CN108572332A - 基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统 - Google Patents

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熊慧
孟帅
刘近贞
罗小慧
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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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Abstract

本发明提供一种基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统。该基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统其中包括含：三维磁场测量传感器，三维磁场测量传感器系数标定平台‑三维螺线管，数据采集与处理平台和磁场实时显示平台。该系统能够同时标定多个三维磁场测量传感器，将若干已标定的三维磁场测量传感器放置于待测磁场空间中，能够通过PC端实时显示多点磁场分布情况。该系统可用于研究多领域的磁场分布。

Description

基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统
技术领域
本发明属于磁场测量技术领域。特别涉及一种基于阵列传感器的三维磁场测量与标定的方法。
背景技术
随着人们对电磁感应、电磁效应等物理原理的不断研究，磁场测量技术得到了快速的发展。磁场测量技术的应用范围不断的扩展。目前磁场测量技术也已应用与跨学科领域，例如生物电磁医学、军事空间技术工程以及地球物理等。任意方向磁场强度的测量对三维磁场测量提出了较高的要求。采用三维磁场测量传感器的方案对三维磁场进行测量，为了提高测量精度，需要对三维磁场测量传感器进行系数标定。
中国发明专利“便携式三维磁场测量系统及其测量方法”(公开号：CN104407313A，公开日期：2015年3月10日)涉及一种基三维磁场测量系统，但其只能测量单点磁场。
为了弥补以上专利的不足，本发明提供一种基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统，该系统能够同时标定多个三维磁场测量传感器，将若干已标定的三维磁场测量传感器放置于待测磁场空间中，能够通过PC端实时显示多点磁场分布情况。该系统可用应用于不同磁场测量领域。
发明内容
本发明提供了一种基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统，该基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统其中包括含：三维磁场测量传感器，三维磁场测量传感器容纳单元，三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管，数据采集与处理平台和磁场实时显示平台。
本发明所设计的三维磁场测量传感器由两两相互垂直的三个正方向线圈组成，三个线圈的匝数N1相同，分别固定在边长为a的正方体骨架上，
本发明所设计的三位磁场测量传感器容纳单元以边长为b的正方体为载体，正方体中心位置处存在边长为a的正方体凹槽。容纳单元的目的为，放置已知电磁导率溶液，固定和隔离三维磁场测量传感器。
本发明所设计的三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管由六个相同的独立螺线管组成。螺线管骨架为圆柱形，其中外直径为Dout，内直径为Din，长度为L，将直径为d的漆包线密绕于螺线管骨架外表面，匝数为N2。六个螺线管分为三组，每组由两个螺线管组成。组内螺线管同轴心，螺线管之间的间距为H。组间螺线管相互垂直且呈中心对称分布。
本发明所设计的数据采集与处理平台由AD采集，数据存储，数据传输和FPGA数据处理组成。
本发明所涉及的磁场实时显示平台为PC端Labview设计的数据显示平台。
本发明采用以下标定方案标定三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管：以三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管中心对称点为原点O，建立空间直角坐标系O-XYZ。中心轴线平行于m(X，Y，Z)轴的螺线管记为m轴螺线管。
进一步，将X轴螺线管通入幅值可调的直流电流Ix，测量三维螺线管间距空间内任意点的磁场强度，记为Bx，By，Bz，其中Bm表示磁场方向与m轴平行。
进一步，计算三维螺线管间距空间内任意点处磁场强度与通入X轴螺线管中电流的关系，记为Kmx(m为x，y，z)。
进一步，同理测量并计算三维螺线管间距空间内任意点处磁场强度与通入Y轴或者Z轴螺线管中电流的关系，记为Kmy(m为x，y，z)和Kmz(m为x，y，z)。
进一步，任意三维螺线管间距空间内任意点处磁场强度(Bx，By，Bz)T和通入螺线管的电流(Ix，Iy，Iz)T的关系可由Kmx，Kmy，Kmz构成的系数矩阵表示。
进一步，对系数矩阵进行校正，使螺线管等效为理想螺线管。理想螺线管内磁场方向平行于坐标轴。
本发明采用以下标定方案标定三维磁场测量传感器：将若干阵列分布且呈中心对称的三维磁场测量传感器放置于三维磁场测量传感器标定平台-三维螺线管原点处，任意三维磁场测量传感器的三个线圈均平行于直角坐标系的坐标轴。
进一步，将X轴螺线管通入已知频率f和幅值A的余弦电流，Y轴和Z轴螺线管不通入电流，测量三维磁场测量传感器三个线圈的感应电动势，分别记为ex，ey，ez，其中em(m为x，y或z)表示线圈与m(X，Y，Z)轴垂直，测量螺线管中通入的电流幅值，记为I1x。
进一步，改变余弦电流的幅值A，分别测量ez，ey，ez和I1x。
进一步，依据螺线管通入电流I和三维磁场测量传感器所在位置处磁场强度B′的关系计算理想情况下该位置处的磁场强度Bx′。
进一步，依据感应电动势E和磁场强度B的关系计算三维磁场测量传感器线圈的标定系数，记为K1mx(m为x，y或z)
进一步，同理测量并计算三维磁场测量传感器线圈的标定系数K1my和K1mz(m为x，y或z)。
进一步，任意三维磁场测量传感器感应电动势(ex，ey，ez)T和所在位置处的理想磁场强度(Bx′，By′，Bz′)T的关系可由K1mx，K1my，K1mz构成的系数矩阵表示。
进一步，对系数矩阵进行校正，使三维磁场测量传感器线圈等效为理想线圈。理想线圈中每匝线圈间无间隙。
本发明采用以下方案测量磁场强度：将阵列三维磁场测量传感器装置放置于所测磁场空间内。
进一步，阵列三维磁场测量传感器通过AD采集感应电动势数据。每个三维磁场测量传感器采集三个感应电动势，称为一组感应电动势数据。
进一步，依据已标定的三维磁场测量传感器位置处磁场强度与通入螺线管电流的关系和三维磁场测量传感器感应电动势与通入螺线管电流的关系，计算三维磁场测量传感器位置处的磁场强度幅值。
附图说明
图1为三维磁场测量传感器骨架
图2为三维磁场测量传感器骨架尺寸图
图3为三维磁场测量传感器线圈绕制方向
图4为阵列三维磁场测量传感器组合示意图
图5为三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管示意图
图6为阵列三维磁场测量传感器标定示意图
图7为经颅磁刺激平台磁场测量示意图
附图中各标号所代表含义如下：
a：三维磁场测量传感器骨架边长
w：三维磁场测量传感器骨架凹槽宽度
d1，d2，d3：三维磁场测量传感器绕制线圈深度
具体实施方式
为了使本发明更容易明白，下面通过具体实施事例进一步进行详细描述。
实施例一，基于经颅磁刺激的三维磁场测量系统。
经颅磁刺激三维磁场测量传感器，如图1所示，以边长为a＝5mm正方体中心位置为原点O1，建立直角坐标系O1-XYZ，分别绕x，y，z轴旋转切割，获得具有一定深度和宽度的凹槽正方体骨架。如图2所示为三维磁场测量传感器骨架尺寸图。根据图3所示方向，将d1＝0.05mm线径的漆包线分别绕制在图1所示骨架凹槽处，将线圈的起始点和终止点分别做以标记。
三维磁场测量传感器容纳单元以边长为b＝2cm的正方体为载体，将三维磁场测量传感器放置于容纳单元中，同时向容纳结构中注入电磁导率溶液，此时组成三维磁场测量传感器最小测量单元。
将若干个经颅磁刺激三维磁场测量传感器最小测量单元进行阵列排布，如图4所示，建立直角坐标系O2-XYZ，以坐标系为基准，三维磁场测量传感器边长为最小单位，为每个经颅磁刺激三维磁场测量传感器进行标号，即(0，0，0)，(0，1，0)，(0，2，0)……
如图5所示为三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管示意图，分别向m(X，Y，Z)轴螺线管通入幅值可调的直流电流，测量三维螺线管间隔空间内存在三维磁场测量传感器位置的磁场强度，计算任意三维磁场测量传感器位置处磁场强度与通入螺线管电流的系数矩阵及校正矩阵。
将阵列三维磁场测量传感器放置于三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管间隔空间中心位置处，如图6所示。分别向m(X，Y，Z)轴螺线管通入已知频率和幅值的余弦电流，测量三维磁场测量传感器线圈的感应电动势与通入螺线管的电流值。计算任意三维磁场测量传感器线圈的感应电动势与该位置处磁场强度的系数矩阵及校正矩阵。
将已标定的阵列三维磁场测量传感器放置于经颅磁刺激平台，如图7所示。采集三维磁场测量传感器线圈感应电动势的值，FPGA依据校正矩阵及系数矩阵计算三维磁场测量传感器所在位置处的磁场强度，并发送至PC端实时显示。
该阵列目标传感器可用于真实头部磁刺激前获得头部磁场分布，对降低经颅磁刺激临床治疗中副作用具有指导意义。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种基于阵列传感器的三维磁场测量与标定系统，其特征在于，包括三维磁场测量传感器，三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管，数据采集与处理平台和磁场实时显示平台。
2.如权利要求书1所述三维磁场测量传感器，其特征在于，该三维磁场测量传感器由两两相互垂直的三个正方向线圈组成，三个线圈的匝数N1相同，分别固定在边长为a的正方体骨架上。
3.如权利要求书1所述三维磁场测量传感器系数标定平台-三维螺线管，其特征在于，该三维螺线管由六个相同的独立螺线管组成。螺线管骨架为圆柱形，其中外直径为Dout，内直径为Din，长度为L，将直径为d的漆包线密绕于螺线管骨架外表面，匝数为N2。
4.如权利要求书3所述六个螺线管分为三组，每组由两个螺线管组成。组内螺线管同轴心，螺线管之间的间距为H。组间螺线管相互垂直且呈中心对称分布。
5.如权利要求书1所述数据采集与处理平台，其特征在于，由AD采集，数据存储，数据传输和FPGA数据处理组成。
6.如权利要求书1所述磁场实时显示平台，其特征在于，由PC端Labview模块化设计。
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