CN113936881B - 一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，包括电流控制系统和负载线圈，所述负载线圈包括隔离套和环绕分布在隔离套外侧的防护罩，所述隔离套两端对称开设有两组用于固定线圈保持架的固定板，且在固定板内侧中部安装有用于线圈缠绕的线圈保持架，所述线圈保持架外侧缠绕有若干层线圈，所述线圈外侧设有用于单层线圈端部限位的限位架。本发明所述的一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，通过设有的电流控制系统和负载线圈，可以保证电流信号预设值输出的准确性与平稳性，实现磁场强度的自动控制，同时通过采用新的线圈绕线方法，可以使负载线圈内部产生均匀的磁场，提高了磁场的均匀度。
Description
技术领域
本发明涉及磁场控制领域，特别涉及一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统。
背景技术
在超导材料研发中，对于像铁基超导这种新兴的超导体来说，其超导机理以及相应独特的性质往往备受研究者们的关注。而超导序参量正是可以揭示电子配对情况及超导机理的物理量。制备并研究铁基超导-传统超导的异质约瑟夫森结是一种表征铁基超导序参量对称情况的有效手段，在研究过程中，部分工序需要在稳定的磁场中进行，而磁场的强度和均匀性则成为试验能否成功的关键因素。
由于种种因素的制约，试验需要采用定制的亥姆霍兹线圈产生足够的磁场，在此之前，亥姆霍兹线圈多采用均匀绕线的方式，这导致线圈内部的磁场均匀度较差，从而使实验结果产生较大的误差，此外，亥姆霍兹线圈中轴线的磁场强度计算公式为：
其中：B为亥姆霍兹线圈中轴线处的磁场强度；u0为磁常数；N为线圈匝数；I为线圈中直流电流值。
根据计算公式可知，在线圈匝数固定的情况下，磁场强度与电流值呈正比，通过控制电流大小即可实现磁场强度的控制，实际运用过程中，负载线圈的供电系统采用整流器控制输出电流的大小，但电路中缺少相对应的检测机构，无法根据整流器的输出值实时进行输出信号的检测，导致输出的电流值不够稳定，为此，我们提出一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统以解决磁场不均匀和负载线圈电流值不稳定的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，通过设有的电流控制系统，可以根据工作需求预先设置运行参数，向负载线圈输出稳定的直流电流信号，实现磁场强度的自动控制，并提出一种新的线圈绕线方法，解决了现有的线圈绕线方式导致内部产生的磁场均匀度较差的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，包括电流控制系统和负载线圈，所述负载线圈包括隔离套和环绕分布在隔离套外侧的防护罩，所述隔离套两端对称开设有两组用于固定线圈保持架的固定板，且在固定板内侧中部安装有用于线圈缠绕的线圈保持架，所述线圈保持架外侧缠绕有若干层线圈，所述线圈外侧设有用于单层线圈端部限位的限位架。
进一步的，所述线圈保持架截面的横向长度为线圈截面直径的整数倍，这种设置可以使最内层的线圈均匀且紧密的排列在线圈保持架的外侧。
进一步的，所述线圈由内层到外层的匝数依次递减，且相邻之间的线圈匝数的差值为1，这种设置可以使共轭线圈匝之间的距离与单匝线圈和线圈保持架中心间的距离相等，使共轭线圈匝之间均满足亥姆霍兹线圈的条件。
进一步的，所述线圈的数量为两组，且呈对称状态分布在隔离套的两侧，位于左侧的所述线圈的线圈匝由左向右与位于右侧的对应层所述线圈的线圈匝均为共轭线圈匝，设有多组共轭线圈匝，且每组共轭线圈匝之间均满足亥姆霍兹线圈的条件，可以提高磁场的均匀性。
进一步的，所述限位架为空心圆柱状设置，且限位架靠近隔离套的一端内侧由内向外依次开设有阶梯状的圆弧凸起，且圆弧凸起的圆弧直径与线圈的截面直径相等。
进一步的，所述电流控制系统包括用于设定工作运行参数的控制界面和输出运行参数的主控单元，所述控制界面通过RS-485通讯电缆与主控单元连接，所述主控单元内部设有用于储存运行参数设定值的扩展模块，且扩展模块电性连接有用于负载线圈电路中电压信号检测和脉冲信号输出的可控硅触发器，所述可控硅触发器信号输出端连接有用于直流电流输出的整流模块。
进一步的，所述整流模块的电流侧输出端和输入端分别串接有用于检测负载线圈电路中电压信号的分流器和用于检测负载线圈电路中直流电流信号的电流变送器，且分流器和电流变送器分别与负载线圈的输入端接线柱和输出端接线柱连接，所述分流器的信号输出端与可控硅触发器连接，所述电流变送器的信号输出端与扩展模块连接。
进一步的，所述整流模块的电压侧输出端和输入端分别串接有电源和交流接触器，且电源和交流接触器的信号输入端均通过RS-485通讯电缆与主控单元连接。
进一步的，该装置的使用步骤如下：
步骤一，将负载线圈组装，根据公式1-1计算得出磁场强度与电流值的关系，并根据试验所需磁场强度变化规律将所需电流值信号的预设值通过控制界面输入主控单元；
步骤二，启动电流控制系统，主控单元控制交流接触器吸合，使回路二中的电路闭合，整流模块的交流侧得电，主控单元根据运行参数自动控制扩展模块的电流值信号预设值输出，分流器的电压信号实时反馈给可控硅触发器，可控硅触发器根据反馈值控制脉冲输出至整流模块，使整流模块输出的直流电流保持恒定，电流变送器可以实时检测加载在负载线圈上的直流电流大小，并且根据电流大小输出电流信号给扩展模块，主控单元实时对比电流信号预设值的的输入与输出，扩展模块输出标准电压信号给可控硅触发器，可控硅触发器提供脉冲信号给整流模块，整流模块输出相应的直流电给负载线圈，进一步保证电流信号预设值输出的准确性与平稳性。
本发明具有如下有益效果：
1、与现有技术相比，通过设有的电流控制系统，根据公式1-1计算得出磁场强度与电流值的关系，并根据试验所需磁场强度变化规律将所需电流值信号的预设值通过控制界面输入主控单元，主控单元控制交流接触器吸合，回路二中的电路闭合，使整流模块的交流侧得电，主控单元根据运行参数自动控制扩展模块的电流值信号预设值输出，分流器的电压信号实时反馈给可控硅触发器，可控硅触发器根据反馈值控制脉冲输出至整流模块，使整流模块输出的直流电流保持恒定，电流变送器可以实时检测加载在负载线圈上的直流电流大小，并且根据电流大小输出电流信号给扩展模块，主控单元实时对比电流信号预设值的的输入与输出，扩展模块输出标准电压信号给可控硅触发器，可控硅触发器提供脉冲信号给整流模块，整流模块输出相应的直流电给负载线圈，进一步保证电流信号预设值输出的准确性与平稳性；
2、与现有技术相比，通过设有的负载线圈，设左侧负载线圈的线圈层数和右侧负载线圈的线圈层由内到外依次为A、B、C、D···和a、b、c、d···，位于左侧负载线圈A层的线圈匝由左往右依次为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10···An，位于右侧负载线圈a层的线圈匝由左往右依次为an···a10、a9、a8、a7、a6、a5、a4、a3、a2、a1，位于左侧负载线圈B层的线圈匝由左往右依次为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10···Bn-1，位于右侧负载线圈b层的线圈匝由左往右依次为bn-1···b10、b9、b8、b7、b6、b5、b4、b3、b2、b1，位于左侧负载线圈C层的线圈匝由左往右依次为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10···Cn-2，位于右侧负载线圈c层的线圈匝由左往右依次为cn-2···c10、c9、c8、c7、c6、c5、c4、c3、c2、c1，位于左侧负载线圈D层的线圈匝由左往右依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10···Dn-3，位于右侧负载线圈d层的线圈匝由左往右依次为dn-3···d10、d9、d8、d7、d6、d5、d4、d3、d2、d1，在负载线圈中，对于A层的线圈匝，A1与an、A2与an-1、A3与an-2、A4与an-3、···An与a1均互为共轭线圈匝，对于B层的线圈匝，B1与bn-1、B2与bn-2、B3与bn-3、B4与bn-4、···Bn-1与b1均互为共轭线圈匝，位于C、D的线圈匝同理，如图7所示，线圈保持架截面的横向长度为L，A层线圈匝中心与线圈保持架中心的距离和两线圈保持架中心距均为R，单匝线圈的直径为d，则对于A和a层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离和线圈半径均为R，对于B和b层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+d，线圈半径均为R+d，对于C和c层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+2d，线圈半径均为R+2d，对于D和d层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+3d，线圈半径均为R+3d，各组共轭线圈之间通过采用新的线圈绕线方法均满足亥姆霍兹线圈的条件，可以使负载线圈内部产生均匀的磁场，解决了现有的线圈绕线方式导致内部产生的磁场均匀度较差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的整体结构示意图；
图2为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统负载线圈的结构示意图；
图3为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统负载线圈的立体图；
图4为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统负载线圈的结构爆炸图；
图5为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统限位架的结构示意图；
图6为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的图5的A处结构示意图；
图7为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的线圈分布结构示意图；
图8为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的线圈匝A层分布结构示意图；
图9为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的线圈匝B层分布结构示意图；
图10为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的线圈匝C层分布结构示意图；
图11为本发明一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统的线圈匝D层分布结构示意图。
图中：1、电流控制系统；101、控制界面；102、主控单元；103、扩展模块；104、可控硅触发器；105、整流模块；106、分流器；107、电流变送器；108、电源；109、交流接触器；2、负载线圈；201、隔离套；202、防护罩；203、固定板；204、线圈保持架；205、线圈；206、限位架。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-11所示，一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，包括电流控制系统1和负载线圈2，负载线圈2包括隔离套201和环绕分布在隔离套201外侧的防护罩202，隔离套201两端对称开设有两组固定板203，且在固定板203内侧中部安装有线圈保持架204，所述线圈保持架204外侧缠绕有若干层线圈205，线圈205外侧设有限位架206。
线圈保持架204截面的横向长度为线圈205截面直径的整数倍。
线圈205由内层到外层的匝数依次递减，且相邻之间的线圈205匝数的差值为1。
线圈205的数量为两组，且呈对称状态分布在隔离套201的两侧，位于左侧的线圈205的线圈匝由左向右与位于右侧的对应层线圈205的线圈匝均为共轭线圈匝。
限位架206为空心圆柱状设置，且限位架206靠近隔离套201的一端内侧由内向外依次开设有阶梯状的圆弧凸起，且圆弧凸起的圆弧直径与线圈的截面直径相等。
通过采用上述技术方案：设左侧负载线圈2的线圈层数和右侧负载线圈的线圈层由内到外依次为A、B、C、D···和a、b、c、d···，位于左侧负载线圈2的A层的线圈匝由左往右依次为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10···An，位于右侧负载线圈2的a层的线圈匝由左往右依次为an···a10、a9、a8、a7、a6、a5、a4、a3、a2、a1，位于左侧负载线圈2的B层的线圈匝由左往右依次为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10···Bn-1，位于右侧负载线圈2的b层的线圈匝由左往右依次为bn-1···b10、b9、b8、b7、b6、b5、b4、b3、b2、b1，位于左侧负载线圈2的C层的线圈匝由左往右依次为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10···Cn-2，位于右侧负载线圈2的c层的线圈匝由左往右依次为cn-2···c10、c9、c8、c7、c6、c5、c4、c3、c2、c1，位于左侧负载线圈2的D层的线圈匝由左往右依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10···Dn-3，位于右侧负载线圈2的d层的线圈匝由左往右依次为dn-3···d10、d9、d8、d7、d6、d5、d4、d3、d2、d1，在负载线圈2中，对于A层的线圈匝，A1与an、A2与an-1、A3与an-2、A4与an-3、···An与a1均互为共轭线圈匝，对于B层的线圈匝，B1与bn-1、B2与bn-2、B3与bn-3、B4与bn-4、···Bn-1与b1均互为共轭线圈匝，位于C、D的线圈匝同理，如图7所示，线圈保持架截面的横向长度为L，A层线圈匝中心与线圈保持架204中心的距离和两线圈保持架204中心距均为R，单匝线圈的直径为d，则对于A和a层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离和线圈205半径均为R，对于B和b层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+d，线圈205半径均为R+d，对于C和c层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+2d，线圈205半径均为R+2d，对于D和d层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+3d，线圈205半径均为R+3d，各组共轭线圈之间通过采用新的线圈绕线方法均满足亥姆霍兹线圈的条件，可以使负载线圈内部产生均匀的磁场，解决了现有的线圈绕线方式导致内部产生的磁场均匀度较差的问题。
实施例2
如图1-11所示，一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，包括电流控制系统1和负载线圈2，负载线圈2包括隔离套201和环绕分布在隔离套201外侧的防护罩202，隔离套201两端对称开设有两组固定板203，且在固定板203内侧中部安装有线圈保持架204，线圈保持架204外侧缠绕有若干层线圈205，线圈205外侧设有限位架206。
电流控制系统1包括控制界面101和主控单元102，控制界面101通过RS-485通讯电缆与主控单元102连接，主控单元102内部设有扩展模块103，且扩展模块103电性连接有可控硅触发器104，可控硅触发器104信号输出端连接有整流模块105。
整流模块105的电流侧输出端和输入端分别串接有分流器106和电流变送器107，且分流器106和电流变送器107分别与负载线圈2的输入端接线柱和输出端接线柱连接，分流器106的信号输出端与可控硅触发器104连接，电流变送器107的信号输出端与扩展模块103连接。
整流模块105的电压侧输出端和输入端分别串接有电源108和交流接触器109，且电源108和交流接触器109的信号输入端均通过RS-485通讯电缆与主控单元102连接。
通过采用上述技术方案：根据公式1-1计算得出磁场强度与电流值的关系，并根据试验所需磁场强度变化规律将所需电流值信号的预设值通过控制界面101输入主控单元102，启动电流控制系统1，主控单元101控制交流接触器109吸合，回路二中的电路闭合，使整流模块105的交流侧得电，主控单元101根据运行参数自动控制扩展模块103的电流值信号预设值输出，分流器106的电压信号实时反馈给可控硅触发器104，可控硅触发器104根据反馈值控制脉冲输出至整流模块105，使整流模块105输出的直流电流保持恒定，电流变送器107可以实时检测加载在负载线圈2上的直流电流大小，并且根据电流大小输出电流信号给扩展模块103，主控单元102实时对比电流信号预设值的的输入与输出，扩展模块103输出标准电压信号给可控硅触发器104，可控硅触发器104提供脉冲信号给整流模块105，整流模块105输出相应的直流电给负载线圈2，进一步保证电流信号预设值输出的准确性与平稳性。
需要说明的是，本发明为一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，在使用时，将负载线圈2组装，根据公式1-1计算得出磁场强度与电流值的关系，并根据试验所需磁场强度变化规律将所需电流值信号的预设值通过控制界面101输入主控单元102，启动电流控制系统1，主控单元102控制交流接触器109吸合，使回路二中的电路闭合，整流模块105的交流侧得电，主控单元102根据运行参数自动控制扩展模块103的电流值信号预设值输出，分流器106的电压信号实时反馈给可控硅触发器104，可控硅触发器104根据反馈值控制脉冲输出至整流模块105，使整流模块105输出的直流电流保持恒定，电流变送器107可以实时检测加载在负载线圈2上的直流电流大小，并且根据电流大小输出电流信号给扩展模块103，主控单元102实时对比电流信号预设值的的输入与输出，扩展模块103输出标准电压信号给可控硅触发器104，可控硅触发器104提供脉冲信号给整流模块105，整流模块105输出相应的直流电给负载线圈2，进一步保证电流信号预设值输出的准确与平稳。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，包括电流控制系统和负载线圈，其特征在于：所述负载线圈包括隔离套和环绕分布在隔离套外侧的防护罩，所述隔离套两端对称开设有两组固定板，且在固定板内侧中部安装有线圈保持架，所述线圈保持架外侧缠绕有若干层线圈，所述线圈外侧设有限位架；所述线圈的数量为两组，且呈对称状态分布在隔离套的两侧，位于左侧的所述线圈的线圈匝由左向右与位于右侧的对应层所述线圈的由左向右的线圈匝均为共轭线圈匝；所述电流控制系统包括控制界面和主控单元，所述控制界面通过RS-485通讯电缆与主控单元连接，所述主控单元内部设有扩展模块，且扩展模块电性连接有可控硅触发器，所述可控硅触发器信号输出端连接有整流模块；所述整流模块的电流侧输出端串接有分流器，所述整流模块的电流侧输入端串接有电流变送器，且分流器与负载线圈的输入端接线柱连接，电流变送器与负载线圈的输出端接线柱连接，所述分流器的信号输出端与可控硅触发器连接，所述电流变送器的信号输出端与扩展模块连接；所述整流模块的电压侧输出端串接有电源，所述整流模块的电压侧输入端串接有交流接触器，且电源和交流接触器的信号输入端均通过RS-485通讯电缆与主控单元连接；
左侧负载线圈的线圈层数和右侧负载线圈的线圈层由内到外依次为A、B、C、D和a、b、c、d，位于左侧负载线圈的A层的线圈匝由左往右依次为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10···An，位于右侧负载线圈的a层的线圈匝由左往右依次为an···a10、a9、a8、a7、a6、a5、a4、a3、a2、a1，位于左侧负载线圈的B层的线圈匝由左往右依次为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10···Bn-1，位于右侧负载线圈的b层的线圈匝由左往右依次为bn-1···b10、b9、b8、b7、b6、b5、b4、b3、b2、b1，位于左侧负载线圈的C层的线圈匝由左往右依次为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10···Cn-2，位于右侧负载线圈的c层的线圈匝由左往右依次为cn-2···c10、c9、c8、c7、c6、c5、c4、c3、c2、c1，位于左侧负载线圈的D层的线圈匝由左往右依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10···Dn-3，位于右侧负载线圈的d层的线圈匝由左往右依次为dn-3···d10、d9、d8、d7、d6、d5、d4、d3、d2、d1，在负载线圈中，对于A层的线圈匝，A1与an、A2与an-1、A3与an-2、A4与an-3、···An与a1均互为共轭线圈匝，对于B层的线圈匝，B1与bn-1、B2与bn-2、B3与bn-3、B4与bn-4、···Bn-1与b1均互为共轭线圈匝，位于C层、D层的线圈匝同理，线圈保持架截面的横向长度为L，A层线圈匝中心与线圈保持架中心的距离和两线圈保持架中心距均为R，单匝线圈的直径为d，则对于A层和a层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离和线圈半径为R，对于B层和b层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+d，线圈半径为R+d，对于C层和c层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+2d，线圈半径为R+2d，对于D层和d层的线圈匝，共轭线圈匝之间的距离为R+3d，线圈半径为R+3d。
2.根据权利要求1所述的一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，其特征在于：所述线圈保持架截面的横向长度为线圈截面直径的整数倍。
3.根据权利要求1所述的一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，其特征在于：所述限位架为空心圆柱状设置，且限位架靠近隔离套的一端内侧由内向外依次开设有阶梯状的圆弧凸起，且圆弧凸起的圆弧直径与线圈的截面直径相等。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种用于微结构和多铁性序参量信息的磁场控制系统，其特征在于：该磁场控制系统的使用步骤如下：
步骤一，将负载线圈组装，根据公式 ，其中：B为亥姆霍兹线圈中轴线处的磁场强度，u0为磁常数，N为线圈匝数，I为线圈中直流电流值，R为线圈半径；计算得出磁场强度与电流值的关系，并根据试验所需磁场强度变化规律将所需电流值信号的预设值通过控制界面输入主控单元；
步骤二，启动电流控制系统，主控单元控制交流接触器吸合，回路二中的电路闭合，使整流模块的交流侧得电，主控单元根据运行参数自动控制扩展模块的电流值信号预设值输出，分流器的电压信号实时反馈给可控硅触发器，可控硅触发器根据反馈值控制脉冲输出至整流模块，使整流模块输出的直流电流保持恒定，电流变送器实时检测加载在负载线圈上的直流电流大小，并且根据电流大小输出电流信号给扩展模块，主控单元实时对比电流信号预设值的的输入与输出，扩展模块输出标准电压信号给可控硅触发器，可控硅触发器提供脉冲信号给整流模块， 整流模块输出相应的直流电给负载线圈，进一步保证电流信号预设值输出的准确性与平稳性。
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