽内，所述线圈绕线方向相同，且连接方式为串联；
所述每组梅里特线圈分别垂直于其他两组梅里特线圈所在的平面，每组梅里特线圈的线圈框架也要分别与另外两组梅里特线圈的线圈框架互相垂直。
5.一种包含有权利要求1至权利要求4中任一磁场发生器的高性能地磁场模拟装置，其特征在于：包括控制装置(1)、程控电流源(2)、磁场发生器(3)和三轴磁强计(4)，所述磁场发生器(3)的三组线圈分别与程控电流源(2)的三个输出端口对应相连接，所述程控电流源(2)用于控制磁场发生器(3)在x轴、y轴、z轴上产生匀强磁场的大小和方向，所述程控电流源(2)还与控制装置(1)相连接，所述控制装置(1)与三轴磁强计(4)通过串口通信相连接，所述三轴磁强计(4)设置于磁场发生器(3)产生的匀强磁场区域中。
6.按照权利要求5所述的一种高性能地磁场模拟装置，其特征在于：所述的控制装置(1)为仿真控制计算机。
7.一种如权利要求5所述的一种高性能地磁场模拟装置的工作方法，其特征在于，记录所述三轴磁强计(4)实际测量磁场强度值，并将该数据传输给控制装置(1)，所述控制装置(1)将该数据与磁场强度的理论值比较，当实时测量的磁场强度值大于理论值时，控制装置(1)发出指令，减小程控电流源(2)的输出电流，反之则增大输出电流，如此反复进行直到实际测量的磁场强度值与磁场强度的理论值之间的相对误差达到误差要求范围内。
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