CN108564862A - 新型磁场描绘仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全自动的新型磁场描绘仪，属于物理实验教学设备领域。该系统采用上位机为核心控制单元，加上采集卡、单片机、步进电机驱动器、步进电机等，能自动采集、显示和存储探测磁场中各点的磁感应强度。具体包括上位机、RS485采集卡、RS485转232双向转换器、RS232连接线、STC89C52单片机、丝杠导轨、步进电机驱动器、步进电机、亥姆霍兹线圈、霍尔探头、稳压电源。本发明根据载流圆线圈磁场的对称性，巧妙测量载流线圈在轴线方向和垂直于轴线方向磁感应强度的分布情况。霍尔探头的移动和数据的采集均实现了自动化，大大提高了数据采集的效率。采集的同时，上位机将磁感应强度随测量数据及位置的变化，自动保存数据。测量速度快，精度高，操作简单。
Description
技术领域
本发明属于实验教学仪器领域，具体涉及一种用于物理实验教学的新型磁场描绘仪。
技术背景
目前的磁场描绘仪，常用的磁场测量方法有电磁感应法和半导体(霍尔效应)探测法。
第一、电磁感应法。其基本原理是法拉第电磁感应定律，处于磁场中的导体回路，磁感应电动势的大小与穿过它的磁通量的变化率成正比。因此可以通过测试探线圈中的感应电动势来确定磁场量。为了测量感应电动势，就需要用到交流毫伏表。该实验方法能完成的实验内容有：
(1)测量单只载流圆线圈轴线上的磁感应强度分布
将坐标纸恰当剪裁后固定在亥姆霍兹线圈箱面上，在坐标纸上标定出线圈的轴线和轴线上中心点0的位置。单只线圈的中心点在待测线圈两个侧面的中间，亥姆霍兹线圈中心点在两只线圈的中间。以中心点0为始点沿轴线每隔2㎝标出一点，作为轴线上磁感应强度分布的测量点约15-20个点。将音频信号发生器(使用功率输出端)、线圈A和交流毫伏表组成—串联电路，信号频率取1.00kHz，电流I(mA)适当取值。将探测线圈接到交流毫伏表(15或30mV量程)。置探测线圈于中心点上，水平缓慢转动，使线圈保持在毫伏表读数最大的位置，细调信号发生器输出电压，使毫伏表读数达15mV或30mV记下此时探测线圈的位置和毫伏表的读数值。保持上述信号发生器的输出电压，将探测线圈依次移到其他的测量点上，缓慢转动使毫伏表的读数达到最大，分别记录各点的位置及毫伏表的读数(感应电动势的最大值)。绘制(Bm/Bm0)-L图线，即Um/Um0-L图线，并进行分析。
(2)描绘单只载流圆线圈的磁力线
在探测线圈的底座上有两个小眼，可以插定位针，这两个小眼的连线方向与探测线圈的法线方向垂直。如果探测线圈线度相对于待测磁场足够小，在感应电动势最小时两孔连线可以看作近似在一条磁力线上。在坐标纸上，以中心点0为起点，(垂直于轴线)沿线圈径向每隔2㎝标出一点，作为描绘磁力线其始点，需描绘5-9条。描绘磁力线时，将探测线圈放在坐标纸上，笔形定位针通过探测线圈的小孔插进线圈径向方向的第一个测量孔内，开始描绘过这个测试孔的磁力线。方法是以此孔为中心旋转探测线圈，直至毫伏表为极小值为止，将笔形定位针拔出(注意：不能改变探测线圈的位置)插入探测线圈对面的测量孔中，在坐标纸上扎出第二个孔。然后再以目前的第二孔为中心转动探测线圈找感应电动势的最小值，在毫伏表为极小值把笔形定位针拔出扎到对面找到第三个孔。重复上述步骤。这样周而复始的连续做下去，便可在图纸上留下一系列的小针眼。每两个针眼的连线的中心，即为探测线圈的几何中心，也就是磁力线的切点。光滑的连接这些切点，即可描绘出一条磁力线。但因探测线圈针眼间距远小于磁力线的曲率半径，故作图时，只要光滑地连接针眼即可。用同样方法可以描绘过其它点的几条磁力线。
(3)测量亥姆霍兹线圈轴线上的磁感应强度分布
现有的教学实验教材中，测量磁感应强度分布是记录亥姆霍兹线圈轴线上的各点的感应电动势的最大值，绘制(Bm/Bm0)-L图线，即Um/Um0-L图线，并进行分析比较。
(4)亥姆霍兹线圈中匀强区的描绘，描画其磁力线
调节音频振荡器输出电压，使亥姆霍兹线圈中心处最大的感应电压为30.0mV，描绘亥姆霍兹线圈中心附近、最大感应电压在(30.0±0.3)mV范围内的区域，即偏差不超过1％的均匀区。
该方法的优点是能够描绘磁力线，形象地反映磁场的分布情况；缺点是在研究载流线圈轴线上各点的磁感应强度分布时，需要利用坐标纸定位，利用交流毫伏表测量线圈中感应电动势的大小。由于坐标纸比较粗略，交流毫伏表特别敏感而且探测线圈特别容易受到外界干扰，因此，很难准确定位和准确测量。
第二、半导体(霍尔效应)探测法。其基本原理是霍尔效应，该法采用恒流源产生恒定的磁场，用集成霍尔传感器测量载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上各点的磁感应强度，研究亥姆霍兹线圈的磁场分布。该实验方法能完成的实验内容有：
(1)测量圆电流线圈轴线上磁场的分布
假定选择励磁线圈(左)为实验对象。将测量仪面板上的偏置电压与测试架的偏置电压相连，霍尔电压与霍尔电压相连。将测试架励磁线圈(左)的两端与测量仪上的励磁电流两端相连。红接线柱与红接线柱相连,黑接线柱与黑接线柱相连。调节励磁电流为零，将磁感应强度清零。调节磁场测量仪的励磁电流调节电位器，使表头显示值为500mA,此时毫特计表头应显示一对应的磁感应强度B值。以圆电流线圈中心为坐标原点，每隔10.0mm测一磁感应强度B的值，测量过程中注意保持励磁电流值不变。
(2)测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布
将两个线圈串联供电，然后在励磁电流为零的情况下将磁感应强度清零。调节磁场测量仪的励磁电流调节电位器，使表头显示值为500mA,此时毫特计表头应显示一对应的磁感应强度B值。以亥姆霍兹线圈中心为坐标原点，每隔10.0mm测一磁感应强度B的值，测量过程中注意保持励磁电流值不变。
该方法的优点是能够准确定位、准确测量载流线圈轴线上各点的磁感应强度。因为它使用集成霍尔元件测量磁感应强度，使用螺距是1mm的丝杠带动霍尔元件探头。缺点主要有：首先，由于其螺距小，测量中需要用手拧转上百圈，读数也繁琐，因此加大了实验者负担；其次，测量中一旦转动过度，需要反向移动霍尔元件探头时就会产生回程差；再个，无法描绘磁力线，不能形象反应磁场的分布情况。
综上所述，两种方法各有优点和缺点。因此，有必要发明一种新型磁场描绘仪，能够同时兼具二者的优点，克服掉二者的缺点。从测试仪器发展的趋势上看，总的趋势是自动化，智能化，高效化。可以利用质量更高的数据采集和显示方案，以更加便捷的方法实现磁场的测绘。随着科技的发展进步，以上位机为主控制中心的设计，其优势将逐步彰显。在最终的设计中，我们设计出一种新型磁场描绘仪，将霍尔元件探头的移动、数据的量化、数据的采集、数据的显示等全部实现自动化，提高效率，降低成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种新型磁场描绘仪。从根本上消除了空程误差，大大提高了数据采集的效率，实时自动绘出彩色的磁感应强度分布图并能自动保存数据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案：该新型磁场描绘仪，由数据采集系统，霍尔元件探头位移系统和上位机控制系统三部分构成；
数据采集系统由霍尔元件探头、RS485采集卡、RS485转232双向转换器、亥姆霍兹线圈、第一直流稳压电源和第二直流稳压电源组成；霍尔元件探头共有15个霍尔元件，分别与RS485采集卡的模拟输入端AIN1-15连接；RS485采集卡由第二直流稳压电源供电；RS485采集卡的485G接到RS485转232双向转换器的GND，RS485采集卡的485A+接到RS485转232双向转换器的T/R+，RS485采集卡的485B-接到RS485转232双向转换器的T/R-，RS485转232双向转换器的串口端与上位机的串口链接；亥姆霍兹线圈置于描绘平台上，亥姆霍兹线圈的两个接线柱分别与第三直流稳压电源的正负极链接，产生的磁场为待测磁场，RS485采集卡的COM接到第一直流稳压电源的负极上；
霍尔元件探头位移系统由STC89C52单片机、步进电机驱动器、步进电机和丝杠导轨构成；所述丝杠导轨由设置在机箱架上的丝杆和与丝杆配合的丝杆滑块构成，
步进电机由步进电机驱动器连接控制，所述步进电机驱动器由第二直流稳压电源供电，步进电机驱动器的PUL+和DIR+并联后接STC89C52单片机的P40口，步进电机驱动器的PUL-接STC89C52单片机的P8口，步进电机驱动器的DIR-接STC89C52单片机的P7口，STC89C52单片机的P20口接地，STC89C52单片机的P18口与P19口之间接一个11.0592MHz的晶振，STC89C52单片机的P10口和P11口通过USB线与上位机的USB接口连接；所述丝杠导轨步进电机连接所述霍尔元件探头固定在丝杠滑块上，霍尔元件的排列方向与丝杠的轴向垂直，亥姆霍兹线圈的轴线上安装一个测量沿轴线方向磁感应强度的霍尔元件，其左右两边位置的霍尔元件对称，一边的霍尔元件测量沿轴线方向磁感应强度，另一边的霍尔元件测量垂直于轴线方向磁感应强度；
上位机控制系统，通过步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠滑块运动，从而实现霍尔元件探头的运动；通过RS485采集卡获得霍尔元件探头的电压数据，由上位机绘制出磁感应强度分布的图像，并保存数据和图像。
所述霍尔元件探头水平排布的间距是10.16mm，霍尔元件探头的整体宽度为142.24mm，所述亥姆霍兹线圈有效半径110mm，单个线圈匝数500匝，两线圈中心间距110mm，霍尔元件探头在轴线方向可以移动233.68mm。
所述步进电机的步距角为1.8°，丝杆的导程为1mm，步进电机每走一步，霍尔探头在竖直方向移动0.005mm，脉冲周期为2mS，数据采集周期为4064mS。
所述第一直流稳压电源给所有的霍尔元件供电，电压为4.5-10.5V；所述第二直流稳压电源给步进电机驱动器和RS485采集卡供电，电压12-24V；所述第三直流稳压电源给亥姆霍兹线圈供电，建立待测磁场，励磁电流约500mA。
本发明从根本上消除了回程误差的影响，利用上位机通过RS485采集卡直接采集数据，精确度高，效率高，将实验者从繁琐的手动测试中解放出来。利用RS485采集卡直接量化霍尔元件的输出电压，通过上位机自动读取电压值，极大地提高了采集数据点的效率。根据采集到的数据可以实时绘出彩色的磁感应强度分布图样；还可以保存、输出数据和图像。
本发明的机理和技术特点：
本发明一方面要采集横向排列的各霍尔元件的输出的电压值，一方面要实现霍尔元件探头的纵向扫描，并且要实现数据的显示和存储，因此需要设计一个智能便捷、性价比高、操作简单的测试系统。本磁场测量仪以上位机为控制核心，通过RS485采集卡采集霍尔元件探头各霍尔元件的输出电压值，通过STC89C52单片机和步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠滑块，从而实现霍尔元件探头的纵向扫描运动，以达到对待测磁场一定区域(面积142.24mm×233.68mm)处于边长为10.16mm的方格网点的各点磁感应强度的自动测量。在获得各点磁感应强度的同时，将不同位置的磁感应强度在画图区域对应位置用不同的颜色来表示，从而得到直观的彩色磁感应强度分布图。测试完毕，数据和图片可以保存和输出。
技术特点一：以一维扫描和霍尔元件探头设计实现“二维扫描”
由于需要对一定区域内处于一定边长的方格网点的各点磁感应强度进行测量，如果采用单一霍尔元件，就必须让霍尔元件在该区域进行二维扫描。这需要用到XY-工作台，不仅成本升高，而且对霍尔元件位置的控制难度加大，测试的效率降低。如果采用二维网格分布的霍尔元件阵列，数据的采集将加大难度，成本也会增加。本发明充分利用载流圆线圈磁场分布的对称性，利用两侧霍尔元件探头分别测量不同方向的磁感应强度，实现“二维扫描”。霍尔元件探头的15个霍尔元件在横向等间隔排列，相当于一个霍尔元件在横向取15个位置，一侧边的霍尔元件测量沿轴线方向磁感应强度，由于磁场是对称的，故仅测量该侧的沿轴线方向磁感应强度，就可得到另一侧的沿轴线方向磁感应强度。另一边的霍尔元件测量垂直于轴线方向磁感应强度，在得到垂直于轴线方向磁感应强度的同时，由于对称，同样可得到相对侧的轴线方向磁感应强度。一排霍尔元件可实现二维扫描。信号采集的控制和步进电机运动的控制都降低了难度，成本也下降了，效率却得到了保障。
技术特点二：充分利用载流线圈磁场的对称性
众所周知，载流线圈的磁场对其中心轴线呈轴对称分布。而由于尺寸限制，霍尔元件探头所能安装的霍尔元件的数目是有限的。为了能全面反映磁场的信息，有必要根据磁场的对称性，用有限的霍尔元件探测磁感应强度的分布情况。在载流线圈的中央轴线上，磁感应强度只有沿轴线方向的分量；其它位置，磁感应强度在沿轴线和垂直于轴线方向都有分量。因此，在制作霍尔元件探头时，在轴线上只需要安装一个测量沿轴线方向磁感应强度的霍尔元件；左右两边在对称位置安装相同数量的霍尔元件，一边测量沿轴线方向磁感应强度，一边测量垂直于轴线方向磁感应强度。不仅电路简单，成本低，而且保证了较高的数据采集效率。
技术特点三：利用图表表示数值
测试给出360个测试点的数据，这些数据点分布在一个15行、24列的方格点阵上。每一个点都有自己的横坐标、纵坐标、磁感应强度的横向分量和磁感应强度的纵向分量。上位机实时自动绘出彩色的磁感应强度分布图。
发明与背景技术相比的有益效果：
利用本发明的新型磁场描绘仪对单个载流圆线圈和亥姆霍兹线圈的磁场进行了测量和描绘，分别得到了单个载流圆线圈轴线方向磁感应强度分布图、单个载流圆线圈垂直轴线方向磁感应强度分布图、亥姆霍兹线圈轴线方向磁感应强度分布图和亥姆霍兹线圈垂直轴线方向磁感应强度分布图，以及单个载流线圈的磁力线分布，分别如图5—图9所示。
传统的电磁感应法由于在研究载流线圈轴线上各点的磁感应强度分布时，需要利用坐标纸定位，利用交流毫伏表测量线圈中感应电动势的大小，很难准确定位和准确测量。本发明采用高灵敏度的霍尔元件测量磁感应强度，采用步进电机和丝杠控制霍尔元件探头的移动，可以对磁感应强度精确测量，并能准确定位，克服了传统电磁感应法的不足，减轻了实验者的负担，节省了时间。
传统的半导体(霍尔效应)探测法存在的问题有：需要手动操作和人眼读数，加大了实验者负担；测量中会产生回程差；无法描绘磁力线，不能形象反应磁场的分布情况。本发明利用单片机、步进电机驱动器，步进电机和丝杠导轨实现霍尔元件探头位置的移动，从根本上消除了空程误差的影响；本发明利用上位机通过采集卡直接量化和自动采集霍尔元件输出的电压，减轻了实验者的负担；利用Mat lab处理导出的数据，可以得到待测磁场的磁力线分布，形象地反应了磁场的分布情况。
综上所述，本发明能够同时兼具电磁感应法和半导体(霍尔效应)探测法的优点，克服掉二者的缺点。霍尔元件探头的扫描、数据的量化、采集、存储均实现了自动化，大大提高了数据采集的效率。采集的同时，上位机实时自动绘出彩色的磁感应强度分布图。本发明原理简单、成本低廉、容易操作、效果直观，完全可以取代传统的磁场描绘仪，在磁场描绘，教学和研究方面具有重要意义，具有一定的推广价值。
附图说明
为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合应用实例对本发明详细进行描述：
图1本发明的系统连接图；
图2本发明的霍尔元件探头扫描系统结构图；
图3本发明的霍尔元件探头结构图；
图4为本发明的上位机控制系统流程图；
图5载流线圈轴线方向磁感应强度分布图；
图6载流线圈垂直轴线方向磁感应强度分布图；
图7亥姆霍兹线圈轴线方向磁感应强度分布图；
图8亥姆霍兹线圈垂直轴线方向磁感应强度分布图；
图9用Mat lab绘制的单个载流线圈的磁力线分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行说明。
1)扫描方案确定
需要探测的磁场分布在一个矩形区域，为全面反映磁场的性质，有必要均匀探测各点的磁感应强度。如果只有一个霍尔元件，就需要进行二维扫描，这样做有一些缺陷。第一，扫描时间长，效率不高。第二，需要XY工作台，价格较高。第三，两台步进电机的控制难度加大，探头的定位误差会加大。
此外，人们自然可以想象到用多个霍尔元件构成的探测阵列，将霍尔元件按一定的二维空间点阵进行排列，如15×24＝360个，这样不需要扫描，而且测量效率会大大提高。但是，这样做也有一些弊端。第一，霍尔元件阵列的制备难度增加。第二，数据采集的难度大大增加。第三，由于要做两个霍尔元件分别探测沿轴线方向和垂直于轴线方向的磁感应强度，硬件成本大大增加。
为解决上述问题，本发明提出一个比较折中的方案。用霍尔元件探头和一维扫描来对磁场各点的磁感应强度进行探测，不仅降低了难度，而且降低了成本，保正了较高的效率。
2)数据点位置的选取
由于水平排布的霍尔元件的间距是10.16mm，霍尔元件探头共有15个霍尔元件，霍尔元件探头的整体宽度为142.24mm，刚好与现有的亥姆霍兹线圈(线圈有效半径110mm，单个线圈匝数500匝，两线圈中心间距110mm)搭配合适。每次读数将得到一行共15个数据，分别为每个霍尔元件输出端相对“电源1负极”的电压。为保证数据点均匀分布在方格的格点上，再考虑到现有亥姆霍兹线圈在轴线方向允许的移动距离，霍尔元件在轴线方向可以移动233.68mm，也等间隔取出24行数据，数据的总数为15×24＝360个。这360个数据刚好分布在15行、24列的一个二维空间点阵上。点与点之间水平间距和竖直间距均为10.16mm。因此，虽然霍尔元件探头只沿着轴线方向扫描，由于霍尔元件探头在垂直于轴线方向有分布，因此仍可得到磁感应强度的面分布情况。霍尔元件探头的霍尔元件之间的水平间距是10.16mm。由于选用的步进电机的步距角为1.8°，丝杆的导程为1mm，因此，步进电机每走一步，霍尔探头在竖直方向移动0.005mm，脉冲周期为2mS，因此，数据采集周期为(10.16/0.005)×2＝4064mS。这样，所有的数据点将分布在边长为10.16mm的方格网点上，和坐标纸相似，便于理解和分析。
3)霍尔元件探头的制作
根据载流线圈磁场分布的对称性，在载流线圈的中央轴线上，磁感应强度只有沿轴线方向的分量；其它位置，磁感应强度在沿轴线和垂直于轴线方向都有分量。根据待测磁场的区域大小、线圈的尺寸和霍尔元件的尺寸，选择使用15个霍尔元件制作霍尔元件探头。所用霍尔元件探头由15个霍尔元件沿着垂直于轴线方向、对称地排成一排构成。根据载流线圈磁场分布的特点，在轴线上只需要安装1个测量沿轴线方向磁感应强度的霍尔元件；左右两边在对称位置各安装7个霍尔元件，一边测量沿轴线方向磁感应强度，一边测量垂直于轴线方向磁感应强度。不仅降低了实现的难度和成本，而且保证了测量的效率。
4)数据的显示与储存
测试给出360个测试点的数据，这些数据点分布在一个15行、24列的方格点阵上。每一个点都有自己的横坐标、纵坐标、磁感应强度的横向分量和磁感应强度的纵向分量。测试完毕，数据和图片都能保存和输出。导出数据后，使用Origin7.5绘制轴向磁感应强度和垂直于轴线方向磁感应强度的三维分布图。利用Mat lab可以绘制出磁力线的二维分布图样。
测试过程:
图1为本新型磁场描绘仪的系统连接图，本发明主要由霍尔元件探头位移系统、亥姆霍兹线圈、RS485数据采集卡、上位机、STC89C52单片机、ZD-8731步进电机驱动器、42HBS48BJ4步进电机、第一直流稳压电源、第二直流稳压电源、第三直流稳压电源构成。数据采集卡选用长空电子生产的20路RS485采集卡，能同时实现20路信号的转换。第三直流稳压电源的正负极分别与“线圈”的两个电极相连，建立待测磁场。霍尔元件探头的15个SS491B霍尔元件输出端依次与RS485采集卡的15个模拟量输入端相连接。第一直流稳压电源的正极与15个霍尔元件的正极相连，第一直流稳压电源的负极与15个霍尔元件的负极相连。RS485采集卡COM端连接到第一直流稳压电源负极相连的接线柱上。RS485采集卡的V+与步进电机驱动器的并联后接到第二直流稳压电源的正极；RS485采集卡的V-与步进电机驱动器的并联后接到第二直流稳压电源的负极。RS485采集卡的485G接到RS485转232双向转换器的GND，RS485采集卡的485A+接到RS485转232双向转换器的T/R+，RS485采集卡的485B-接到RS485转232双向转换器的T/R-。RS485转232双向转换器的串口端与上位机的串口通过九针串口线连接。
图2是本发明的霍尔元件探头位移系统结构图。
霍尔元件探头位移系统由STC89C52单片机、ZD-8731步进电机驱动器、42HBS48BJ4步进电机，丝杠导轨(加载有霍尔元件探头)和第二直流稳压电源构成。步进电机的四根线分别与步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-连接。步进电机驱动器的和分别与第二直流稳压电源的正极和负极连接。步进电机驱动器的PUL+(+5V)和DIR+(+5V)并联后接STC89C52单片机的P40口。步进电机驱动器的PUL-(PUL)接STC89C52单片机的P8口。步进电机驱动器的DIR-(DIR)接STC89C52单片机的P7口。STC89C52单片机的P20口接地。STC89C52单片机的P18口与P19口之间接一个11.0592MHz的晶振。STC89C52单片机的P10口和P11口通过USB线与上位机的USB接口连接。霍尔元件探头固定在丝杠的滑块上。霍尔元件的排列方向要与丝杠的轴向刚好垂直，调整好高度后固定住。
图3为本发明的霍尔探头结构图
所用霍尔探头由15个SS491B型霍尔元件沿着垂直于轴线方向、对称地排成一排构成。根据载流线圈磁场分布的特点，在轴线上只需要安装1个测量沿轴线方向磁感应强度的霍尔元件；左右两边在对称位置各安装7个霍尔元件，一边测量沿轴线方向磁感应强度，一边测量垂直于轴线方向磁感应强度。
图4为本发明的上位机控制系统流程图
上位机控制系统，通过步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠导轨运动，从而实现霍尔元件探头的移动；通过RS485采集卡获得霍尔元件探头输出的电压数据，利用软件进行画图，给出磁感应强度分布的直观图像，并保存数据和图像。包括以下步骤：
(1)开始
(2)设置通信1参数和通信2参数
(3)选择扫描方式
(4)设置采样周期
(5)画图
(6)保存
(7)结束
测量结果：
利用本发明的新型磁场描绘仪，测量了单个载流圆线圈和亥姆霍兹线圈在轴线方向和垂直于轴线方向的磁感应强度数值，线圈有效半径110mm，单个线圈匝数500匝，两线圈中心间距110mm，线圈中励磁电流为500mA。
采用本发明的新型磁场描绘仪测量了单个载流圆线圈和亥姆霍兹线圈在轴线方向和垂直于轴线方向的磁感应强度。将本发明的新型磁场描绘仪保存的数据用Origin软件处理，可得到单个载流圆线圈轴线方向磁感应强度分布图、单个载流圆线圈垂直轴线方向磁感应强度分布图、亥姆霍兹线圈轴线方向磁感应强度分布图和亥姆霍兹线圈垂直轴线方向磁感应强度分布图，分别如图5、图6、图7和图8所示。用Mat lab处理，可得到载流线圈的磁力线分布。单个载流圆线圈的磁力线分布如图9所示。
Claims (3)
1.一种新型磁场描绘仪，由数据采集系统，霍尔元件探头位移系统和上位机控制系统三部分构成；数据采集系统由霍尔元件探头、RS485采集卡、RS485转232双向转换器、亥姆霍兹线圈、第一直流稳压电源和第二直流稳压电源组成；霍尔元件探头共有15个霍尔元件，分别与RS485采集卡的模拟输入端AIN1-15连接；RS485采集卡由第二直流稳压电源供电；RS485采集卡的485G接到RS485转232双向转换器的GND，RS485采集卡的485A+接到RS485转232双向转换器的T/R+，RS485采集卡的485B-接到RS485转232双向转换器的T/R-，RS485转232双向转换器的串口端与上位机的串口链接；亥姆霍兹线圈置于描绘平台上，亥姆霍兹线圈的两个接线柱分别与第三直流稳压电源的正负极链接，产生的磁场为待测磁场，RS485采集卡的COM接到第一直流稳压电源的负极上；霍尔元件探头位移系统由STC89C52单片机、步进电机驱动器、步进电机和丝杠导轨构成；所述丝杠导轨由设置在机箱架上的丝杆和与丝杆配合的丝杆滑块构成，步进电机由步进电机驱动器连接控制，所述步进电机驱动器由第二直流稳压电源供电，步进电机驱动器的PUL+和DIR+并联后接STC89C52单片机的P40口，步进电机驱动器的PUL-接STC89C52单片机的P8口，步进电机驱动器的DIR-接STC89C52单片机的P7口，STC89C52单片机的P20口接地，STC89C52单片机的P18口与P19口之间接一个11.0592MHz的晶振，STC89C52单片机的P10口和P11口通过USB线与上位机的USB接口连接；所述丝杠导轨步进电机连接所述霍尔元件探头固定在丝杠滑块上，霍尔元件的排列方向与丝杠的轴向垂直，亥姆霍兹线圈的轴线上安装一个测量沿轴线方向磁感应强度的霍尔元件，其左右两边位置的霍尔元件对称，一边的霍尔元件测量沿轴线方向磁感应强度，另一边的霍尔元件测量垂直于轴线方向磁感应强度；上位机控制系统，通过步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠滑块运动，从而实现霍尔元件探头的运动；通过RS485采集卡获得霍尔元件探头的电压数据，由上位机绘制出磁感应强度分布的图像，并保存数据和图像，所述霍尔元件探头水平排布的间距是10.16mm，霍尔元件探头的整体宽度为142.24mm，所述亥姆霍兹线圈有效半径110mm，单个线圈匝数500匝，两线圈中心间距110mm，霍尔元件探头在轴线方向可以移动233.68mm。
2.如权利要求1所述新型磁场描绘仪，其特征在于：所述步进电机的步距角为1.8°，丝杆的导程为1mm，步进电机每走一步，霍尔探头在竖直方向移动0.005mm，脉冲周期为2mS，数据采集周期为4064mS。
3.如权利要求1所述新型磁场描绘仪，其特征在于：所述第一直流稳压电源给所有的霍尔元件供电，电压为4.5-10.5V；所述第二直流稳压电源给步进电机驱动器和RS485采集卡供电，电压12-24V；所述第三直流稳压电源给亥姆霍兹线圈供电，建立待测磁场，励磁电流约500mA。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110068737A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-30 | 武汉科技大学 | 一种模拟和探测流体运动所致电磁现象的装置 |
| CN111537926A (zh) * | 2020-05-20 | 2020-08-14 | 河北工业大学 | 一种适用于多场景空间磁场的测量系统及测量方法 |
| CN111564092A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-08-21 | 湖北第二师范学院 | 一种可将测量信息显示的空间磁场描绘仪 |
| CN114446130A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-05-06 | 中国地质大学（北京） | 基于麦克斯韦理论的感生磁场探究实验装置和实验方法 |
| CN115810303A (zh) * | 2021-09-14 | 2023-03-17 | 南开大学 | 一种新型法拉第电磁感应实验装置 |
| CN116295256A (zh) * | 2023-05-22 | 2023-06-23 | 天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司 | 一种全自动深层土体沉降测量方法及装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201017506Y (zh) * | 2007-02-09 | 2008-02-06 | 杭州大华仪器制造有限公司 | 三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪 |
| CN201387681Y (zh) * | 2008-12-11 | 2010-01-20 | 浙江天煌科技实业有限公司 | 一种亥姆霍兹线圈磁场测定实验装置 |
| CN202383901U (zh) * | 2011-11-18 | 2012-08-15 | 华北电力大学（保定） | 霍尔效应及磁场测定实验装置 |
| CN103520836A (zh) * | 2013-10-14 | 2014-01-22 | 重庆大学 | 基于亥姆霍兹线圈和igbt模块的均匀脉冲磁场发生器 |
| CN104408997A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-03-11 | 南阳理工学院 | 新型静电场描绘仪 |
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2018
- 2018-04-19 CN CN201810351823.7A patent/CN108564862B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201017506Y (zh) * | 2007-02-09 | 2008-02-06 | 杭州大华仪器制造有限公司 | 三维亥姆霍兹线圈磁场实验仪 |
| CN201387681Y (zh) * | 2008-12-11 | 2010-01-20 | 浙江天煌科技实业有限公司 | 一种亥姆霍兹线圈磁场测定实验装置 |
| CN202383901U (zh) * | 2011-11-18 | 2012-08-15 | 华北电力大学（保定） | 霍尔效应及磁场测定实验装置 |
| CN103520836A (zh) * | 2013-10-14 | 2014-01-22 | 重庆大学 | 基于亥姆霍兹线圈和igbt模块的均匀脉冲磁场发生器 |
| CN104408997A (zh) * | 2014-11-06 | 2015-03-11 | 南阳理工学院 | 新型静电场描绘仪 |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110068737A (zh) * | 2019-04-17 | 2019-07-30 | 武汉科技大学 | 一种模拟和探测流体运动所致电磁现象的装置 |
| CN111537926A (zh) * | 2020-05-20 | 2020-08-14 | 河北工业大学 | 一种适用于多场景空间磁场的测量系统及测量方法 |
| CN111537926B (zh) * | 2020-05-20 | 2022-05-17 | 河北工业大学 | 一种适用于多场景空间磁场的测量系统及测量方法 |
| CN111564092A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-08-21 | 湖北第二师范学院 | 一种可将测量信息显示的空间磁场描绘仪 |
| CN115810303A (zh) * | 2021-09-14 | 2023-03-17 | 南开大学 | 一种新型法拉第电磁感应实验装置 |
| CN114446130A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-05-06 | 中国地质大学（北京） | 基于麦克斯韦理论的感生磁场探究实验装置和实验方法 |
| CN116295256A (zh) * | 2023-05-22 | 2023-06-23 | 天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司 | 一种全自动深层土体沉降测量方法及装置 |
| CN116295256B (zh) * | 2023-05-22 | 2023-08-15 | 天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司 | 一种全自动深层土体沉降测量方法及装置 |
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| Publication number | Publication date |
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