CN108761214B - 一种自适应表面磁场测量平台及测量方法 - Google Patents

一种自适应表面磁场测量平台及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有的磁场测量设备无法自动跟踪非标准平面的表面磁场的局限性，设计了一种自适应表面磁场测量平台，该测量平台由上位机，三轴可控位移滑台，两轴可控姿态调整装置，三个呈等腰直角三角形分布的超声波测距传感器以及表面磁场测量探头组成。上位机利用三个呈等腰直角三角形分布的超声波测距传感器检测该测量探头与待测表面相对位置，从而控制三轴可控位移滑台和两轴可控姿态调整装置，将磁场测量探头精确定位到电气设备指定的表面高度，并在测量过程中始终保持测量平面平行或者相切于电气设备表面，实现电气设备表面磁场的测量，并绘制表面磁场分布图像，直观反映电气设备表面磁场分布。

Description

一种自适应表面磁场测量平台及测量方法
技术领域
本发明属于磁场测量领域，特别是涉及到实现电气设备表面磁场测量的一种自适应表面磁场测量平台及测量方法。
背景技术
评估电气设备表面磁场强弱时，需要直观反映电气设备表面磁场分布的测量数据，因此实现电气设备表面磁场的测量是非常重要的。但是现有的磁场测量产品只能针对待测电气设备某一具体坐标进行测量，持续性差，没有自适应功能，尤其是对于表面呈曲面的电气设备，很难定位其表面高度，那么电气设备表面磁场的精确测量就无从谈起。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种自适应表面磁场测量平台及测量方法，针对现有的磁场测量设备无法自动跟踪非标准平面的表面磁场的局限性，可以将磁场测量探头精确定位到电气设备指定的表面高度，实现电气设备表面磁场的测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种自适应表面磁场测量平台，包括上位机(1)、三轴可控位移滑台(2)、两轴可控姿态调整机构(3)、表面磁场测量探头(5)，所述两轴可控姿态调整机构(3)安装在所述三轴可控位移滑台(2)上，所述表面磁场测量探头(5)夹持在所述两轴可控姿态调整机构(3)上，所述表面磁场测量探头(5)设有超声波测距传感器(4)；
所述表面磁场测量探头(5)、超声波测距传感器(4)信号连接上位机(1)，所述上位机(1)连接并控制所述三轴可控位移滑台(2)、两轴可控姿态调整机构(3)、表面磁场测量探头(5)。
进一步的，所述三轴可控位移滑台(2)包括X、Y、Z三个可滑动的轴，每个轴都受上位机(1)控制；在Z轴上设有机械臂，机械臂设有旋转件，旋转件上设有前螺孔和侧螺孔，用于安装两轴可控位置调整机构(3)；所述侧螺孔位置可通过旋转件进行调节；
当两轴可控位置调整机构(3)安装在前螺孔时，主要用于捕捉和定位与待测表面竖直方向相切或者平行的平面；当两轴可控位置调整机构(3)安装在侧螺孔时，通过手动旋转机械臂上的旋转件改变侧螺孔位置来捕捉和定位与待测表面水平方向相切或者平行的平面。
进一步的，所述两轴可控位置调整机构(3)包括横向转轴和纵向转轴，所述横向转轴和纵向转轴可旋转角度都为360度，所述纵向转轴通过连接臂连接所述横向转轴，所述横向转轴上安装固定夹具，用于夹持表面磁场测量探头(5)。
进一步的，所述表面磁场测量探头(5)为方形，每个边缘装有一个由步进电机驱动的可自由转动的方形扁平线圈，所述上位机(1)控制步进电机驱动线圈旋转，找到磁感线垂直穿过线圈时线圈的角度，然后测量此处的磁场大小，反馈给上位机(1)。
进一步的，所述超声波测距传感器(4)分布在表面磁场测量探头(5)的中央，呈等腰直角三角形分布，用于测量表面磁场测量探头(5)和待测平面之间的距离并反馈给上位机(1)，上位机(1)再通过控制三轴可控位移滑台(2)和两轴可控位置调整装置(3)捕捉与待测平面平行或者相切的平面。
本发明的另一方面，还提供了一种应用上述测量平台的测量方法，上位机(1)根据超声波测距传感器(4)反馈回的距离信号通过控制三轴可控位移滑台(2)和两轴可控姿态调整机构(3)将磁场测量探头(5)精确定位到电气设备指定的表面高度，并在测量过程中始终保持测量平面平行或者相切于电气设备表面，然后通过表面磁场测量探头(5)进行磁场测量，并由上位机(1)记录和绘制整个测量平面的磁场强度分布图。
进一步的，所述磁场测量探头(5)精确定位的具体过程包括：
S1、测试平台放置到待测电气设备附近，利用上位机(1)设定待测电气设备表面高度H；
S2、使用三个呈等腰直角三角形分布的超声波测距传感器(4)a、b、c；b位于直角顶点，a、c分别为底角的顶点，三个传感器分别检测与待测表面相对位置，得到三个距离参数A，B，C反馈给上位机(1)，上位机(1)比较三个距离参数的大小，并将最小距离设定为标准距离；
S3、上位机(1)控制三轴可控位移滑台(2)移动磁场测量探头(5)，使最小距离的传感器距待测设备表面高度为H；
S4、按照最小距离的传感器为等腰直角三角形的直角顶点b或底角顶点a、c的不同，采用不同方法控制三轴可控位移滑台(2)和两轴可控姿态调整机构(3)，使三个距离参数A，B，C都等于H。
更进一步的，步骤S4中，最小距离的传感器为等腰直角三角形的直角顶点b，标准距离为B，则调整方法为：
S101、上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器a距离待测电气设备的高度，直到A等于B为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H；
S102、上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a、b移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝A＝H；
S103、以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离C的大小，若此时距离C大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器c距离待测电气设备的高度，直到C等于B为止，此时距离C和距离B都大于指定高度H；
S104、上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时C＝A＝B＝H。
更进一步的，步骤S4中，最小距离的传感器为等腰直角三角形的底角顶点，则调整方法为：
S201、若底角顶点为a、则标准距离为A，由上位机(1)以标准距离A为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a移动到距待测设备表面高度为H处，此时A等于H，B和C都大于H；
S202、上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器b距离待测电气设备的高度，直到B等于A为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H；
S203、上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a、b移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝A＝H；
S204、以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离C的大小，若此时距离C大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器c距离待测电气设备的高度，直到C等于B为止，此时距离C和距离B都大于指定高度H；
S205、由上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时C＝B＝A＝H；
S206、若底角顶点为c、则标准距离为C，后续方法与上述步骤一致。
进一步的，所述表面磁场测量探头(5)进行磁场测量的具体方法为：
表面磁场测量探头(5)为方形，每个边缘装有一个由步进电机驱动的可自由转动的方形扁平线圈，上位机(1)控制步进电机驱动线圈旋转，找到磁感线垂直穿过线圈时线圈的角度，然后测量此处的磁场大小反馈给上位机(1)，此处即为磁场强度最大值的点。
相对于现有技术，本发明所述的一种自适应表面磁场测量平台及测量方法具有以下优势：
通过本发明可以将磁场测量探头精确定位到电气设备指定的表面高度，尤其是针对表面呈曲面的电气设备，有自适应功能，可实现电气设备表面磁场的精确定位及其测量，从而绘制表面磁场分布图像，直观反映电气设备表面磁场分布。克服了现有产品只能针对某一具体坐标进行测量的弊端，对于评估电气设备表面磁场强弱有着重要意义，具有广阔的市场应用场景。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是三轴可控位移滑台(2)的结构图；
图3是两轴可控姿态调整机构(3)的结构图；
图4是三轴可控位移滑台(2)与两轴可控姿态调整机构(3)的对接结构图；
图5是表面磁场测量探头(5)的结构图；
图6是表面磁场测量探头(5)上的线圈结构图。
其中：
(1):上位机；(2):三轴可控位移滑台；(3):两轴可控姿态调整机构；
(4):三个呈直角三角分布的超声波测距传感器；
(5):表面磁场测量探头；
6、X轴； 7、Y轴； 8、Z轴；
9、机械臂； 10、旋转件； 11、横向转轴；
12、纵向转轴； 13、螺丝； 14、前螺孔；
15、侧螺孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种自适应表面磁场测量平台，包含有：上位机(1)，三轴可控位移滑台(2)，两轴可控姿态调整机构(3)，三个呈等腰直角三角形分布的超声波测距传感器(4)以及表面磁场测量探头(5)组成，所述两轴可控姿态调整机构(3)安装在所述三轴可控位移滑台(2)上，所述表面磁场测量探头(5)夹持在所述两轴可控姿态调整机构(3)上，所述超声波测距传感器(4)设置在表面磁场测量探头(5)上；
所述表面磁场测量探头(5)、超声波测距传感器(4)信号连接上位机(1)，所述上位机(1)连接并控制所述三轴可控位移滑台(2)、两轴可控姿态调整机构(3)、表面磁场测量探头(5)。
如图2所示所述的三轴可控位移滑台(2)由三个滑动的轴组成，分为X轴6、Y轴7、Z轴8，每个轴都受上位机(1)控制，三个轴可以联动，用于定位表面磁场测量探头(5)到待测表面的距离。在Z轴8上装有一个机械臂9，在该机械臂9上设有旋转件10，旋转件10上设有前螺孔14和侧螺孔15，
可安装两轴可控位置调整机构(3)。
如图3所示，所述的两轴可控位置调整机构(3)由上下和左右角度可以自由旋转的两个轴组成，即横向转轴11和纵向转轴12，可旋转角度都为360度。两轴可控位置调整机构(3)可通过长螺栓固定在三轴可控位移滑台(2)的Z轴8的机械臂9上，两轴可控位置调整机构(3)可自由调整测距传感器与待测表面的位置和距离。
如图4所示，Z轴机械臂有两个螺孔，分别为前螺孔和侧螺孔，且侧螺孔位置可通过机械臂上的旋转部件进行改变。当两轴可控位置调整机构(3)通过螺丝13安装在前螺孔14时，主要用于捕捉和定位与待测表面竖直方向相切或者平行的平面。当两轴可控位置调整机构(3)安装在侧螺孔15时，可以通过手动旋转机械臂9上的旋转件10改变侧螺孔位置来捕捉和定位与待测表面水平方向相切或者平行的平面。
如图5所示，所述的超声波测距传感器(4)分布在表面磁场测量探头(5)的中央，呈等腰直角三角形分布。其主要功能是测量表面磁场测量探头(5)和待测平面之间的距离并反馈给上位机(1)。
如图5所示，表面磁场测量探头(5)每个边缘装有一个由步进电机驱动的可自由转动的方形扁平线圈，上位机(1)可以控制步进电机驱动线圈旋转，找到磁感线垂直穿过线圈时线圈的角度，然后测量此处的磁场大小反馈给上位机。根据电磁感应原理，此处即为磁场强度最大值的点。线圈装设步进电机的目的是为了可以快速找到磁感线垂直穿过线圈时线圈的角度；设计为方形扁平是为了捕捉与待测电气设备指定高度表面平行或者相切的平面，可尽可能减小测量误差。线圈由线径为0.25mm的铜线双层绕制而成，线圈的长度为30mm，宽度为5mm，厚度为5mm。步进电机是受上位机(1)控制的，每个线圈都可自由按照一定的角速度进行旋转，角速度是可以由上位机(1)设定的，控制线圈旋转一周后，找到每个线圈所在位置磁场强度的最大值，即为我们要测量的磁场值。
测量时，将该测试平台放置到待测电气设备附近，利用上位机(1)设定待测电气设备表面高度H，之后，打开的三个呈等腰直角三角形分布的超声波测距传感器(4)检测传感器a、b、c与待测表面相对位置，得到三个距离参数A，B，C反馈给上位机(1)，其中传感器a与b之间以及传感器b与c之间的距离相等，传感器b为等腰直角三角形的直角顶点，传感器a与c为底角顶点。
上位机(1)比较三个距离参数的大小，并将最小距离设定为标准距离，分为以下三种情况：
一、假设传感器a距离待测平面的距离最小，距离为A，由上位机(1)以标准距离A为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a移动到距待测设备表面高度为H处，此时A等于H，B和C都大于H。之后，由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器b距离待测电气设备的高度，直到B等于A为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H，再由上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a、b移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝A＝H。之后，以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离C的大小，若此时距离C大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器c距离待测电气设备的高度，直到C等于B为止，此时距离C和距离B都大于指定高度H，再由上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时C＝B＝A＝H。
二、假设传感器b距离待测平面的距离最小，距离为B，由上位机(1)以标准距离B为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器b移动到距待测设备表面高度为H处，此时B等于H，A和C都大于H。之后，由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器a距离待测电气设备的高度，直到A等于B为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H，再由上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a、b移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝A＝H。之后，以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离C的大小，若此时距离C大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器c距离待测电气设备的高度，直到C等于B为止，此时距离C和距离B都大于指定高度H，再由上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时C＝A＝B＝H。
三、假设传感器c距离待测平面的距离最小，距离为C，由上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器c移动到距待测设备表面高度为H处，此时C等于H，A和B都大于H。之后，由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器b距离待测电气设备的高度，直到B等于C为止，此时距离B和距离C都大于指定高度H，再由上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器b、c移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝C＝H。之后，以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离A的大小，若此时距离A大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器a距离待测电气设备的高度，直到A等于B为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H，再由上位机(1)以标准距离A为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时A＝B＝C＝H。
上述是每次确定测量平面平行或者相切于电气设备表面的过程。确定完成后，利用表面磁场测量探头(5)测量此处的表面磁场强度，而后移动到下一个位置重复以上步骤，如此循环。其测量步长为探头的大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (8)

1.一种自适应表面磁场测量平台，其特征在于，包括上位机(1)、三轴可控位移滑台(2)、两轴可控姿态调整机构(3)、表面磁场测量探头(5)，所述两轴可控姿态调整机构(3)安装在所述三轴可控位移滑台(2)上，所述表面磁场测量探头(5)夹持在所述两轴可控姿态调整机构(3)上，所述表面磁场测量探头(5)设有超声波测距传感器(4)；
所述表面磁场测量探头(5)、超声波测距传感器(4)信号连接上位机(1)，所述上位机(1)连接并控制所述三轴可控位移滑台(2)、两轴可控姿态调整机构(3)、表面磁场测量探头(5)；
应用所述测量平台执行测量方法，包括：
上位机(1)根据超声波测距传感器(4)反馈回的距离信号通过控制三轴可控位移滑台(2)和两轴可控姿态调整机构(3)将磁场测量探头(5)精确定位到电气设备指定的表面高度，并在测量过程中始终保持测量平面平行或者相切于电气设备表面，然后通过表面磁场测量探头(5)进行磁场测量，并由上位机(1)记录和绘制整个测量平面的磁场强度分布图；
所述磁场测量探头(5)精确定位的具体过程包括：
S1、测试平台放置到待测电气设备附近，利用上位机(1)设定待测电气设备表面高度H；
S2、使用三个呈等腰直角三角形分布的超声波测距传感器(4)a、b、c；b位于直角顶点，a、c分别为底角的顶点，三个传感器分别检测与待测表面相对位置，得到三个距离参数A，B，C反馈给上位机(1)，上位机(1)比较三个距离参数的大小，并将最小距离设定为标准距离；
S3、上位机(1)控制三轴可控位移滑台(2)移动磁场测量探头(5)，使最小距离的传感器距待测设备表面高度为H；
S4、按照最小距离的传感器为等腰直角三角形的直角顶点b或底角顶点a、c的不同，采用不同方法控制三轴可控位移滑台(2)和两轴可控姿态调整机构(3)，使三个距离参数A，B，C都等于H。
2.根据权利要求1所述的一种自适应表面磁场测量平台，其特征在于，所述三轴可控位移滑台(2)包括X、Y、Z三个可滑动的轴，每个轴都受上位机(1)控制；在Z轴上设有机械臂，机械臂设有旋转件，旋转件上设有前螺孔和侧螺孔，用于安装两轴可控位置调整机构(3)；所述侧螺孔位置可通过旋转件进行调节；
当两轴可控位置调整机构(3)安装在前螺孔时，主要用于捕捉和定位与待测表面竖直方向相切或者平行的平面；当两轴可控位置调整机构(3)安装在侧螺孔时，通过手动旋转机械臂上的旋转件改变侧螺孔位置来捕捉和定位与待测表面水平方向相切或者平行的平面。
3.根据权利要求1所述的一种自适应表面磁场测量平台，其特征在于，所述两轴可控位置调整机构(3)包括横向转轴和纵向转轴，所述横向转轴和纵向转轴可旋转角度都为360度，所述纵向转轴通过连接臂连接所述横向转轴，所述横向转轴上安装固定夹具，用于夹持表面磁场测量探头(5)。
4.根据权利要求1所述的一种自适应表面磁场测量平台，其特征在于，所述表面磁场测量探头(5)为方形，每个边缘装有一个由步进电机驱动的可自由转动的方形扁平线圈，所述上位机(1)控制步进电机驱动线圈旋转，找到磁感线垂直穿过线圈时线圈的角度，然后测量此处的磁场大小，反馈给上位机(1)。
5.根据权利要求1所述的一种自适应表面磁场测量平台，其特征在于，所述超声波测距传感器(4)分布在表面磁场测量探头(5)的中央，呈等腰直角三角形分布，用于测量表面磁场测量探头(5)和待测平面之间的距离并反馈给上位机(1)，上位机(1)再通过控制三轴可控位移滑台(2)和两轴可控位置调整装置(3)捕捉与待测平面平行或者相切的平面。
6.根据权利要求1所述的测量平台，其特征在于，步骤S4中，最小距离的传感器为等腰直角三角形的直角顶点b，标准距离为B，则调整方法为：
S101、上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器a距离待测电气设备的高度，直到A等于B为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H；
S102、上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a、b移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝A＝H；
S103、以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离C的大小，若此时距离C大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器c距离待测电气设备的高度，直到C等于B为止，此时距离C和距离B都大于指定高度H；
S104、上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时C＝A＝B＝H。
7.根据权利要求1所述的测量平台，其特征在于，步骤S4中，最小距离的传感器为等腰直角三角形的底角顶点，则调整方法为：
S201、若底角顶点为a、则标准距离为A，由上位机(1)以标准距离A为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a移动到距待测设备表面高度为H处，此时A等于H，B和C都大于H；
S202、上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的横向转轴调整传感器b距离待测电气设备的高度，直到B等于A为止，此时距离A和距离B都大于指定高度H；
S203、上位机(1)以标准距离H为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将传感器a、b移动到距离待测设备表面高度为H处，此时B＝A＝H；
S204、以距离B为标准距离，并由上位机(1)比较此时的距离B与距离C的大小，若此时距离C大于距离B，则由上位机(1)控制两轴可控姿态调整装置(3)的纵向转轴调整传感器c距离待测电气设备的高度，直到C等于B为止，此时距离C和距离B都大于指定高度H；
S205、由上位机(1)以标准距离C为参考，控制三轴可控位移滑台(2)将表面磁场测量探头(5)移动到距离待测设备表面高度为H处，此时C＝B＝A＝H；
S206、若底角顶点为c、则标准距离为C，后续方法与上述步骤一致。
8.根据权利要求1所述的测量平台，其特征在于，所述表面磁场测量探头(5)进行磁场测量的具体方法为：
表面磁场测量探头(5)为方形，每个边缘装有一个由步进电机驱动的可自由转动的方形扁平线圈，上位机(1)控制步进电机驱动线圈旋转，找到磁感线垂直穿过线圈时线圈的角度，然后测量此处的磁场大小反馈给上位机(1)，此处即为磁场强度最大值的点。
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