CN212275938U - 一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，用于探测线圈的磁感应强度分布规律，包括线圈底座、二维方孔板、直流数字电压表、稳压稳流直流电源、霍尔探头及导线，所述线圈底座上部固定有垫板，所述垫板上部与二维方孔板固定在一起，所述二维方孔板均布设有多个大小相等且具有隔断的方孔，通过切除若干隔断形成两个长槽，所述垫板设置与二维方孔板上下对应尺寸相同的两个长槽。与现有技术相比，本实用新型借助方孔板实现霍尔探头的定位和定向测量，测量数据可利用Origin软件和Matlab软件处理，测量结果准确，测量方便、快捷，形象直观，成本低，具有一定推广和使用价值。

Description

一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器

技术领域

本实用新型涉及电工电子测量用具技术领域，具体涉及一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器。

背景技术

磁场与现代科学研究紧密相连，也与生活生产息息相关。地质勘探、磁导航、电子束和离子束加工装置、受控热核反应和人造地球卫星等领域均涉及磁场测量问题。磁场描绘也是普通物理实验课中的重要内容之一。目前的磁场描绘仪主要有两种，第一种是采用探测线圈研究圆线圈及亥姆霍兹线圈的磁场，第二种是利用霍尔效应探头研究圆线圈及亥姆霍兹线圈的磁场。第一种的原理是电磁感应，该仪器可以研究线圈轴线上各点的磁感应强度的分布规律，能够确定磁场方向，画出磁感线。该方法的缺点有：第一，感应电动势很微弱，不易测量。第二，探测线圈使用频繁,线径又太细，经常接触不良。第三，探测线圈与毫伏表构成回路，回路内的交变电流导致探测线圈自身产生一个自感电动势影响测量。第四，描绘磁感线时，操作起来既困难又费劲。第二种的原理是霍尔效应，如目前实验室常使用的DH4501A磁场描绘仪，该仪器能测量磁场中不同位置各点沿着轴线方向的磁感应强度，可以研究研究线圈轴线上各点的磁感应强度的分布规律。该方法的缺点有：第一，霍尔元件的移动需要依靠手动转动丝杆，测量比较辛苦；第二，无法确定磁场方向，不能描绘磁感线。

采用霍尔元件测量磁感应强度，灵敏而稳定，读数方便，逐渐成为磁场描绘实验的主流方法。现有的利用霍尔效应的磁场描绘仪，如DH4501A，不能确定磁场的方向，因此，有必要设计一种利用霍尔效应既能探测线圈轴线上各点的磁感应强度的分布规律，又能确定磁场方向、画出磁感线的方法。全自动磁场分布测量仪可以实现磁感应强度的自动化测量，但是，需要复杂的机械运动系统、驱动控制系统、数据采集磁铁和软件系统，不便在学生实验中推广。因此，有必要开发一种新的磁场描绘仪器。

发明内容

为解决上述缺陷，本实用新型的目的在于提出一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，自动化程度高，不仅能探测线圈轴线上各点的磁感应强度的分布规律，又能确定磁场方向和画出磁感线，在教学实验中具有重要的推广意义。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，用于探测线圈的磁感应强度分布规律，其特征在于：包括线圈底座、二维方孔板、直流数字电压表、稳压稳流直流电源及霍尔探头，所述线圈底座上部固定有垫板，所述垫板上部与二维方孔板固定在一起，所述二维方孔板均布设有多个大小相等且具有隔断的方孔，通过切除若干隔断形成两个长槽，所述垫板设置与二维方孔板上下对应尺寸相同的两个长槽，所述长槽通过长度与线圈外径相等，宽度与线圈厚度相等，使两个长槽分别卡接一线圈，线圈底部位于线圈底座上，两线圈串联在一起，通过连接稳压稳流直流电源形成磁场；

所述霍尔探头与直流数字电压表连接，且所述霍尔探头具有一与方孔大小相等的基座，所述基座底面为探测面，探测时通过手持霍尔探头，将霍尔探头的基座插入方孔，依次测量每个方孔在两线圈轴向和径向的磁感应强度，利用Origin软件或Matlab软件按照矢量合成画出每个方孔处的磁感应强度矢量，得到磁感应强度矢量分布图。

进一步地，所述方孔的行距与列距相等，通过在竖直方向切除若干隔断来形成的两个长槽，相隔一定距离设置。

所述二维方孔板上设置的多个方孔，以行的方向为X轴，列的方向为Y轴，使每个方孔的坐标为（x，y），按照每个方孔的坐标来对检测点的磁场强度进行一一记录。

所述二维方孔板和垫板通过外侧的不锈钢扣板固定，所述垫板通过自身设有的螺丝孔加装螺钉与线圈底座固定在一起。

所述霍尔探头还包括设于基座中心处的霍尔元件，使霍尔元件的探测平面处于基座底面，所述基座上部固定有面包板，霍尔元件上的导线穿过面包板一侧与直流数字电压表连接，所述面包板上设置有用于拿取探头的手柄，将霍尔探头的基座插入方孔，依次测量每个方孔在两线圈轴向和径向的磁感应强度，磁感应强度通过直流数字电压表显示的霍尔电压计算出来，利用软件按照矢量合成画出每个方孔处的磁感应强度矢量，得到磁感应强度矢量分布图。

所述线圈采用亥姆霍兹线圈。

本实用新型利用二维方孔板的孔确定待测点，可以迅速完成待测点磁感应强度的测量和分布规律，利用二维方孔板可以迅速给待测点赋予X坐标和Y坐标，然后利用Origin软件或Matlab软件的强大绘图功能给出磁感应强度的等值线图，三维彩色映射表面图和磁感应强度矢量分布图。

本实用新型中的二维方孔板最大的特征是，孔的排列是按照方孔排列，行与列相互垂直，行距与列距相等，方孔板上从中间切下的两个长槽，长槽的长度等于线圈外径，长槽的宽度等于线圈的厚度，刚好可以卡到线圈直径位置。孔间距要根据所用亥姆霍兹线圈的尺寸确定，确定的原则是将方孔板固定到线圈直径位置时，线圈截面只占据一个方孔，不影响孔的整体排列，由于孔按照方格排列，假设行的方向为X轴，列的方向为Y轴，可以方便地确定每个方孔的坐标（x, y），二维方孔板的厚度要合适，一般在10mm，方孔板的边长要合适，一般是20mm，方孔板的厚度要适中，厚度太小，坐标板容易破裂，霍尔探头的定位困难，厚度如果太大，不但沉重，而且不便使用霍尔探头。

本实用新型中采用的垫板采用高强度亚克力板制作，垫板的外形尺寸与二维方孔板相同，中间切掉两个矩形长条，长条的长度等于线圈外直径，长条的宽度等于线圈的厚度，垫板中间钻四个小孔，四个孔能够与线圈底座上的四个螺丝孔重合；垫板可行从上往下卡扣到亥姆霍兹线圈的直径位置，中间的四个孔与线圈底座上的四个螺丝孔对齐，用螺丝拧紧固定，测量时，二维方孔板要套过线圈放在垫板上，四边用夹子或螺丝与垫板固定到一起。垫板的作用是：一方面，作为二维方孔板的孔底，防止霍尔探头和直径处长条状孔板的陷入；另一方面，垫板也起到加固作用，防止二维方孔板在重力作用下四边下垂。

本实用新型中的霍尔探头由霍尔元件、基座、面包板和手柄组成，霍尔元件选用高灵敏度的线性霍尔元件。基座采用边长为20mm、厚度为10mm的方形透明亚克力板制作，基座中心钻一个直径为6mm、深度为8mm的孔，对底座进行高温抛光处理，使基座变的晶莹剔透，切割一块长30mm宽25mm的面包板，将霍尔元件头朝下插入基座中心的孔内，使霍尔元件的探测平面与基座底面平齐，保持面包板和底座的相对位置不变，利用热熔胶进行固定；在面包的背面利用热熔胶固定一个小巧的手柄，高度不超过20mm，这样就制作出一个霍尔元件探头，给霍尔探头供5V的直流电压，霍尔探头输出的霍尔电压由直流数字电压表测量。

现有技术中的全自动或半自动磁场描绘仪利用计算机、单片机、步进电机、丝杠导轨和磁场测量传感器等，完成对磁场中部分场点的定位和磁感应强度的测量，成本高，测量效率低，不易推广使用；本实用新型转换思路，利用二维方孔板确定待测点的位置和坐标，协助霍尔探头迅速完成待测点的磁感应强度测量，根据测量数据利用Origin软件或Matlab软件的绘图功能，可以得到磁感应强度的分布图。

与现有技术相比，孔板的稳恒磁场描绘器，借助方孔板实现霍尔探头的定位和定向测量，测量数据可利用Origin软件和Matlab软件处理，测量结果准确，测量方便、快捷，形象直观，成本低，具有一定推广和使用价值。

附图说明

下面结合附图及实施例，对本发明的结构和特征做进一步描述。

图 1 是本实用新型的结构示意图。

图 2 是图1中去掉霍尔探头的俯视图。

图 3 是图1中垫板的结构示意图。

图4是本实用新型中载流圆线圈的Bxr的三维彩色映射表面图。

图5是本实用新型中载流圆线圈的Byr的三维彩色映射表面图。

图6 是本实用新型中载流圆线圈的磁力线分布图。

图7是本实用新型中亥姆霍兹线圈的Bxr的三维彩色映射表面图。

图8 是本实用新型中亥姆霍兹线圈的Byr的三维彩色映射表面图。

图9是本实用新型中亥姆霍兹线圈的磁力线分布图。

附图1-3中，1. 亥姆霍兹线圈，2.线圈底座，3.线圈接入端，4.垫板，5.二维方孔板，6.扣板，7.手柄，8.面包板，9.基座，10.方孔，11.隔断，12.长槽，13.螺孔。

具体实施方式

附图1-5是本实用新型的一种实施例，公开了一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，用于探测线圈的磁感应强度分布规律，包括线圈底座2、二维方孔板5、直流数字电压表、稳压稳流直流电源及霍尔探头，所述线圈底座2上部固定有垫板4，所述垫板4上部与二维方孔板5固定在一起，所述二维方孔板5均布设有多个大小相等且具有隔断11的方孔10，通过切除若干隔断形成两个长槽12，所述垫板4设置与二维方孔板5上下对应尺寸相同的两个长槽12，所述长槽12通过长度与亥姆霍兹线圈1外径相等，宽度与亥姆霍兹线圈1厚度相等，使两个长槽分别卡接一线圈，线圈底部位于线圈底座2上，两线圈串联在一起，通过连接稳压稳流直流电源形成磁场；

所述霍尔探头还包括设于基座中心处的霍尔元件，使霍尔元件的探测平面处于基座9底面，基座9尺寸与方孔大小相等，能够插入方孔中，所述基座9上部固定有面包板8，霍尔元件上的导线穿过面包板一侧与直流数字电压表连接，所述面包板8上设置有用于拿取探头的手柄7，将霍尔探头的基座9插入方孔10，依次测量每个方孔10在两线圈轴向和径向的磁感应强度，磁感应强度通过直流数字电压表显示的霍尔电压计算出来，利用软件按照矢量合成画出每个方孔处的磁感应强度矢量，得到磁感应强度矢量分布图。

所述二维方孔板10和垫板4通过外侧的不锈钢扣板6固定，所述垫板4通过自身设有的螺孔13加装螺钉与线圈底座2固定在一起。

其中的二维方孔板利用激光切割技术，在长81.4cm，宽61cm，厚10mm的亚克力板上，切割出图1和2所示的二维方孔板，方孔的边长是20mm，方孔的行间距和列间距都是26mm。利用激光从方孔板上从中间切下的两个长条状孔板，长条的长度等于线圈外直径24cm，长条的宽度等于线圈的厚度26mm，能够卡到线圈直径位置，从中间切下的两个长条状孔板，两端各切掉一格，以便测量时填补线圈直径上缺失的7个方孔。

其中的垫板采用高强度亚克力板制作，垫板长81.4cm，宽61cm，厚10mm，如图3所示，中间切掉两个矩形长条，长条的长度等于24cm，长条的宽度等于26mm。垫板中间钻四个圆孔，四个圆孔的连线刚好构成一个正方形，圆孔间距为30mm，圆孔直径4mm，可以与图3所示的亥姆霍兹线圈底座上的四个螺丝孔重合。

垫板可行从上往下卡扣到亥姆霍兹线圈的直径位置，中间的四个孔与线圈底座上的四个螺丝孔对齐，用直径为4mm螺丝拧紧固定。测量时，二维方孔板要套过线圈放在垫板上，四边用夹子夹在一起。

利用基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器测量载流圆线圈的磁场分布情况，首先，将方孔板和垫板叠放在桌上，方孔板在上，垫板在下，四角和卡口对齐，利用夹子将方孔板和垫板的四边固定在一起，使方孔板和垫板成为一体。将方孔板和垫板的卡口对准亥姆霍兹线圈慢慢放下去，适当调整使方孔板水平地卡在亥姆霍兹线圈的直径处并固定住。利用稳压稳流直流电源给载流圆线圈（亥姆霍兹线圈的一支）提供稳恒电流，电流为500mA。给霍尔探头提供5V电压，利用直流数字电压表测量霍尔探头输出的霍尔电压。测量前，预热10分钟。设线圈的轴线方向为X轴，与线圈轴线垂直的方向为Y轴，将霍尔探头面朝X轴正向、依次插入方格内，记录霍尔电压，得到轴线方向磁感应强度的信息；将霍尔探头面朝Y轴正向、依次插入方格内，记录霍尔电压，得到垂直于轴线方向磁感应强度的信息。将线圈电流减小为零，记录霍尔探头面朝X方向和Y方向时的霍尔电压，得到背景磁感应强度信息。利用有电流时的霍尔电压减去没有电流时的霍尔电压，就得到线圈磁场所引起的霍尔电压，这个电压就可以相表征磁感应强度的相对大小。

利用基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器测量亥姆霍兹线圈磁场的分布情况，方孔板和垫板的安装与测试载流圆线圈时相同，利用稳压稳流直流电源给载流圆线圈提供稳恒电流（两个线圈同时供电），电流为500mA。测量方法和数据处理方法也一样，得到亥姆霍兹线圈的磁场分布数据。

测试结果：按照上述测量方法，测量了载流圆线圈的磁场分布，得713个数据。赋予坐标后，利用Origin软件将横坐标，纵坐标，霍尔电压这三列数转为一个23×31的矩阵，再利用Origin软件的绘图功能得到载流圆线圈沿轴线方向的磁感应强度Bxr的彩色三维映射表面图如图4所示，垂直于轴线方向的磁感应强度Byr的彩色三维映射表面图如图5所示,利用Matlab软件可以得到载流圆线圈的磁力线分布图，如图6所示。

同理，按照上述测量方法，测量了亥姆霍兹线圈的磁场分布，也得到713个数据。赋予坐标后，利用Origin软件转为矩阵，利用Origin软件的绘图功能得到亥姆霍兹线圈沿轴线方向的磁感应强度Bxr的彩色三维映射表面图如图7所示，垂直于轴线方向的磁感应强度Byr的彩色三维映射表面图如图8所示,利用Matlab软件可以得到亥姆霍兹线圈的磁力线分布图，如图9所示。

发明与背景技术相比所具有的有意义的结果

传统的磁场描绘仪有两类，一类是由亥姆霍兹线圈和探测线圈组成，采用电磁感应法探测磁场。该方法在研究载流线圈轴线上各点的磁感应强度分布时，需要利用坐标纸定位，利用交流毫伏表测量线圈中感应电动势的大小。由于坐标纸比较粗略，交流毫伏表特别敏感而且探测线圈特别容易受到外界干扰，因此，很难准确定位和准确测量。此外，探头直接在线圈中心轴面平台上通过手移动和转动, 操作不便, 特别是容易损坏探测线圈的输出线。另一类是由亥姆霍兹线圈和霍尔元件组成，采用霍尔效应探测磁场。该方法能够准确定位、准确测量直流线圈轴线上各点的磁感应强度。但是，霍尔元件只能沿着固定的轨道移动，而且霍尔元件的法线与线圈轴线始终平行，不能用来描绘磁力线，不能形象反应磁场的分布情况；由于其螺距小，测量中需要用手拧转上百圈，读数也繁琐，因此加大了实验者负担；测量中一旦转动过度，需要反向移动霍尔元件探头时就会产生回程差。

采用基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，无需到处寻点，待测点的位置由二维方孔板的孔确定出来了，只要利用霍尔探头将每个孔对应位置的磁感应强度测量一下并记录下来，效率得到提高。

传统磁场描绘仪在坐标纸上，利用探测线圈感应电动势极小值的取向判断磁感应强度的方向，手动画出磁力线。在线圈轴线上，利用坐标纸判断待测点的位置，利用探测线圈感应电动势的极大值表征磁感应强度的相对大小，从而得到磁感应强度沿轴线方向的分布规律。不能精确研究磁感应强度在整个过轴线的平面上随位置坐标的变化情况。采用基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器可以准确得到相当数量场点的坐标和磁感应强度信息，可以利用Origin软件或Matlab 软件进一步定量研究磁感应强度随位置坐标的变化情况，还可以给出磁感应强度的分布和磁力线分布。

传统磁场描绘仪为了描绘磁力线需要使用坐标纸，测一种磁场分布就得用一块坐标纸，再加上裁剪坐标纸时剩余的边边角角，构成一种浪费。采用基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，无需使用坐标纸，只需要做几块二维方孔板、垫板和几个霍尔探头就可以重复使用。

此外，本实用新型提出的基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器适用于载流圆线圈和亥姆霍兹线圈的稳恒磁场描绘实验，与现有的亥姆霍兹线圈可以方便地结合使用，在稳恒磁场的测量和研究方面具有重要意义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，用于探测线圈的磁感应强度分布规律，其特征在于：包括线圈底座、二维方孔板、直流数字电压表、稳压稳流直流电源及霍尔探头，所述线圈底座上部固定有垫板，所述垫板上部与二维方孔板固定在一起，所述二维方孔板均布设有多个大小相等且具有隔断的方孔，通过切除若干隔断形成两个长槽，所述垫板设置与二维方孔板上下对应尺寸相同的两个长槽，所述长槽通过长度与线圈外径相等，宽度与线圈厚度相等，使两个长槽分别卡接一线圈，线圈底部位于线圈底座上，两线圈串联在一起，通过连接稳压稳流直流电源形成磁场；

所述霍尔探头与直流数字电压表连接，且所述霍尔探头具有一与方孔大小相等的基座，所述基座底面为探测面。

2.根据权利要求1所述的基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，其特征在于：所述方孔的行距与列距相等，通过在竖直方向切除若干隔断来形成的两个长槽，相隔一定距离设置。

3.根据权利要求1所述的基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，其特征在于：所述二维方孔板上设置的多个方孔，以行的方向为X轴，列的方向为Y轴，使每个方孔的坐标为（x，y），按照每个方孔的坐标来对检测点的磁场强度进行一一记录。

4.根据权利要求1所述的基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，其特征在于：所述二维方孔板和垫板通过外侧的不锈钢扣板固定，所述垫板通过自身设有的螺丝孔加装螺钉与线圈底座固定在一起。

5.根据权利要求1所述的基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，其特征在于：所述霍尔探头还包括设于基座中心处的霍尔元件，使霍尔元件的探测平面处于基座底面，所述基座上部固定有面包板，霍尔元件上的导线穿过面包板一侧与直流数字电压表连接，所述面包板上设置有用于拿取探头的手柄。

6.根据权利要求1所述的基于二维方孔板的稳恒磁场描绘器，其特征在于：所述线圈采用亥姆霍兹线圈。

Images