CN117647762A - 一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁测量技术领域，具体公开了一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，该方法包括以下步骤：向电磁体中通入电流产生待测磁场；分别测量电磁体外和/或电磁体内至少一个点位处的第一磁感应强度；获取被测点位处对应的第一磁感应强度与第一磁感应强度相关的工作电流间的第一比值；基于第一比值获取待测磁场的空间位型分布。本发明能实现电磁体磁场空间位型的精确测量。

Description

一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，更具体地，涉及一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法。

背景技术

强磁场通常是由电磁体产生的，特别是脉冲电磁体。稳态电磁体由于温升和功耗的限制，通常只能产生不超过45T的磁场，当需要更高的磁场时，通常是由脉冲电磁体来实现的。在基础科学研究中，通常需要将测试样品放置在磁场最高的位置即磁场中心，来测试样品在磁场下的特性，而由于磁体制造过程中的各种不确定因素，磁场中心与磁体的几何中心通常并非完全一致，因此在开展正式的科学测试前，需要对磁场中心位置进行确定。而在太赫兹和高功率微波等技术的研究与应用中，对电磁体周围的磁场空间位型分布特别是电磁体内部的磁场空间位型分布，往往有特定的要求，因此也需要准确的测量电磁体的磁场空间位型分布，以便于研究与应用中对各种问题进行分析与改进。

通常对脉冲电磁体的磁场空间位型分布的测量，是利用脉冲电源对脉冲电磁体进行多次放电来实现的，每次放电前先将磁场测量装置布置在所需测量的点位，并将每次的放电电压设置为同一水平，如此反复多次测量，就能获得不同点位的磁场数据，放电电流峰值时刻的磁场通常为该点位的磁场数据中的最大值，即该点位的峰值磁场。通过获得的不同点位的磁场数据，就能得到电磁体的磁场空间分布，比较不同点位峰值磁场的大小，就能获得其中最大的磁场数据，该磁场数据所对应的点位就是该电磁体的磁场中心。但是该方法的缺陷是，无法消除脉冲电源在每次放电中放电电流峰值大小的不一致而导致的峰值磁场波动造成的磁场空间位型分布测量误差，放电电流峰值大小的波动可能是因为脉冲电源充电完成后每次放电的实际放电电压的不一致导致的，也可能是电磁体在多次放电后自身温度变化引起的阻抗变化而导致的，也可能是其他外部因素，比如多次放电后电磁体外部电路的温度变化引起的外部电路阻抗变化而导致的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，用于解决现有测量磁场空间位型的方法，由于电磁体工作电流不稳或者对电磁体的放电电压不一致等因素导致的磁场空间位型测量存在偏差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，所述方法包括以下步骤：

S1向电磁体中通入电流产生待测磁场；

S2分别测量电磁体外和/或电磁体内至少一个点位处的第一磁感应强度；

S3获取被测点位处对应的第一磁感应强度与第一磁感应强度相关的工作电流间的第一比值；

S4基于所述第一比值获取待测磁场的空间位型分布。

进一步的，步骤S2中，在工作电流通入的特定连续工作时间段内测量所述第一磁感应强度，所述特定连续工作时间段的开始时刻为电流通入电磁体中1μs后，所述特定连续工作时间段的结束时刻为电流结束前1μs。

更进一步的，步骤S2中，在电流峰值时刻测量被测点位处的第一磁感应强度。

进一步的，所述电磁体包含多个时，按照步骤S1到S4对每个电磁体依次通电分别进行测量，以获得每个电磁体单独作用时的磁场空间位型分布。

进一步的，当待测磁场为由多个所述电磁体共同作用形成的合成磁场时，按照步骤S1到S4对每个电磁体依次通电分别进行测量，以获取所述第一比值，还基于多个所述第一比值获取合成磁场的空间位型。

进一步的，步骤S4中，基于所述第一比值，采用以下公式获取每个被测点位处的合成磁感应强度：

其中，表示每个被测点位处的合成磁感应强度，/>表示第一个电磁体的磁场/>与电流I₁之比乘以第一个电磁体的电流系数k₁，n表示电磁体的个数；

基于所有被测点位处的合成磁感应强度，获取待测磁场的空间位型分布。

进一步的，步骤S4中，基于第一比值，利用插值法或曲线拟合法获取待测磁场的空间位型分布。

进一步的，步骤S4中，获取待测磁场的空间位型分布的方法还包括：基于第一磁感应强度，通过插值法获取相邻两个点位之间的第二磁感应强度，并计算第二磁感应强度与所述工作电流的第二比值，然后基于第一比值和第二比值，利用插值法或曲线拟合法获取磁场空间位型。

进一步的，所述电磁体为脉冲电磁体或稳态电磁体。

进一步的，所述工作电流包括电磁体中的电流和与电磁体相串联的其他元器件中的电流。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：

本发明利用当电流流过电磁体产生磁场时，电磁体周围或内部任一点的磁场与此时电磁体上对应的特定电学参数的比值为一固定的比值关系，来精确测量电磁体周围及内部任意一点或多点位处的磁场空间位型分布，具体通过测量各点位处的磁感应强度，并计算磁感应强度与电磁体相关的工作电流的第一比值，然后基于各点位对应的第一比值来确定磁场空间位型，从而能避免工作电流波动等因素导致的磁场波动造成测量磁场空间位型分布时产生的偏差。

本发明方法能降低在电磁体磁场空间位型分布测量中对恒流电源电流稳定度或脉冲电源放电电压一致性的要求，测量方法更简单，测量结果更精确；本发明方法获得的电磁体磁场空间位型分布，相比不考虑流过电磁体上的电流波动而直接测量出来的电磁体磁场空间位型分布，与实际的电磁体磁场空间位型分布更加一致。

本发明方法通过在工作电流通入电磁体后的一段特定连续时间段内测量被测点位处的磁感应强度，能够避免电流刚通入后不确定因素的扰动以及电流即将结束前的不确定因素的扰动对磁场空间位型测量的影响，使后续测量的磁场空间位型更准确。

本发明中电磁体有多个时，可通过分别测量每个电磁体的多个点位处的磁感应强度，计算被测点位的磁感应强度与磁感应强度相关的工作电流间的比值，并基于该比值来确定每个电磁体自身的磁场中心；还能基于各个电磁体对应的第一比值来确定各点位处的合成磁感应强度，并能通过所有待测位点处的合成磁感应强度来获取合成磁场的空间位型分布，从而实现通过多数据多层级运算来获取更为精确的磁场空间位型分布情况的目的。

本发明方法通过在电流峰值时刻测量各点位处的第一磁感应强度，能够在在工作电流对时间的变化率最小时精确测量第一磁感应强度，进而使得后续得到的磁场空间位型更加准确。

本发明中的工作电流包括直接在电磁体上流过的工作电流或与该电磁体相串联的元器件上的工作电流，通过直接或间接测量测量前述任意一种工作电流，来计算各点位处的第一磁感应强度与对应工作电流的第一比值，测量手段和测量条件更灵活，用于测量磁感应强度的磁场测量装置的原理与类型也具备多种选择。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法流程图；

图2是本发明实施例1中通过脉冲电源对脉冲电磁体进行2000V放电，在被测点位1获得的第一组磁场、电流以及磁场电流比值数据示意图；

图3是本发明实施例1中通过脉冲电源对脉冲电磁体进行2000V放电，在被测点位2获得的第二组磁场、电流以及磁场电流比值数据示意图；

图4是本发明实施例1中通过脉冲电源对脉冲电磁体进行2000V放电，在被测点位3获得的第三组磁场、电流以及磁场电流比值数据示意图；

图5是本发明实施例2中用相同电源对脉冲电磁体进行放电，在12个不同被测点位获得的十二组磁场和磁场电流比值的归一化数据以及理论仿真计算的归一化数据的示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1向电磁体中通入电流产生待测磁场；

S2分别测量电磁体外和/或电磁体内至少一个点位处的第一磁感应强度；

S3获取被测点位处对应的第一磁感应强度与第一磁感应强度相关的工作电流间的第一比值；

S4基于第一比值获取待测磁场的空间位型分布。

本实施例中，步骤S2中，在工作电流通入的特定连续工作时间段内测量第一磁感应强度，特定连续工作时间段的开始时刻为工作电流通入电磁体中1μs后，特定连续工作时间段的结束时刻为工作电流结束前1μs，即在工作电流通入后1μs后到在工作电流结束前1μs的时间段内，比如，可在通入电流10μs时、15μs时、20μs时、25μs时、30μs、35μs或40μs等时刻对单个点位处的磁感应强度进行测量，对各点位在上述电流通入的时间段内依次测量对应的第一磁感应强度，能避免电流刚通入后不确定因素的扰动以及电流即将结束前的不确定因素的扰动带来的测量偏差，使后续计算的第一比值更加精确。

本实施例中，步骤S2中，优选的测量时刻为电流峰值时刻，在电流峰值时刻测量被测点位处的第一磁感应强度，可以避免电磁体中的工作电流刚通入时的不确定因素的影响或者电流即将结束前的不确定因素的影响导致的测量偏差，并且此时工作电流对时间的变化率最小，测量获得的数据精度更高；还可以在磁场峰值时刻测量第一磁感应强度，此时磁场对时间的变化率最小，此时测量获得的数据精度也较高。

在优选实施例中，产生待测磁场的电磁体包含多个，比如有两个电磁体产生磁场或由三个电磁体产生磁场。

进一步的，当产生待测磁场的电磁体包含多个时，通入每个电磁体的工作电流相同或不相同；在步骤S2中，针对每个电磁体，分别测量第一磁感应强度；比如，如果待测磁场由3个电磁体通电形成，那么对每一个电磁体外和/或每一个电磁体内选取至少一个点位，然后依次对每个电磁体通电，并按照前述步骤S1-S4分别测量每个电磁体对应的每一个点位处的第一磁感应强度，再计算第一磁感应强度与第一磁感应强度相关的工作电流间的第一比值，并通过该第一比值来获取每个电磁体单独作用时的磁场空间位型分布。

在优选实施例中，多个电磁体形成合成磁场时，按照步骤S1到S4对每个电磁体依次通电分别进行测量，以获取每个电磁体下的多个第一比值，还基于多个第一比值获取合成磁场的空间位型。

具体的，在步骤S4中，基于多个第一比值获取每个被测点位处的合成磁场的空间位型的方法包括以下步骤，采用以下公式获取每个被测点位的合成磁感应强度：

（1）

其中，表示每个被测点位处的合成磁感应强度，/>表示第一个电磁体的磁场/>与电流I₁之比乘以第一个电磁体的电流系数k₁，n表示电磁体的个数；

然后基于所有被测点位处的合成磁感应强度，通过插值法或者曲线拟合方法获得磁场空间位型的分布情况。

本实施例中，步骤S4中，获取磁场空间位型的分布情况的方法包括：基于第一比值，利用插值法或曲线拟合法获取磁场空间位型的分布情况。

本实施例中，步骤S4中，基于第一比值获取磁场空间位型的分布情况的方法还可以为：基于第一磁感应强度，通过插值法获取相邻两个点位之间的第二磁感应强度，并计算第二磁感应强度与相关工作电流的第二比值，然后基于第一比值和第二比值，利用插值法或曲线拟合法获取磁场空间位型。

本实施例中，步骤S3中，工作电流包括电磁体中的电流与电磁体相串联的元器件中的电流，分别计算多个磁感应强度与对应的工作电流间的比值时，所采用的工作电流均为电磁体中的电流或与电磁体相串联的元器件中的电流。

前述任意实施例中计算的比值包括倒数关系，比如：可以分别计算各点位处的磁感应强度与工作电流的比值或者计算工作电流与磁感应强度的比值，通过该些比值来拟合出磁场空间位型。

本实施例中，电磁体可以为脉冲电磁体或者稳态电磁体，也可以为其他任何一种电磁体，本发明方法对脉冲电磁体的磁场空间位型的测量结果优化效果更加明显。

前述任意一个实施例中，用于测量的磁场测量装置，可以是通过利用感应电压积分来换算磁场信号的磁场拾波线圈，也可以是霍尔探头等其他用于测量磁场的元器件，可根据测量精度要求选择相应性能和尺寸的霍尔探头或磁场拾波线圈，即本发明不限定磁场测量装置的原理与类型，任何能实现本发明方法的测量装置都可适用于本发明。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了更好地说明本发明的实施细节，提供以下实施例来对本发明进行进一步说明，应当清楚，以下实施例只是作为最优实施方式，并不作为对本发明保护范围的任何限制。

实施例1

本实施例提供了一种测量一个脉冲电磁体的磁场中心位置的方法，包括以下步骤：

采用同一脉冲电源对电磁体进行放电，将脉冲电源的放电电压固定设置为2000V。在本实施例中，采用头部绕制有磁场拾波线圈的磁场探测杆来测量所选点位处的磁感应强度，磁场探测杆直径与电磁体内孔大小匹配，这确保了磁场拾波线圈中心位于电磁体中心轴线上，也确保了磁场拾波线圈整体与电磁体径向平面平行，故只需将磁场拾波线圈放置在电磁体几何中心位置附近，顺着电磁体内孔在电磁体轴向方向前后挪动磁场探测杆即可测量到对应磁感应强度；具体的，对电磁体的多个不同点位分别进行放电，使探测杆头部的磁场拾波线圈分别处于电磁体不同位置，并在每次放电开始一段时间后的特定时间段内测量不同位置的第一磁感应强度、电磁体的电流以及计算获取该时刻该点位对应的磁场电流比值，本实施例中特定时间段为放电开始后的100μs-330μs内；然后计算磁感应强度与对应的工作电流（即电磁体中通入的电流）的第一比值，比较不同位置处第一磁感应强度与工作电流之间的第一比值的大小，第一磁感应强度与电流的最大第一比值所对应的点位表征当流过电磁体的电流相同时，电磁体在该点位产生的磁场最高，即该位置是电磁体的磁场中心。

如图2、图3和图4所示，是对电磁体上被测点位1、被测点位2和被测点位3分别进行测量后的结果示意图；三个被测点位均位于电磁体中心轴线上，其中，被测点位2位于被测点位1和被测点位3中间；具体的，将磁场拾波线圈放置在电磁体几何中心位置附近，顺着电磁体内孔在电磁体轴向方向向前挪动磁场探测杆，当探测杆头部的磁场拾波线圈依次处于三个不同的位置时，通过脉冲电源对脉冲电磁体进行放电获得三组磁感应强度、电流以及磁感应强度和电流之比（即图2-4中的磁场电流比）的数据，从图2-4中可见，虽然磁场和电流都随着时间而大幅变化，但任意一个测量位置的磁感应强度与工作电流的比值（即图2-4中的磁场电流比）却始终保持着相对稳定的数值，特别是在磁感应强度峰值、对应工作电流的峰值处或者前述两个峰值的附近处，该二者之间的比值最稳定。

取图2、图3和图4中电流峰值时刻的磁场电流比值进行比较，它们分别为1.2286Gs/A，1.2509 Gs/A和1.2153 Gs/A，可见图3对应的点位处的磁感应强度与电流的比值（即磁场电流比）最大，而图3对应的点位又刚好在图2和图4对应的两个点位中间，故图3所对应的点位可以作为本实施例中电磁体的磁场中心位置。

实施例2

本实施例提供了分别通过磁场和磁场电流比值来获得的磁场环向均匀度的数据结果对比，通过对磁场中12个不同的被测点位进行测量来确定磁场环向均匀度。

本实施例中，在通过磁体中心点的径向平面上，以磁体的几何中心点为圆心，在半径r=31.5mm的圆环上等间距均匀的取12个被测点位。然后用相同设置的电源对脉冲电磁体进行多次放电，以直接测量这12个点位处的磁场以及获取各点位处的磁感应强度与工作电流的比值数据，并分别将直接测量到的磁场和获取的磁感应强度与工作电流的比值数据分别进行归一化处理，得到归一化磁场和归一化磁场电流比，以方便后续比较这两种方法获得的磁场均匀度。

在理论仿真计算中，获取前述12个被测点位处的归一化理论仿真值，这12个点位的磁场均匀度为99.91%；从图5中可以看到，通过直接测量磁场获得的磁场均匀度约为99.49%，而通过测量磁感应强度与工作电流的比值来获得的磁场均匀度约为99.64%，尽管两者都低于归一化理论仿真值对应的磁场均匀度，但是通过比较发现，测量磁场电流比获得的数据要比直接测量磁场得到的数据更加稳定，波动更小，具体的，通过磁场电流比换算得到的磁场均匀度比直接通过磁场换算得到的磁场均匀度要高约0.15%。

总体上，通过磁场电流比获得的磁场均匀度与理论仿真计算的磁场均匀度更为接近。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1向电磁体中通入电流产生待测磁场；

S2分别测量电磁体外和/或电磁体内至少一个点位处的第一磁感应强度：在电流通入的特定连续工作时间段内测量所述第一磁感应强度，所述特定连续工作时间段的开始时刻为电流通入电磁体中1μs后，所述特定连续工作时间段的结束时刻为电流结束前1μs；

S3获取被测点位处对应的所述第一磁感应强度与第一磁感应强度相关的工作电流间的第一比值；

S4基于所述第一比值获取待测磁场的空间位型分布：基于第一比值，利用插值法或曲线拟合法获取待测磁场的空间位型分布；获取待测磁场的空间位型分布的方法还包括：基于第一磁感应强度，通过插值法获取相邻两个点位之间的第二磁感应强度，并计算第二磁感应强度与所述工作电流间的第二比值，然后基于第一比值和第二比值，利用插值法或曲线拟合法获取磁场空间位型。

2.如权利要求1所述的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，步骤S2中，在电流峰值时刻测量被测点位处的第一磁感应强度。

3.如权利要求1所述的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，所述电磁体包含多个时，按照步骤S1到S4对每个电磁体依次通电分别进行测量，以获得每个电磁体单独作用时的磁场空间位型分布。

4.如权利要求1所述的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，当待测磁场为由多个所述电磁体共同作用形成的合成磁场时，按照步骤S1到S4对每个电磁体依次通电分别进行测量，以获取所述第一比值，还基于多个所述第一比值获取合成磁场的空间位型。

5.如权利要求4所述的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，基于所述第一比值，采用以下公式获取每个被测点位处的合成磁感应强度：

其中，表示每个被测点位处的合成磁感应强度，/>表示第一个电磁体的磁场/>与电流I₁之比乘以第一个电磁体的电流系数k₁，n表示电磁体的个数；

基于所有被测点位处的合成磁感应强度，获取合成磁场的空间位型分布。

6.如权利要求1所述的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，所述电磁体为脉冲电磁体或稳态电磁体。

7.如权利要求1所述的一种测量电磁体磁场空间位型分布的方法，其特征在于，所述工作电流包括电磁体中的电流和与电磁体相串联的其他元器件中的电流。