CN204679618U - 一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置，包括三对亥姆霍兹线圈圆环、分别与三对亥姆霍兹线圈圆环对应连接的三对‘井’字型支架、水平旋转底座和传感器安装台。一对‘井’字型支架对应连接在一对亥姆霍兹线圈圆环之间，传感器安装台水平连接在Y分量线圈圆环底部的“井”字型支架上。水平旋转底座上设有U形支架，U形支架支撑在Z分量线圈圆环的外侧下方。其结构保证了磁场分布的均匀性，同时，利用水平旋转底座完成了三维正交线圈位置和角度的调整，结构简单、使用方便，易于加工，保证了测试过程的灵活性，扩展了适用范围。

Description

一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置

技术领域

本实用新型涉及一种产生均匀磁场的装置，特别涉及一种可在一定空间内提供高均匀度三维正交交直流磁场的装置，该装置适用于三轴磁场探头校准、磁场补偿和构建设定的磁场环境。

背景技术

随着科技进步，各种磁感应探头、线圈或设备的使用越来越多，其要求的使用环境和使用精度也越来越高，针对此类产品的测试和试验过程，设计一个均匀的磁场检测环境，提供一个可靠的测试操作装置，就成为本实用新型想要解决的首要问题。

发明内容

本实用新型旨在提供一种基于亥姆霍兹线圈产生三分量均匀磁场的三维正交线圈装置，以满足对磁探头或其它电磁设备的测试需要。

为了获得较高均匀度的磁场线圈，可以通过构造具有平面对称的轴对称线圈来实现。其中，基于亥姆霍兹线圈的三维正交线圈系统就成为首选。

亥姆霍兹线圈由两个半径相同、匝数相同、中心距离等于线圈半径的圆线圈组成，根据毕奥-萨伐尔定律和磁场叠加原理，可以得到亥姆霍兹线圈轴线上任一点的磁感应强度为：

$B\left(x\right)=B_1\left(x\right)+B_2\left(x\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NIR}\{{[R^2+{(\frac{R}{2}+x)}^2]}^{-\frac{3}{2}}+{[R^2+{(\frac{R}{2}-x)}^2]}^{-\frac{3}{2}}\}$

其中，R为线圈半径，I为通电电流强度，N为线圈匝数，μ₀为磁导率。

亥姆霍兹线圈在原点0处的磁场B(x)为：

$B\left(x\right)=\frac{8}{5\sqrt{5}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{NI}}{R}$

轴上任一点与中心处磁场B(0)的相对偏差为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{B\left(x\right)-B\left(0\right)}{B\left(0\right)}=-\frac{144}{125}{\left(\frac{x}{R}\right)}^4$

轴外场一点(r，x)处的磁场的轴向分量Bx(r，x)及径向分量Br(r，x)(只取二级近似)：

$\mathrm{Bx}(r,x)=B\left(0\right)[1-\frac{144}{125}({\mathrm{\ξ}}^4-{3\mathrm{\ξ}}^2{\mathrm{\ρ}}^2+\frac{3}{8}{\mathrm{\ρ}}^4)]$

$\mathrm{Br}(r,x)=B\left(0\right)\frac{144}{125}({2\mathrm{\ξ}}^3\mathrm{\ρ}-\frac{3}{2}\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ρ}}^3)$

对于亥姆霍兹线圈的均匀区，相对偏差ε≤0.1％时，轴向x≤0.172R，径向r≤0.147R。如需进一步提高磁场的均匀度，可对多个线圈选用合适的匝数比、或使它们处于合适的位置、或采用球形线圈即可实现。

本实用新型是通过以下技术来实现的：

一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置，包括三对亥姆霍兹线圈圆环、分别与三对亥姆霍兹线圈圆环对应连接的三对‘井’字型支架、水平旋转底座和传感器安装台；三对亥姆霍兹线圈圆环分别为一对X分量线圈圆环、一对Y分量线圈圆环和一对Z分量线圈圆环，三对亥姆霍兹线圈圆环的内侧分别设有两个圆孔，每对亥姆霍兹线圈导线穿过圆孔相互连接，一对‘井’字型支架对应连接在一对亥姆霍兹线圈圆环之间；传感器安装台水平连接在Y分量线圈圆环底部的“井”字型支架上，X分量线圈圆环和Z分量线圈圆环底部的‘井’字型支架分别与传感器安装台固定连接；水平旋转底座包括固定基座、连接在固定基座上的水平转台以及固定在水平转台上的U形支架；固定基座下方设有三个可调节高度的支撑脚，固定基座表面设有水平仪；U形支架的顶端分别设有连接轴，Z分量线圈圆环支撑并连接在连接轴上。三对亥姆霍兹线圈圆环架空在U形支架上，三对亥姆霍兹线圈圆环可整体倾斜57°±1°。

所述亥姆霍兹线圈的线径为0.9mm，X分量线圈圆环、Y分量线圈圆环和Z分量线圈圆环的直径分别为64cm、56cm、50cm。

所述传感器安装台的中心设有安装用通孔。

所述水平转台上还设有定位螺丝。

本实用新型所述的一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置的有益效果包括：

1.采用亥姆霍兹线圈可产生均匀性较好的磁场，具有结构简单，易于加工等特点。

2.三对不同直径的亥姆霍兹线圈通过‘井’字型支架进行连接和固定，结构紧凑、牢固，实现了线圈的三维正交，保证了测试磁场的均匀分布。

3.实现了三维正交亥姆霍兹线圈在水平方向360°的自由旋转，同时，又可在垂直方向上倾斜57°±1°，提高了使用的灵活性，扩展了适用范围。

4.传感器安装台用于在线圈磁场均匀区内承载测试设备或磁探头，为测试过程提供了方便。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型中三对亥姆霍兹线圈的结构连接示意图。

图3为本实用新型中水平旋转底座的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、图2、图3对本实用新型做进一步的描述：

本实用新型所述的一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置，包括三对亥姆霍兹线圈圆环、分别与三对亥姆霍兹线圈圆环对应连接的三对‘井’字型支架2、水平旋转底座和传感器安装台4。

亥姆霍兹线圈性能的关键在于线圈和支架材料的选取以及线圈线径的计算。本例中，采用具有高的塑性、较高持久蠕变强度以及良好抗氧化性和冲压、焊接等性能的GH128镍基合金作为线圈骨架材料，并以LY12硬铝合金作为‘井’字型支架材料，制作出24根连接用支架。

三对亥姆霍兹线圈圆环分别为一对X分量线圈圆环5、一对Y分量线圈圆环6和一对Z分量线圈圆环7，三对亥姆霍兹线圈圆环的内侧分别设有两个圆孔，每对亥姆霍兹线圈导线穿过圆孔后可以相互连接。为了能产生高均匀区磁场和使区域外磁场能快速衰减，并使放电回路工作在过阻尼状态，在结构设计上应尽量减小线圈的电感。因此，本例中，选定亥姆霍兹线圈线径为0.9mm，X分量线圈圆环5、Y分量线圈圆环6和Z分量线圈圆环7的直径分别为64cm、56cm、50cm。

一对‘井’字型支架对应连接在一对亥姆霍兹线圈圆环之间，通过螺栓和螺母的连接，一对‘井’字型支架可将一对亥姆霍兹线圈圆环牢牢固定。传感器安装台4水平连接在Y分量线圈圆环6底部的“井”字型支架上，X分量线圈圆环5和Z分量线圈圆环7底部的‘井’字型支架从不同的方向分别与传感器安装台4固定连接，从而使三对亥姆霍兹线圈圆环和传感器安装台4形成一个可靠的测试整体。当然，为便于固定待测试传感器，在传感器安装台4的中心处还可设有安装用通孔。

为实现亥姆霍兹线圈圆环的整体水平旋转，在其下方还安装有水平旋转底座。水平旋转底座包括固定基座9、连接在固定基座9上的水平转台10以及固定在水平转台10上的U形支架13。固定基座9下方设有三个可调节高度的支撑脚18，固定基座9表面设有水平仪。U形支架13的两个顶端分别设有连接轴15，连接轴15与Z分量线圈圆环7的外侧相连接，并将三对亥姆霍兹线圈圆环整体临空支撑。当通过支撑脚13调整整个三维正交线圈装置的水平高度时，位于U形支架13上的三对亥姆霍兹线圈圆环可整体倾斜57°±1°，保证了测试过程的适用性。为方便使用过程，在水平转台10上还设有定位螺丝16。

具体使用时，将待检测传感器放置在传感器安装台4的通孔中，通过旋转水平转台10，调整三对亥姆霍兹线圈的空间角度，然后将定位螺丝16拧紧，水平转台10位置被固定，接着，调整固定基座9下方的三个均匀分布的支撑脚18，并根据水平仪的指示，确保固定基座9位置水平，整个装置调整完成，最后，对三对亥姆霍兹线圈进行通电，并开始对待测传感器进行检测，直至检测完成。

Claims (5)

1.一种磁场均匀分布的三维正交线圈装置，其特征在于，包括三对亥姆霍兹线圈圆环、分别与三对亥姆霍兹线圈圆环对应连接的三对‘井’字型支架、水平旋转底座和传感器安装台；所述三对亥姆霍兹线圈圆环分别为一对X分量线圈圆环、一对Y分量线圈圆环和一对Z分量线圈圆环，三对亥姆霍兹线圈圆环的内侧分别设有两个圆孔，每对亥姆霍兹线圈导线穿过圆孔相互连接，一对‘井’字型支架对应连接在一对亥姆霍兹线圈圆环之间；所述传感器安装台水平连接在Y分量线圈圆环底部的“井”字型支架上，X分量线圈圆环和Z分量线圈圆环底部的‘井’字型支架分别与传感器安装台固定连接；所述水平旋转底座包括固定基座、连接在固定基座上的水平转台以及固定在水平转台上的U形支架；所述固定基座下方设有三个可调节高度的支撑脚，固定基座表面设有水平仪；所述U形支架的顶端分别设有连接轴，Z分量线圈圆环支撑并连接在连接轴上。

2.根据权利要求1所述的磁场均匀分布的三维正交线圈装置，其特征在于，所述三对亥姆霍兹线圈圆环架空在U形支架上，三对亥姆霍兹线圈圆环可整体倾斜57°±1°。

3.根据权利要求1所述的磁场均匀分布的三维正交线圈装置，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈的线径为0.9mm，X分量线圈圆环、Y分量线圈圆环和Z分量线圈圆环的直径分别为64cm、56cm、50cm。

4.根据权利要求1所述的磁场均匀分布的三维正交线圈装置，其特征在于，所述传感器安装台的中心设有安装用通孔。

5.根据权利要求1所述的磁场均匀分布的三维正交线圈装置，其特征在于，所述水平转台上还设有定位螺丝。