CN114184989A - 基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统和方法 - Google Patents

基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统和方法 Download PDF

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钱金平
陈力行
陈大龙
陈明
沈飊
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Abstract

本发明公开了一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统和方法，系统包括函数信号发生器、固定电阻、亥姆霍兹线圈、探针线圈固定夹具、示波器；所述函数信号发生器的一端输出连接到所述固定电阻与所述亥姆霍兹线圈串联后连接到函数信号发生器的另一端形成回路；待测探针固定在所述探针线圈固定夹具上；所述探针线圈固定夹具放置在亥姆霍兹线圈之中，使得探针线圈固定于亥姆霍兹线圈中心，亥姆霍兹线圈与待测探针的两端分别连接到所述示波器的两个采集端口上，同时采集亥姆霍兹线圈与待测探针的输出电压/电流。本方法可以快速测量磁探针的幅频与相频响应，标定操作简单方便，可在实验室环境下进行标定，精度较高，并可实现多个探针线圈的同时标定。

Description

基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统和方法
技术领域
本发明涉及到电磁测量技术领域，具体涉及到一种基于亥姆霍兹线圈的高精度探针线圈标定系统。
背景技术
磁场探针线圈，骨架是采用低温环氧材料精加工而成，其绕线截面的加工精度可以达到 0.1mm，在骨架上密绕线径为0.3mm聚酰亚胺漆包线，保证严格一致的绕线层数和每层的绕线匝数，各匝之间相互绝缘。根据电磁感应定律，当空间磁通量发生变化，处于磁场当中的线圈会感应出一定的电压。探针线圈在绕制过程中不可避免地会产生个体差异，因此每个线圈在绕制完成之后都需要进行标定，标定完成后方可使用。目前市场上常用的线圈标定系统都为大型的磁场环境，在很强的磁场中进行线圈探针的标定，由于在使用时还需要测量出磁场的强度以及均匀度，操作较为繁琐，该设计可以更为方便快捷的对探针进行标定。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统和方法，能够准确的标定线圈探针的幅频响应特性，实现探针线圈输出幅值大小的调节；使用时并无需对亥姆霍兹线圈中的磁场强度进行测量，且不需要一个十分精确的信号发生器，能够在实验室实现快速、简单地线圈探针幅频响应标定。
本发明提供了一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，包括函数信号发生器、固定电阻、亥姆霍兹线圈、线圈固定夹具、示波器；所述函数信号发生器的一端输出连接到所述固定电阻与所述亥姆霍兹线圈串联后连接到函数信号发生器的另一端形成回路；待测探针固定在所述探针线圈固定夹具上；所述探针线圈固定夹具放置在亥姆霍兹线圈之中，使得探针线圈固定于亥姆霍兹线圈中心，亥姆霍兹线圈与待测探针的两端分别连接到所述示波器的两个采集端口上，同时采集亥姆霍兹线圈与待测探针的输出电压/电流。
进一步的，所述待测探针线圈数量为一个或多个，能够同时固定在线圈固定夹具的不同位置，由于亥姆霍兹线圈中央小范围为均匀磁场，故可以同时进行测量；每个探针线圈的输出电压连接到示波器的不同电压采集端口。
进一步的，所述的固定电阻为大功率电阻，电阻为2.5-20欧姆，功率为1000-5000瓦。
进一步的，所述函数信号发生器为频率幅度波形均可调节的信号发生器，工作频率为 10μHz～150MHz,频率分辨率为100mHz,在频率≤30MHz的时候可以实现20Vp-p的电压输出。
进一步的，所述亥姆霍兹线圈的直径为30cm，两个线圈之间的距离2z为30cm，能够根据待测探针线圈所需的幅值对2z进行调节，例行缩短亥姆霍兹线圈的2z可以增大探针线圈的幅值。
根据本发明的另一方面，提供一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定方法，包括如下步骤：
步骤1、将待测的探针线圈固定在亥姆霍兹线圈的探针线圈固定夹具上；
步骤2、根据待测的探针线圈所需幅频，对函数信号发生器频率大小以及电流大小进行调节；
步骤3、启动函数信号发生器给亥姆霍兹线圈与固定电阻串联回路供电；
步骤4、通过示波器采集待测探针线圈两端电压εtest(jw)与亥姆霍兹线圈两端的电压εstd(jw)；对采集到的两个电压波形进行相比，得到所求幅值相对于频率的关系。
步骤5、计算待测探针线圈的幅值：
Figure BDA0003387440160000021
εstd∝I、Z。
Z为亥姆霍兹线圈阻抗，I为亥姆霍兹线圈电流，εtest(jw)为待测探针线圈两端电压，εstd(jw)为亥姆霍兹线圈两端的电压,之后，对数据进行归一化处理，得到幅值A(w)。
有益效果：
本发明可以快速的实现探针线圈幅频响应的标定，为大批量的探针标定提供了可行的方法。
其次，通过调节两线圈之间2z的距离，可以增强亥姆霍兹线圈中间的磁场强度，从而调节提高探针的输出幅值，可进一步提高精度。
另外，所有的待测探针均使用同一个亥姆霍兹线圈系统进行标定，保证了所有探针的一致性。
附图说明
图1：本发明整套标定系统示意图；
图2：本发明所使用的亥姆霍兹线圈；
图3：本发明所使用的线圈固定夹具；
图4：待测线圈探针；
图5：待测线圈幅频特性和相频特性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
图1所示为一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，其包括函数信号发生器、大功率绕线固定电阻(500W，5Ω)、亥姆霍兹线圈(本发明采用的亥姆霍兹线圈R＝ 30cm，2z＝30cm，线圈匝数17匝，可根据需求增加匝数和修改距离)、探针线圈固定夹具、示波器；所述函数信号发生器的一端输出连接到所述固定电阻，然后与所述亥姆霍兹线圈串联后连接到函数信号发生器的另一端形成回路；待测探针固定在所述探针线圈固定夹具上；所述探针线圈固定夹具放置在亥姆霍兹线圈的中轴线上，使得探针线圈固定于亥姆霍兹线圈中心，亥姆霍兹线圈与待测探针的两端分别连接到所述示波器的两个采集端口上，同时采集亥姆霍兹线圈与待测探针的输出电压/电流。
本发明所使用的频率幅度可调节的函数信号发生器，工作频率为10μHz～150MHz，频率分辨率为100mHz,在频率≤30MHz的时候可以实现20Vp-p的电压输出。
本发明采用的示波器，型号为泰克荧光示波器DPO3014，该示波器带宽可达100MHz，采样率达2.5GHz。
图2为本系统所设计制造的亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈的直径为30cm，两个线圈之间的距离2z为30cm，能够根据待测探针线圈所需的幅值对2z进行调节，例如缩短亥姆霍兹线圈的2z可以增大探针线圈的感生电压幅值。
图3为本发明所设计的线圈固定夹具，保证了待测探针的位置相对亥姆霍兹线圈固定。
图4为本发明的待测探针线圈。
图5为待测探针输出的波形，以及在数据处理之后，得到的探针的幅频特性以及相频特性。
电源为函数信号发生器，输出正弦波信号，所以亥姆霍兹线圈的电流为正弦交流电，此时，亥姆霍兹线圈中的磁场为：
Figure BDA0003387440160000041
其中，μ0为真空磁导率，I为通过亥姆霍兹线圈的电流，N为亥姆霍兹线圈的匝数，R为半径，z为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点O处的距离。
探针在接收到交变磁场后，穿过横截面积的磁通发生了变化，从而产生了感应线圈两端的输出电压εtest。
Figure BDA0003387440160000042
其中，Seff是指感应线圈的有效感应面积，
Figure BDA0003387440160000043
为磁通量，公式表示感应线圈两端的输出电压εtest与磁通变化率，以及磁场B的变化率和感应线圈的有效感应面积Seff有关。
Figure BDA0003387440160000044
εstd∝I、Z。
所得的A(w)即为所求的幅值，Z为亥姆霍兹线圈阻抗，I为亥姆霍兹线圈电流，之后统计出频率f和A(w)的对应关系，即可得到幅频图。εstd(jw)为亥姆霍兹线圈两端的电压，εtest(jw)为待测探针线圈两端电压，w为信号角频率。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本应用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的使用新型创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，其特征在于，包括：
函数信号发生器、固定电阻、亥姆霍兹线圈、探针线圈固定夹具、示波器；所述函数信号发生器的一端输出连接到所述固定电阻，然后与所述亥姆霍兹线圈串联后连接到函数信号发生器的另一端形成回路；待测探针固定在所述探针线圈固定夹具上；所述探针线圈固定夹具放置在亥姆霍兹线圈的中轴线上，使得探针线圈固定于亥姆霍兹线圈中心，亥姆霍兹线圈与待测探针的两端分别连接到所述示波器的两个采集端口上，同时采集亥姆霍兹线圈与待测探针的输出电压/电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，其特征在于：
所述待测探针线圈数量为一个或多个，能够同时固定在线圈固定夹具的不同位置，同时进行测量；每个探针线圈的输出电压连接到示波器的不同电压采集端口。
3.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，其特征在于：
所述的固定电阻为大功率电阻，电阻为2.5-20欧姆，功率为500-5000瓦。
4.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，其特征在于：
所述函数信号发生器为频率幅度波形均可调节的信号发生器，工作频率为10μHz～150MHz,频率分辨率为100mHz,在频率≤30MHz的时候能实现20Vp-p的电压输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定系统，其特征在于：
所述亥姆霍兹线圈的直径为30cm，两个线圈之间的距离2z为30cm，能够根据待测探针线圈所需的幅值对2z进行调节。
6.一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定方法，使用权利要求1-5之一的系统，包括如下步骤：
步骤1、将待测的探针线圈固定在亥姆霍兹线圈的探针线圈固定夹具上；
步骤2、根据待测的探针线圈所需幅频，对函数信号发生器频率大小以及电流大小进行调节；
步骤3、启动函数信号发生器给亥姆霍兹线圈与固定电阻串联回路供电；
步骤4、通过示波器采集待测探针线圈两端电压εtest(jw)与亥姆霍兹线圈两端的电压εstd(jw)；对采集到的两个电压波形进行相比，得到所求幅值相对于频率的关系；w为信号角频率；
步骤5、计算待测探针线圈的幅值：
Figure FDA0003387440150000021
εstd∝I、Z，Z为亥姆霍兹线圈阻抗，I为亥姆霍兹线圈电流，εtest(jw)为待测探针线圈两端电压，εstd(jw)为亥姆霍兹线圈两端的电压，对数据进行归一化处理，得到幅值A(w)。
7.根据权利要求6所述的一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定方法，其特征在于：
函数信号发生器输出正弦波信号，亥姆霍兹线圈的电流为正弦交流电，此时，亥姆霍兹线圈中的磁场为：
Figure FDA0003387440150000022
其中，μ0为真空磁导率，I为通过亥姆霍兹线圈的电流，N为亥姆霍兹线圈的匝数，R为半径，z为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点O处的距离；
探针在接收到交变磁场后，穿过横截面积的磁通发生了变化，从而产生了感应线圈两端的输出电压ε；
Figure FDA0003387440150000023
其中，Seff是指感应线圈的有效感应面积，
Figure FDA0003387440150000024
为磁通量，该式子表示感应线圈两端的输出电压ε与磁通变化率，以及磁场B的变化率和感应线圈的有效感应面积Seff有关；
Figure FDA0003387440150000025
εstd∝I、Z，所得的A(w)即为所求的幅值，之后统计出频率f和A(w)的对应关系，即可得到幅频图。
8.根据权利要求6所述的一种基于亥姆霍兹线圈的磁探针幅频与相频标定方法，其特征在于：
当标定探针线圈的幅值小于预定幅值时，将亥姆霍兹线圈的两侧的圆形导体线圈之间距离缩进，即缩短z的值，保持信号发生器的输出不变，此时亥姆霍兹线圈中的磁场便会增大，导致探针线圈有效横截面积之间通过的磁通量增大，从而增大所测探针线圈的输出幅值，减小信噪比，减缓波形的失真严重度。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114944277A (zh) * 2022-07-26 2022-08-26 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法
CN117724028A (zh) * 2024-01-16 2024-03-19 哈尔滨工业大学 一种用于三维多点位磁探针的标定系统及标定方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101251998A (zh) * 2007-02-19 2008-08-27 富士通株式会社 磁头特性评估方法
CN101980040A (zh) * 2010-10-19 2011-02-23 哈尔滨工业大学（威海） 感应式有芯磁传感器在线标定装置
CN101995562A (zh) * 2010-10-19 2011-03-30 威海威高电子工程有限公司 磁传感器远程在线标定方法
CN202305473U (zh) * 2011-10-25 2012-07-04 武汉理工大学 船舶柴油机活塞环磨损监测传感器标定装置
CN112578329A (zh) * 2020-12-18 2021-03-30 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于交变磁场线圈等效感应面积标定的系统和方法
CN113030828A (zh) * 2021-03-25 2021-06-25 河南省计量科学研究院 一种交变磁强计检定系统及其检定方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101251998A (zh) * 2007-02-19 2008-08-27 富士通株式会社 磁头特性评估方法
CN101980040A (zh) * 2010-10-19 2011-02-23 哈尔滨工业大学（威海） 感应式有芯磁传感器在线标定装置
CN101995562A (zh) * 2010-10-19 2011-03-30 威海威高电子工程有限公司 磁传感器远程在线标定方法
CN202305473U (zh) * 2011-10-25 2012-07-04 武汉理工大学 船舶柴油机活塞环磨损监测传感器标定装置
CN112578329A (zh) * 2020-12-18 2021-03-30 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于交变磁场线圈等效感应面积标定的系统和方法
CN113030828A (zh) * 2021-03-25 2021-06-25 河南省计量科学研究院 一种交变磁强计检定系统及其检定方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吕维维: "高精度新型GMI磁强计设计", 《《中国优秀硕士学位论文全文数据库·工程科技Ⅱ辑》》, no. 7, pages 58 - 65 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114944277A (zh) * 2022-07-26 2022-08-26 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种提高磁场稳定性的磁场发生装置设计方法
CN117724028A (zh) * 2024-01-16 2024-03-19 哈尔滨工业大学 一种用于三维多点位磁探针的标定系统及标定方法

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