CN201975196U - 三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，包括产生磁场的线圈和控制装置，控制装置包括电脑以及控制器，线圈由两两互相垂直的三对亥姆霍兹线圈组成，所述的三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中的X轴、Y轴和Z轴，三对亥姆霍兹线圈的中心点为坐标原点。该磁场发生装置结构简单、成本低，能根据用户的需要，在设定的大小和任意三维方向上产生交直流磁场，给较多磁传感器的设计、测试以及应用等场合带来了便利。
Description
技术领域
本实用新型涉及亥姆霍兹线圈磁场发生装置，具体涉及一种能在设定的大小和任意三维方向产生交直流磁场的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置。
背景技术
亥姆霍兹线圈是由一对半径都为R、同轴放置且间距等于半径R的圆线圈构成的，由于它结构简单又能产生均匀性较好的磁场，同时在不通电的情况下不会产生环境磁场，它可以作为一个稳定的磁场发生器来被人们使用和测试，因而成为磁测量等物理实验的重要组成部件。
目前，传统的亥姆霍兹线圈磁场发生装置通常由一维或者二维亥姆霍兹线圈以及控制器组成，只能产生一维或者二维方向上的磁场，而且一般为直流磁场。但是在涉及磁传感器的设计、测试以及应用等较多场合，不仅仅需要直流磁场，而且还需要三维空间方向的交流磁场来对传感器的响应性能做出判断，便于后期的设计、优化以及处理，这在涉及磁传感器的较多领域具有非常重要的意义。因而，有必要开发一种能产生三维空间方向的磁场的磁场发生装置。
发明内容
本实用新型提供了一种能在设定的大小和任意三维方向产生交直流磁场的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置。
一种三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，包括产生磁场的线圈和控制装置，所述的控制装置包括电脑以及连接电脑和线圈的用于控制和驱动线圈的控制器，所述的线圈为由两两互相垂直的三对亥姆霍兹线圈组成的三维亥姆霍兹线圈，所述的三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中的X轴、Y轴和Z轴，三对亥姆霍兹线圈的中心点为坐标原点。
所述的控制器包括依次连接的用于运算和处理电脑串口发送的磁场信息的单片机、用于产生三路电压信号的数模转换芯片以及用于放大三路电压信号的输出电流的运算放大器；所述的运算放大器输出的放大的三路电压信号的输出电流分别与三对亥姆霍兹线圈连接。
所述的数模转换芯片以及运算放大器采用射极跟随器的方式进行连接。
所述的单片机为PIC18F6722型单片机。
所述的数模转换芯片为AD5724型数模转换芯片。
所述的运算放大器为OPA548型运算放大器。
所述的电脑用于通过程序如编写的Labview程序来采集用户输入的磁场大小和磁场方向信息，磁场方向信息采用了垂直投影输入的方法即磁场方向信息由磁场在X-Y平面中的投影与x轴的夹角α以及磁场方向与X-Y平面的夹角β确定，用户只要输入磁场大小B、磁场在X-Y平面中的投影与x轴的夹角α以及磁场方向与X-Y平面的夹角β就可以确定三维磁场，然后再通过计算便可以得到X轴、Y轴、Z轴各自的磁场强度Bx、By、Bz并以二进制的形式发送给控制器中的单片机进行处理。
本实用新型产生三维方向磁场的原理如下：
根据毕奥-萨伐尔定律，一对亥姆霍兹线圈的磁场发生公式为：
B＝(4/5)3/2×u0×N×I×R (1)
其中u0为真空磁导率，N为环绕线圈的匝数，I为线圈中的电流值，R为线圈的半径，当线圈半径以及匝数不变的情况下，改变电流值I即可以改变磁场B的大小，当输入电流值I为直流时产生的磁场为直流磁场，当输入电流值I为交流时产生的磁场即为交流磁场，同理通过调整空间内互相垂直的三对亥姆霍兹线圈的输入电流Ix、Iy、Iz，便可以改变三对亥姆霍兹线圈的磁场Bx、By、Bz，从而根据向量叠加的方法便可以得到一个三维方向上的交直流磁场。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置能根据用户的需要，在设定的大小和任意三维方向上产生交直流磁场，给较多磁传感器的设计、测试以及应用等场合带来了便利。
2.本实用新型的三维线圈设计结构简单，组装简便，成本较为低廉。
3.本实用新型设计的控制装置操作简洁，控制界面的磁场方向设置采用了三维垂直投影的角度输入法，非常直观形象，并且大大减小了人工因素的干预。
附图说明
图1为本实用新型三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置的结构示意图；
图2为本实用新型三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置的控制器的结构示意图；
图3为本实用新型三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置的线圈的结构示意图；
图4为本实用新型三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置中输入的磁场方向的坐标示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本实用新型三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置包括产生磁场的三维线圈3和控制装置，控制装置包括电脑1以及连接电脑1和三维线圈3的用于控制和驱动三维线圈3的控制器2。
控制器2包括依次连接的PIC18F6722型单片机21、AD5724型数模转换芯片22以及OPA548型运算放大器23。单片机21负责运算和处理电脑1串口发送过来的二进制磁场信息，然后以SPI通讯方式控制数模转换芯片22产生三路电压信号，最后通过运算放大器23放大这三路电压信号的输出电流后分别给三对三维线圈提供驱动电源，从而达到产生用户所设定交直流磁场的目的。电源24负责给组成控制器2的所有器件供电。
三维线圈3分别由三对铝合金圈作为框架然后绕线的两两互相垂直的三对亥姆霍兹线圈组成，三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中的X轴、Y轴和Z轴，三对亥姆霍兹线圈的中心点为坐标原点，绕线时按照右手螺旋定理以便确定每组线圈的正负极接线。本实用新型采用了垂直投影定位法对三对亥姆霍兹线圈定位，先准备了支撑板31，然后经过测量计算后在支撑板31上绘制出每个线圈的垂直投影位置，以此来确定各线圈间的位置关系，最后使用金属粘合剂对三对线圈进行固定和安装，其中线圈32和线圈33组成一对Z轴亥姆霍兹线圈，线圈34和线圈35组成一对Y轴亥姆霍兹线圈，线圈36和线圈37组成一对X轴亥姆霍兹线圈。
运算放大器23输出的放大的三路电压信号的输出电流分别与三对亥姆霍兹线圈连接。
数模转换芯片22以及运算放大器23采用射极跟随器的方式进行连接。
本实用新型的工作流程为：
如图4，三维磁场的矢量方向由磁场在X-Y平面中的投影与x轴的夹角α以及磁场方向与X-Y平面的夹角β确定。电脑1通过编写的Labview程序采集用户输入的磁场大小和磁场方向信息，用户只要输入磁场大小B、X-Y轴平面中的α角以及Y-Z轴平面中的β角就可以确定三维磁场，然后再通过计算便可以得到X轴、Y轴、Z轴各自的磁场强度Bx、By、Bz并以二进制的形式发送给控制器2中的单片机21进行处理。
其中，Bx＝Bcosαcosβ(2)
By＝Bcosβsinα(3)
Bz＝Bsinβ (4)
一对亥姆霍兹线圈的磁场发生公式为：
B＝(4/5)3/2×u0×N×I×R(1)
其中u0为真空磁导率，N为环绕线圈的匝数，I为线圈中的电流值，R为线圈的半径，当线圈半径以及匝数不变的情况下，改变电流值I即可以改变磁场B的大小，当输入电流值I为直流时产生的磁场为直流磁场，当输入电流值I为交流时产生的磁场即为交流磁场，同理通过调整空间内互相垂直的三对亥姆霍兹线圈的输入电流Ix、Iy、Iz，便可以改变三对亥姆霍兹线圈的磁场Bx、By、Bz，从而根据向量叠加的方法
便可以得到一个三维方向上的交直流磁场。
用户设定的磁场信息由电脑1按照公式(2)、(3)、(4)计算处理以后以二进制格式通过RS232串口25发送给单片机21，单片机21按照公式(1)对这些数据进行分析以及处理以后，通过SPI通讯方式控制数模转换芯片22输出三路一定频率以及大小的电压信号，这些信号最后再经过运算放大器23进行电流放大以后连接到输出端口26，输出端口26再分三路分别与X轴、Y轴、Z轴的三对亥姆霍兹线圈连接。三维线圈3最终得到的磁场由这三对亥姆霍兹线圈分别产生的磁场叠加而成。若输入三维线圈3的是直流电压，则产生直流磁场；若输入三维线圈3的是交流电压，则产生交流磁场。
Claims (5)
1.一种三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，包括产生磁场的线圈和控制装置，所述的控制装置包括电脑以及连接电脑和线圈的用于控制和驱动线圈的控制器，其特征在于，所述的线圈为由两两互相垂直的三对亥姆霍兹线圈组成的三维亥姆霍兹线圈，所述的三对亥姆霍兹线圈的轴向方向分别对应三维坐标轴中的X轴、Y轴和Z轴，三对亥姆霍兹线圈的中心点为坐标原点。
2.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，其特征在于，所述的控制器包括依次连接的用于运算和处理电脑串口发送的磁场信息的单片机、用于产生三路电压信号的数模转换芯片以及用于放大三路电压信号的输出电流的运算放大器；所述的运算放大器输出的放大的三路电压信号的输出电流分别与三对亥姆霍兹线圈连接；
所述的数模转换芯片以及运算放大器采用射极跟随器的方式进行连接。
3.根据权利要求2所述的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，其特征在于，所述的单片机为PIC18F6722型单片机。
4.根据权利要求2所述的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，其特征在于，所述的数模转换芯片为AD5724型数模转换芯片。
5.根据权利要求2所述的三维亥姆霍兹线圈交直流磁场发生装置，其特征在于，所述的运算放大器为OPA548型运算放大器。
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