CN205539523U - 地磁水平分量动态监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，包括：线圈、悬挂装置、扭转放大装置、监控装置，线圈通过悬挂装置悬挂在空中，并在通电后在地磁作用下扭转，扭转放大装置将线圈的扭转角度进行显示放大，监控装置监控扭转放大装置显示结果，处理后得到动态的地磁水平分量。本实用新型的地磁水平分量动态监控装置运用了力学、光学以及计算机处理图片的技术，时时刻刻可以精确地反映出地磁水平分量的大小，成功地对地磁水平分量的大小进行了动态监控。

Description

地磁水平分量动态监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种监控装置，具体涉及一种地磁水平分量动态监控装置，本实用新型属于物理检测仪器领域。

背景技术

由于地磁水平分量较小，普通的特斯拉计难以检测，目前的一些测量地磁水平分量的装置都只能停留在测量大小方面，而且装置成本都比较高，市场上没有动态监控地球磁场水平分量的装置。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种地磁水平分量动态监控装置，以解决现有技术只能测量地磁水平分量的大小、装置成本较高的技术问题。

为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：

地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，包括：线圈、悬挂装置、扭转放大装置、监控装置，线圈通过悬挂装置悬挂在空中，并在通电后在地磁作用下扭转，扭转放大装置将线圈的扭转角度进行显示放大，监控装置监控扭转放大装置显示结果，处理后得到动态的地磁水平分量。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，在线圈未通电时，线圈平面的法向与地磁水平方向垂直。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，通过指南针确定线圈的初始平衡位置。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述悬挂装置包括悬挂导线、固定端，所述悬挂导线一端连接固定端，另一端连接线圈。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，悬挂导线包括第一悬挂导线、第二悬挂导线，固定端包括固定顶端、固定底端，线圈包括相对的两端，第一悬挂导线的一端连接固定顶端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的一端，第二悬挂导线的一端连接固定底端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的另一端。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述扭转放大装置包括反射镜组件、光屏、光点产生装置，光电产生装置产生的光点打在反射镜组件上，并通过反射镜组件显示在光屏上，反射镜组件与线圈相连，并跟随线圈扭转而扭转。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述反射镜组件包括第一反射镜、第二反射镜，所述第一反射镜与线圈固定连接，光电产生装置产生的光点通过第一反射镜反射到第二反射镜上，再通过第二反射镜反射显示到光屏上。

前述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述监控装置包括摄像机、计算机系统，摄像机连接计算机系统，摄像机拍摄光点照片后将照片传输给计算机系统，由计算机系统处理后得到动态的地磁水平分量。

本实用新型的有益之处在于：本实用新型的地磁水平分量动态监控装置运用了力学、光学以及计算机处理图片的技术，时时刻刻可以精确地反映出地磁水平分量的大小，成功地对地磁水平分量的大小进行了动态监控。

附图说明

图1是本实用新型地磁水平分量动态监控装置的一个优选实施的结构示意图；

图2是本实用新型地磁水平分量动态监控装置反射路径的几何模型；

图3是本实用新型地磁水平分量动态监控装置用matlab处理图片的技术，计算出每张图片中光点的位置，绘制出光点位移与时间的曲线光点位移与时间的曲线。

图中附图标记的含义：

1、线圈，2、第一悬挂导线，3、第二悬挂导线，4、固定顶端，5、固定底端，6、第一反射镜，7、第二反射镜，8、光屏，9、光点产生装置，10、摄像机，11、外箱。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。

参照图1所示，本实用新型地磁水平分量动态监控装置，包括：线圈1、悬挂装置、扭转放大装置、监控装置，线圈1通过悬挂装置悬挂在空中，并在通电后在地磁作用下扭转，扭转放大装置将线圈1的扭转角度进行显示放大，监控装置监控扭转放大装置显示结果，处理后得到动态的地磁水平分量。线圈1、悬挂装置、扭转放大装置、监控装置均可以设置在外箱11内,外箱能够减少外界因素对线圈1、悬挂装置、扭转放大装置、监控装置的干扰。使得监控更为精确。这些外界因素可以是空气扰动、外力振动等。

下面介绍本实用新型的应用原理。

(1)圆轴扭转

我们以一根铜丝为例，当其发生圆轴扭转时，若最大剪应力不超过材料的比例极限，其扭转角公式：

其中，M_x是铜丝横截面上的扭矩，L是铜丝的长度，G是铜丝的剪切模量，Ip是横截面对截面形心极惯性矩，横截面是圆形。

若铜丝转动一个角度θ，则铜丝最下端横截面上的扭矩为:

$M=\frac{{\mathrm{\θGi}}_p}{L};$

定义扭矩系数

$k=\frac{{\mathrm{GI}}_p}{L},$ 则有：

M＝kθ。

(2)地磁水平分量计算公式

我们用两根铜丝把一个线圈1固定住，保证线圈1的转动角度等于铜丝的扭转角度，铜丝与外界的电源相连接。初始时刻把线圈1平面的法向与地磁水平方向垂直。在初始时刻，使线圈平面的法向与地磁水平分量垂直，不通电流时，线圈1系统受到重力和铜丝的拉力，处于静止，将此时线圈1所处的位置称为初始平衡位置。确定线圈1的初始平衡位置时借助于一个指南针。我们给线圈1通电流，线圈1会受到地磁水平分量的施加磁力矩，因为线圈1转动时带动了铜丝的扭转，所以线圈1同时会受到铜丝施加的反向扭矩。线圈1最后在两个力矩的作用下平衡，线圈1静止后，偏离初始平衡位置的一个角度。我们根据线圈1的受力平衡推导出地磁水平分量的计算公式：

$B=\frac{k\mathrm{\θ}}{NIScos\mathrm{\θ}};$

其中，k是材料的扭矩系数，N是线圈1的匝数，I是线圈1所通的电流，θ是线圈1偏离初始平衡位置的角度，s是线圈1所围成的面积。

(3)θ的测量

放大部分：

由于线圈1在最后静止时，偏离初始平衡位置的角度较小，不易测量，我们在装置中加入了一个激光放大的部分，在线圈1的内部固定了一个反射镜，将测量线圈1的转动的角度转化到了测量激光光点的移动距离。图2是我们激光反射路径的几何模型。根据余弦定理和正弦定理，推导出转角与光点移动距离的转换公式：

监控部分：

我们已经将线圈1的转动转换成了光点的移动，只要测量出线圈1移动的距离就可以推算出线圈1转动的角度，首先不通电流，让线圈1自由转动，然后通电流，让线圈1转动，我们用摄像头对光点的移动进行每隔0.02s拍照，并用matlab处理图片的技术，计算出每张图片中光点的位置，绘制出光点位移与时间的曲线，如图3：

不通电流时，光点位移近似为简谐运动，在平衡位置左右移动，通电流后，光点的位移

也近似为简谐运动，在一个新的平衡位置左右移动，图中的横线是线圈1的两个平衡位置。我们计算出线圈1的两个平衡位置的像素差，然后将像素差转变为实际中两个平衡位置的距离，再代入距离与转角的计算公式，得到转角大小。

动态转变：

初始时，不给线圈1通电流，使其转动，摄像头拍摄光点，matlab计算出它的初始平衡位置，接着通电流，计算出新的平衡位置，摄像机10每0.02s拍一张照片，matlab处理图片，计算出一个平衡位置点，得到一次新的平衡位置偏离原来平衡位置的角度，转角有了之后，代入到地磁水平分量的计算公式当中，得到地磁水平分量的数值大小，整个过程不超过1s。这样，整个装置就能在1s中之内测量出地磁水平分量的大小了，如果地磁突然改变，线圈1新的平衡位置就会改变，转角就会有一个新的值，地磁水平分量的大小也同样可以计算出来。

下面给出具体实施本实用新型的一个实施例。

需要说明的是，本实用新型不限制悬挂装置、扭转放大装置、监控装置的具体构造，但是作为优选，悬挂装置包括悬挂导线、固定端，悬挂导线一端连接固定端，另一端连接线圈1。进一步，本实用新型不限定悬挂导线的数量，材质、悬挂导线与线圈1的结合部位。但是作为优选，悬挂导线包括第一悬挂导线2、第二悬挂导线3，固定端包括固定顶端4、固定底端5，线圈1包括相对的两端，第一悬挂导线2的一端连接固定顶端4，第一悬挂导线2的另一端连接线圈1的一端，第二悬挂导线3的一端连接固定底端5，第一悬挂导线2的另一端连接线圈1的另一端。同样的，本实用新型不限制扭转放大装置的具体构造，作为优选，扭转放大装置包括反射镜组件、光屏8、光点产生装置9，光电产生装置产生的光点打在反射镜组件上，并通过反射镜组件显示在光屏8上，反射镜组件与线圈1相连，并跟随线圈1扭转而扭转。进一步，本实用新型不限制反射镜组件的具体构造，作为优选，反射镜组件包括第一反射镜6、第二反射镜7，所述第一反射镜6与线圈1固定连接，光电产生装置产生的光点通过第一反射镜6反射到第二反射镜7上，再通过第二反射镜7反射显示到光屏8上。同样的，本实用新型不限制监控装置具体构造，作为优选，监控装置包括摄像机10、计算机系统，摄像机10连接计算机系统，摄像机10拍摄光点照片后将照片传输给计算机系统，由计算机系统处理后得到动态的地磁水平分量。

如图1所示。该优选实施例设置装置中各个参量的数值如下表一，激光放大各部分数值如下表二：

表一：装置中各个参量的数值

表二：激光放大各部分数值

在本优选实施例中，激光源无特殊要求，线圈1无特殊要求，反射镜无特殊要求，摄像头像素优选在500万像素以上。

我们用两根铜丝把一个线圈1固定住，保证线圈1的转动角度等于铜丝的扭转角度，铜丝与外界的电源相连接。初始时刻把线圈1平面的法向与地磁水平方向垂直。确定线圈1的初始平衡位置时借助于一个指南针。我们给线圈1通电流，线圈1会受到地磁水平分量的施加磁力矩，因为线圈1转动时带动了铜丝的扭转，所以线圈1同时会受到铜丝施加的反向扭矩。线圈最后在两个力矩的作用下平衡，线圈静止后，偏离初始平衡位置的一个角度。我们根据线圈的受力平衡推导出地磁水平分量的计算公式：

$B=\frac{k\mathrm{\θ}}{NIScos\mathrm{\θ}};$

其中，k是材料的扭矩系数，N是线圈的匝数，I是线圈所通的电流，θ是线圈偏离初始平衡位置的角度，s是线圈所围成的面积。测得的地磁动态监控的数值稳定在3.01×10^{- 5}T。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，包括：线圈、悬挂装置、扭转放大装置、监控装置，线圈通过悬挂装置悬挂在空中，并在通电后在地磁作用下扭转，扭转放大装置将线圈的扭转角度进行显示放大，监控装置监控扭转放大装置显示结果，处理后得到动态的地磁水平分量。

2.根据权利要求1所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，在线圈未通电时，线圈平面的法向与地磁水平方向垂直。

3.根据权利要求2所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，通过指南针确定线圈的初始平衡位置。

4.根据权利要求3所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述悬挂装置包括悬挂导线、固定端，所述悬挂导线一端连接固定端，另一端连接线圈。

5.根据权利要求4所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，悬挂导线包括第一悬挂导线、第二悬挂导线，固定端包括固定顶端、固定底端，线圈包括相对的两端，第一悬挂导线的一端连接固定顶端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的一端，第二悬挂导线的一端连接固定底端，第一悬挂导线的另一端连接线圈的另一端。

6.根据权利要求1至5任一项所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述扭转放大装置包括反射镜组件、光屏、光点产生装置，光电产生装置产生的光点打在反射镜组件上，并通过反射镜组件显示在光屏上，反射镜组件与线圈相连，并跟随线圈扭转而扭转。

7.根据权利要求6所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述反射镜组件包括第一反射镜、第二反射镜，所述第一反射镜与线圈固定连接，光电产生装置产生的光点通过第一反射镜反射到第二反射镜上，再通过第二反射镜反射显示到光屏上。

8.根据权利要求7所述的地磁水平分量动态监控装置，其特征在于，所述监控装置包括摄像机、计算机系统，摄像机连接计算机系统，摄像机拍摄光点照片后将照片传输给计算机系统，由计算机系统处理后得到动态的地磁水平分量。