CN106252019B - 一种多层三维磁场发射线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层三维磁场发射线圈，用于宽量程的直流磁场跟踪定位系统。采用多层形状相同、直径不同、匝数不同的空心线圈同轴共心嵌套而成，每层线圈均由两两相互垂直且共心的三轴漆包线绕制在骨架上制成，由内到外，每层线圈半径依次增大，骨架用于缠绕线圈并固定每层相对位置。这样可以根据定位所需范围设计适当的线圈层数以及每层线圈的半径、匝数和激励电流大小。使其发射磁场在跟踪范围内，既可近似为磁偶极子模型，又可获得较大磁场强度，在便于计算的同时，又减小了测量误差。

Description

一种多层三维磁场发射线圈

技术领域：

本发明涉及一种磁场发生装置，特别是涉及一种用于磁场跟踪定位系统的多层三维磁场发射线圈。

背景技术：

直流磁跟踪定位技术利用直流激励线圈作为磁场发射源，根据磁场信息获得跟踪目标的实时位置和姿态信息，具有无辐射、无遮挡、成本低和不易受到周围环境中金属材料的影响等优点。

传统的发射线圈大都是用漆包线缠绕在球形或立方形骨架上制作成的空芯线圈，由脉冲直流驱动，在空间中产生脉冲直流磁场。但是由于直流信号的频率低，必然导致系统定位的距离近。如果增大定位距离，发射线圈的半径必须增大，但是仅当跟踪物体与发射线圈的距离r远远大于发射线圈半径R(r>10R)时,发射线圈的磁场模型才可近似为磁偶极子模型，导致距离发射线圈近的区域内定位误差较大。

文献1“Design of six degrees of freedom electromagnetic tracker forvirtual reality system,Proceedings of IEEE International Conference onVirtual Environments,Human-Computer Interfaces and Measurement Systems,VECIMS,p107-110,2012”采用方形有磁芯线圈作为发射线圈，在不增大发射线圈半径的前提下，发射磁场的磁感应强度增强。但是，直流脉冲激励信号会在铁芯内部产生涡流损耗，使铁芯工作时温度升高，使磁导率发生变化，其次铁芯存在磁滞。当使用磁偶极子模型描述发射磁场时，这些因素都会带来较大误差。

发明内容：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种宽量程的多层三维磁场发射线圈，通过恰当的单独或组合激励方式，使其发射磁场在较大范围内(如0.2m～1m)，既可近似为磁偶极子模型，又可获得较大磁场强度及梯度，在便于计算的同时，又能减小测量误差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：本发明所公开的基于直流磁定位系统的直流磁场发射线圈由共心的多层空心线圈嵌套而成。每层线圈均由两两相互垂直且共心的三轴漆包线绕制在骨架上制成，所述的三轴线圈的轴向方向分别对应三维直角坐标系中的X轴、Y轴和Z轴，它们的中心位于坐标原点。所述的多层线圈中各层线圈的X轴、Y轴、Z轴分别重合，由内到外，线圈半径依次增大。骨架由非金属无磁材料制作而成，用于缠绕线圈并固定每层相对位置。可以根据定位所需范围设计适当的线圈层数以及每层线圈的半径、匝数和激励电流大小。

多层三维磁场发射线圈具有以下特点：

1)层线圈的三个轴向上的线圈半径、匝数、输入电流值均相同；

2)每层线圈的线圈可绕制成立方体形状、球形、圆柱形或其他可能的形状；

3)每层线圈之间在相同轴向上绕线方向一致；

4)各层线圈的每个轴向的线圈单独绕线并引出电源输入接口，以便对其进行单独或组合激励；

5)除最内层骨架外，其他各层骨架由两部分组合而成。

本发明的有益效果是：计算每层线圈通电后产生的磁场时，磁偶极子模型的使用条件都能满足，这样，一方面，在一定程度上简化了定位算法，有利于提高定位速度；另一方面，通过单独或组合激励，将定位距离可以分为几个区间，每个区间内的发射磁场都具有较大的磁场强度和磁场梯度，有利于扩大定位范围，提高定位精度。

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

附图说明：

图1为本发明多层线圈的嵌套方式示意图，以三层方形线圈为例。

图2为以方形线圈为例，单层线圈的缠绕方式示意图。

实施例：

参照图1、图2，宽量程三层方形磁场发射装置。使用三层方形空心线圈嵌套而成，三层线圈共心且轴向一致，每层线圈均由两两相互垂直且共心的三轴线圈组成，采用铜线标称直径为0.49mm的漆包线作为线圈的绕线，激励电流最大设为2A。骨架采用3D打印制作而成，骨架的每个顶点处设计固定脚，用于缠绕线圈并固定每层相对位置。

具体制作过程如下：

1)加工第一层线圈。设计并打印第一层骨架，线圈宽度为3cm，依次绕制X轴、Y轴、Z轴线圈，每轴线圈匝数为120匝，每轴线圈引出激励端子。

2)加工第二层线圈。将第二层骨架分为上下两个相同部分分别打印，使骨架的外边长正好等于第二层骨架的内径；将绕制好的第一层线圈置于里面，上下两部分接合，再依次绕制X轴、Y轴、Z轴线圈，线圈宽5cm，每轴线圈匝数为200匝，每轴线圈引出激励端子。

3)加工第三层线圈。与步骤(2)类似，每轴线圈宽8cm，每轴线圈匝数为320匝，每轴线圈引出激励端子。

将上述制作好的线圈按不同的激励方式通电，使其发射磁场在较大范围内，既可近似为磁偶极子模型，又可获得较大磁场强度。可能的激励方式有：1)对三层线圈分别激励；2)同时激励第一、第二层线圈；3)同时激励第一、第三层线圈；4)同时激励第二、第三层线圈；5)三层线圈同时激励。

以上具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，凡在本发明基础之上所做的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种直流磁跟踪定位系统的多层三维磁场发射线圈，包括多层装置在一起的形状相同、直径不同、匝数不同的三维空心线圈，其特征在于，每层三维空心线圈由共心且相互正交的三轴线圈组成，每轴线圈由一个螺线管线圈组成；其中至少一层三维空心线圈的磁场模型在定位系统中被认为是磁偶极子模型；同层线圈的三个轴向上的线圈匝数、线圈半径、输入电流值均相同；各层线圈共心且其三轴重合；各层线圈直径由大到小层层嵌套组成。

2.如权利要求1所述的一种直流磁跟踪定位系统的多层三维磁场发射线圈，其特征在于每层线圈的形状相同，所述形状为正方形、球形、圆柱形或其他形状。