CN116148728A - 一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，包括阵列式测量线圈组件与模拟积分器；所述阵列式测量线圈包括多层上下重叠放置的PCB电路板；每层PCB电路板刻印有覆盖冲击磁铁的好场区范围的N组线圈，不同层PCB电路板的线圈采用相同的螺旋方向，并通过通孔连接不同层之间的线圈；所述模拟积分器为处理感应电压原信号的原信号积分器和处理差分信号的差分信号积分器，单个线圈信号接入原信号积分器，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器；还公开对应测量方法；可以较好的评估磁场畸变情况；避免多次采集数字信号进行离散求和而产生的误差累积、难以消除的问题，实现不同位置磁场差异的精细化展现。

Description

一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置及测量方法

技术领域

本发明属于磁场畸变测量领域，具体涉及一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置及测量方法。

背景技术

冲击磁铁指的是通过电流励磁，工作过程中磁场在时间维度上呈现脉冲特性的磁铁，其在各种加速器束流输运线有广泛的应用，通过冲击磁铁周期性地接通电流产生出脉冲磁场，对束流粒子进行相应的偏转，从而实现束流输运线的开关功能。

在冲击磁铁激励脉冲磁场的过程中，电流可达数百安培，电流上升时间在几微秒到几百微秒尺度，因此电磁感应定律会使磁场激励滞后于电流上升，因此会产生磁场在时间和空间尺度上的畸变，对冲击磁铁偏转粒子的功能产生影响，因此有必要对电流上升过程中的磁场畸变进行测量和研究。

由于冲击磁铁上升时间短、峰值电流大，不同次脉冲之间的激励电流波形与幅值存在一定差异，其重复性难以满足畸变测量的需求，因此需要在单次电流脉冲内测量脉冲磁场的畸变情况，从而减小激励电流重复性对结果的影响；现有技术中，还缺少可以测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置；另外多次采集数字信号进行离散求和容易产生的误差累积、难以消除的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或问题，本发明提供了一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置及测量方法；将不同线圈进行反向连接，进而对其差分信号进行积分，从而实现不同位置磁场差异的精细化展现，最终分析磁场畸变对脉冲磁场激励的影响。

本发明采用的技术方案是：一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，包括阵列式测量线圈组件与模拟积分器；所述阵列式测量线圈包括多层上下重叠放置的PCB电路板；每层PCB电路板刻印有覆盖冲击磁铁的好场区范围的N组线圈，9≥N≥5,不同层PCB电路板的线圈采用相同的螺旋方向，并通过通孔连接不同层之间的线圈；所述模拟积分器为处理感应电压原信号的原信号积分器和处理差分信号的差分信号积分器，单个线圈信号接入原信号积分器，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器。

进一步的，所述多层上下重叠放置的PCB电路板数量为5-10。

进一步的，所述模拟积分器均采用RC积分器。

进一步的，每层PCB电路板刻上的N组线圈等距布置。

进一步的，线圈引出方式采用两根导线在不同层重叠布置的方案。

进一步的，所述模拟积分器采用平衡电阻减小运算放大器零漂的影响。

进一步的，所述模拟积分器采用零漂调节滑动电阻手动调节噪声放大对零漂的影响。

进一步的，所述RC积分器包括输入电阻、跨接电容、平衡电阻、运算放大器、零漂调节滑动电阻；零漂调节滑动电阻用于调节运算放大器的零漂，尤其是对于放大倍数更大的差分信号积分器而言，阻值范围优选为0-1MΩ。

作为本发明的另一方面，还涉及测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)布置实验台架：在实验台上固定冲击磁铁和步进电机，将多层上下重叠放置的PCB电路板固定在步进电机上，连接N组线圈与模拟积分器，模拟积分器接通电源；单个线圈信号接入原信号积分器，经积分后得到脉冲磁场的原信号，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器；

(2)冲击磁铁电源柜触发信号动作，脉冲电流激发脉冲磁场；

(3)测量线圈产生感应电压，感应电压原信号与差分信号分别输入原信号积分器与差分信号积分器；

(4)原信号积分器与差分信号积分器完成对感应电压的积分之后，由示波器对输出电压的波形与幅值进行测量，得到脉冲磁场不同位置的差分信号，通过比较电流信号、磁场原信号与磁场差分信号，得到冲击磁铁在时间与空间尺度上的磁场畸变情况；以评估磁场畸变情况。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，可以较好的评估磁场畸变情况；通过不同位置的线圈反接(相当于对信号取差值)，可以在一次测量中直接得到两者差值，不用分两次测量分别记录其差值，可以避免多次采集数字信号进行离散求和而产生的误差累积、难以消除的问题(其零漂相对测量信号本身可以忽略)。

(2)本发明提供的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，将不同线圈进行反向连接，进而对其差分信号进行积分，从而实现不同位置磁场差异的精细化展现，最终分析磁场畸变对脉冲磁场激励的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中脉冲磁场畸变测量装置的原理示意图；

图3为本发明实施例中模拟积分器的电路设计图；

图4为本发明实施例感应电压信号与积分电压信号波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参考图1～图3，一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，包括阵列式测量线圈组件与模拟积分器；所述阵列式测量线圈包括多层上下重叠放置的PCB电路板，多层设计可增加脉冲磁场产生的感应电压；每层PCB电路板刻印有覆盖冲击磁铁的好场区范围(好场区指的是磁场分布符合设计要求的区域(不均匀度小于1％)，是冲击磁铁发挥作用的主要位置)的N组线圈，9≥N≥5(图1中，做为优选的方案，N取7，7组是权衡了线圈之间的间距不能过大，否则取样的位置不够多，无法代表好场区，也不能过小，否则信号幅值过小，对噪声更敏感),不同层PCB电路板的线圈采用相同的螺旋方向，并通过铜质通孔连接不同层之间的线圈；所述模拟积分器为处理感应电压原信号的原信号积分器和处理差分信号的差分信号积分器，单个线圈信号接入原信号积分器，经积分后得到脉冲磁场的原信号，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器。经积分器积分后得到脉冲磁场不同位置的差分信号，通过比较电流信号、磁场原信号与磁场差分信号，得到冲击磁铁在时间与空间尺度上的磁场畸变情况。例如，将中间位置的线圈4与其他线圈反向连接之后可以得到特定位置与中心位置在脉冲磁场下的感应电压信号差异；具体连接方式为：阵列线圈通过引脚引出后接入原信号积分器的输入端，同时与中心线圈反向连接后接入差分信号积分器的输入端；

下面举例对上面所述的反向连接进行说明解释，例如A、B线圈正极之间相互连接，负极之间相互连接，这样串联之后再引出去，这样如果A线圈产生5V电压，B线圈产生4V电压，反接之后的信号就是他们的差值1V

为防止幅值较小的差分信号进行积分后电压幅值偏小难以精确测量，其时间常数应小于原信号积分器两个数量级以上，，优选为，原信号积分器参数为输入电阻R＝1000Ω，跨接电容C＝1μF，差分信号积分器参数为输入电阻R＝100Ω，跨接电容C＝0.02μF。

作为优选的方案，所述多层上下重叠放置的PCB电路板数量为5-10。

所述模拟积分器均采用RC积分器。包括输入电阻、跨接电容、平衡电阻、运算放大器、零漂调节滑动电阻；其中，输入电阻和跨接电容是RC积分器的主要功能器件，实现对输入感应电压信号的积分功能，原信号积分器优选为R＝1000Ω，C＝1μF，差分信号积分器优选为R＝100Ω，C＝0.02μF；运算放大器采用蓄电池供电，从而保证供电电压稳定，提升积分精度。

所述模拟积分器采用平衡电阻减小运算放大器零漂的影响。

所述模拟积分器采用零漂调节滑动电阻手动调节噪声放大对零漂的影响。

其中，平衡电阻用于平衡运算放大器的零点漂移，因此其阻值与输入电阻相同，取Ro＝100Ω；其中，运算放大器选用德州仪器公司生产的低失调电压、低偏置电流、低噪声的精密运算放大器OPA192；

作为优选的方案，每层PCB电路板刻上的N组线圈等距布置，线圈导线宽度为0.1mm，测量线圈长度为20mm，宽度为10mm。

作为优选的方案，线圈引出后采用两根导线在不同层重叠布置的方案(参考图1说明)，以避免其他位置的感应电压对线圈端电压产生影响。

所述RC积分器包括输入电阻、跨接电容、平衡电阻、运算放大器、零漂调节滑动电阻；零漂调节滑动电阻用于调节运算放大器的零漂，尤其是对于放大倍数更大的差分信号积分器而言，阻值范围优选为0-1MΩ。

作为本发明的另一方面，基于上述测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，还提供一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)布置实验台架：在实验台上固定冲击磁铁和步进电机，将多层上下重叠放置的PCB电路板固定在步进电机上，连接N组线圈与模拟积分器，模拟积分器接通电源；单个线圈信号接入原信号积分器，经积分后得到脉冲磁场的原信号，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器；

(2)冲击磁铁电源柜触发信号动作，脉冲电流激发脉冲磁场；

(3)测量线圈产生感应电压，感应电压原信号与差分信号分别输入原信号积分器与差分信号积分器；

(4)原信号积分器与差分信号积分器完成对感应电压的积分之后，由示波器对输出电压的波形与幅值进行测量，得到脉冲磁场不同位置的差分信号，通过比较电流信号、磁场原信号与磁场差分信号，得到冲击磁铁在时间与空间尺度上的磁场畸变情况；以评估磁场畸变情况。

结果如图4所示，从图中可以看出，使用本申请的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变的装置可以消除运算放大器零漂累积的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。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结构关系及原理，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。

Claims (9)

1.一种测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于，包括阵列式测量线圈组件与模拟积分器；所述阵列式测量线圈包括多层上下重叠放置的PCB电路板；每层PCB电路板刻印有覆盖冲击磁铁的好场区范围的N组线圈，9≥N≥5,不同层PCB电路板的线圈采用相同的螺旋方向，并通过通孔连接不同层之间的线圈；所述模拟积分器为处理感应电压原信号的原信号积分器和处理差分信号的差分信号积分器，单个线圈信号接入原信号积分器，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器。

2.根据权利要求1所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：所述多层上下重叠放置的PCB电路板数量为5～10。

3.根据权利要求1所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：所述模拟积分器均采用RC积分器。

4.根据权利要求1所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：每层PCB电路板刻上的N组线圈等距布置。

5.根据权利要求1所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：线圈引出后采用两根导线在不同层重叠布置的方案。

6.根据权利要求1所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：所述模拟积分器采用平衡电阻减小运算放大器零漂的影响。

7.根据权利要求1所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：所述模拟积分器采用零漂调节滑动电阻手动调节噪声放大对零漂的影响。

8.根据权利要求3所述的测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置，其特征在于：所述RC积分器包括输入电阻、跨接电容、平衡电阻、运算放大器、零漂调节滑动电阻；零漂调节滑动电阻用于调节运算放大器的零漂，尤其是对于放大倍数更大的差分信号积分器而言，阻值范围优选为0-1MΩ。

9.根据权利要求1所述测量冲击磁铁脉冲磁场畸变装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)布置实验台架：在实验台上固定冲击磁铁和步进电机，将多层上下重叠放置的PCB电路板固定在步进电机上，连接N组线圈与模拟积分器，模拟积分器接通电源；单个线圈信号接入原信号积分器，经积分后得到脉冲磁场的原信号，将不同组导线之间进行反向连接，使其信号差分之后接入差分积分器；

(2)冲击磁铁电源柜触发信号动作，脉冲电流激发脉冲磁场；

(3)测量线圈产生感应电压，感应电压原信号与差分信号分别输入原信号积分器与差分信号积分器；

(4)原信号积分器与差分信号积分器完成对感应电压的积分之后，由示波器对输出电压的波形与幅值进行测量，得到脉冲磁场不同位置的差分信号，通过比较电流信号、磁场原信号与磁场差分信号，得到冲击磁铁在时间与空间尺度上的磁场畸变情况；以评估磁场畸变情况。

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