CN220455506U - 三维亥姆霍兹电磁线圈 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了三维亥姆霍兹电磁线圈，属于亥姆霍兹线圈领域，三维亥姆霍兹电磁线圈，包括移动底座，移动底座的上端安装有支架，支架的上端设有磁场测量装置，移动底座的上端设有磁通发生装置，移动底座的外侧设有控制箱，控制箱的上端安装有上位机，可以实现在使用的过程中，线圈不光能产生直流电磁场，也可以产生交流电磁场，这是补偿交流磁场的基础，且线圈体积小，可以通更高的电流，产生更大的磁场，以及可以搭载一个或者几个磁通门传感器，磁通门传感器先测得直流场屏蔽后，再产生实验所得的磁场，还可以测出周围交流磁场后以启动交流电流源进行实时补偿，提高工作效率。

Description

三维亥姆霍兹电磁线圈

技术领域

本实用新型涉及亥姆霍兹线圈领域，更具体地说，涉及三维亥姆霍兹电磁线圈。

背景技术

亥姆霍兹线圈系统可以稳定有效的产生与地磁磁场方向相反的对等高精度磁场，并使用高精度磁通门计进行实时反馈与实时调节，使系统的十万分之电源处于反馈调节状态，系统可以实时抵消地磁场的磁场波动，从而在地磁环境下产生10nT的零磁环境，

如在屏蔽房或屏蔽筒内可以产生1nT或0.1nT的梯度磁场，系统也可以随意在三维分量上产生任意设定的磁场用于科学实验与模拟地磁变化环境。

而目前的亥姆霍兹线圈仍具备一下缺陷：

第一，只产生直流电磁场，不能做交流补偿。比如，在线圈制造出想要的磁场的情况下，周围有交流磁场变化，如高铁，汽车，手机等等，不能做补偿。

第二，体积大，磁场强度，正交度都不容易保证。磁场强度不容易做高。线圈体积大，结构正交度不容易做高。

第三，与磁通门传感器配合不好，不能形成真正的闭环控制。

为此，本方案提出了一种三维亥姆霍兹电磁线圈。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供三维亥姆霍兹电磁线圈，可以实现在使用的过程中，线圈不光能产生直流电磁场，也可以产生交流电磁场，这是补偿交流磁场的基础，且线圈体积小，可以通更高的电流，产生更大的磁场，以及可以搭载一个或者几个磁通门传感器，磁通门传感器先测得直流场屏蔽后，再产生实验所得的磁场，还可以测出周围交流磁场后以启动交流电流源进行实时补偿，提高工作效率。

2.技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

三维亥姆霍兹电磁线圈，包括移动底座，所述移动底座的上端安装有支架，所述支架的上端设有磁场测量装置，所述移动底座的上端设有磁通发生装置，所述移动底座的外侧设有控制箱，所述控制箱的上端安装有上位机。

进一步的，所述磁场测量装置包括支架的上端安装的磁通门探头和控制箱内部安装的磁通门计。

进一步的，所述磁通发生装置包括移动底座上端设有多组三维等径线圈，多组所述三维等径线圈的外端安装有固定卡扣，所述控制箱的内部安装有三个电源。

进一步的，所述三维等径线圈包括第一框架和第二框架，所述第一框架的外端固定连接有定位块，所述定位块的侧端开设有第一插孔，所述第二框架的侧端开设有定位槽，所述定位槽与定位块之间相互吻合，所述第二框架的外端开设有第二插孔，所述第二插孔与定位槽之间相互连通。

进一步的，所述支架为电动伸缩杆设置。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型，线圈不光能产生直流电磁场，也可以产生交流电磁场，这是补偿交流磁场的基础。

(2)本实用新型，线圈体积小，可以通更高的电流，产生更大的磁场。

(3)本实用新型，可以搭载一个或者几个磁通门传感器，磁通门传感器先测得直流场屏蔽后，再产生实验所得的磁场，还可以测出周围交流磁场后以启动交流电流源进行实时补偿。

附图说明

图1为本实用新型整体的结构示意图；

图2为本实用新型三维等径线圈的结构示意图；

图3为本实用新型三维等径线圈的爆炸结构示意图；

图4为本实用新型线圈磁场发生系统的示意图。

图中标号说明：

1移动底座、2支架、3磁通门探头、4三维等径线圈、401第一框架、402定位块、403第一插孔、404第二框架、405定位槽、406第二插孔、5固定卡扣、6控制箱、7电源、8磁通门计、9上位机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-4，三维亥姆霍兹电磁线圈，包括移动底座1，移动底座1的上端安装有支架2，支架2的上端设有磁场测量装置，移动底座1的上端设有磁通发生装置，移动底座1的外侧设有控制箱6，控制箱6的上端安装有上位机9。

进一步的，磁场测量装置包括支架2的上端安装的磁通门探头3和控制箱6内部安装的磁通门计8。

磁通发生装置由1组三维线圈和相应3个电源组成，一组三维线圈用于产生实验所需的匀强磁场，三维线圈配3个电源分别控制三个维度的线圈。

每个维度有一组线圈，用于产生匀强磁场。中心放置高精度进口磁通门探头作为磁场调节的反馈测试，反馈信号由上位机运算调整高精度电源输出电流值，从而达到精准屏蔽地磁与产生所需磁场。

进一步的，磁通发生装置包括移动底座1上端设有多组三维等径线圈4，多组三维等径线圈4的外端安装有固定卡扣5，控制箱6的内部安装有三个电源7。

磁场测量装置包括磁通门计和磁通门探头，主要用于测量线圈中心匀强磁场区的磁场大小及反馈实时磁场。

进一步的，三维等径线圈4包括第一框架401和第二框架404，第一框架401的外端固定连接有定位块402，定位块402的侧端开设有第一插孔403，第二框架404的侧端开设有定位槽405，定位槽405与定位块402之间相互吻合，第二框架404的外端开设有第二插孔406，第二插孔406与定位槽405之间相互连通。

本方案在使用过程中，当需要对多组三维等径线圈4进行组装时，首先将定位块402插入至定位槽405中，并通过螺栓插设至第二插孔406、第一插孔403之间，最后于另一侧将其进行锁紧，其他连接位置如上述，以致于将整体拼接完成。

进一步的，支架2为电动伸缩杆设置。

原理：其中，上位机软件运行于PC机，由控制部分和采集部分组成，主要用于根据采集回的实时磁场值和控制计算机发送的外部信号，控制电源电流，驱动线圈产生指定大小的磁场。

实验桌用于放置装有上位机控制软件的计算机；磁通门计和3个电源放于机柜内；磁通门探头由支架支撑，放于线圈的中心匀强磁场区内。

亥姆霍兹线圈是用两个半径和匝数完全相同的线圈，将其同轴排列并令间距等于半径，串接而成的线圈。用它可以产生极微弱的磁场直至数百Gs的磁场，可用于地球磁场的抵消补偿、检测永磁体特性等。

电源主要用于对线圈进行供电，驱动线圈产生磁场。

CH-330F高精度磁通门计，VGA彩色6位分辨率；量程0-1000000nT；分辨力0.1nT；RS-232与USB接口，BNC三路模拟信号输出接口，配磁通门数据通讯及绘图软件一套。

上位机控制软件由控制部分与采集部分组成。采集部分负责由CH-330F磁通门计读取当前的磁场测量值，并以曲线的形式显示在界面上；控制部分负责计算产生指定磁场所需的电流值，并将电流指令输出至相应电源。

软件采用PID闭环控制方式对线圈中心均匀区磁场进行控制，输入端为用户设定的磁场值，软件根据此设定值，由PID算法换算出相对应的控制电流值，输出至电源；线圈产生的磁场随着控制电流的变化而发生变化，CH-330F磁通门计将变化后的反馈磁场值发送给上位机，软件根据磁场的设定值与实际值的差值进行不断地调节，直至误差在允许的范围内。

实施例2：软件的控制原理

软件的主界面对地磁屏蔽线圈组的控制用于消除地磁的影响；对磁场发生线圈组的控制用于在均匀区产生指定大小的磁场。外部输入选项框可选择是否由外部信号控制磁场设定。

当选择由外部信号控制磁场设定时，其工作流程：①接收外部控制信号控制地磁屏蔽线圈组，将三个维度的设定值设为0nT，开始调零；②地磁屏蔽线圈组三个维度的磁场值调节至指定范围内(±50nT)，软件发送“准备好”信号至控制计算机，并停止调零；③控制计算机接收到“准备好”信号后，用户可以开始设置指定维度的磁场值，例如设置Bx为1000nT；④接收到外部控制信号“Bx：1000nT”后，软件控制磁场发生线圈组X维度对应的电源，采用PID闭环控制将Bx控制在1000nT左右，具体的调节精度用户可以在软件“调节灵敏度”一项中进行设置；⑤完成指定维度磁场大小的调节后，软件发送“调节完成”信号至控制计算机，以提示用户可以进行下个磁场值的设置。

PID参数设置主要用于对PID参数进行调节，以使系统的调节性能在调节时间、超调量、振荡、稳态误差等指标间达到最优。

Kp加大将会减少稳态误差，提高系统的动态响应速度，但太大则振荡次数增多。Ki可以用来消除系统的稳态误差。当Ki合适时，系统的特性比较理想。但是Ki偏大系统的振荡次数较多；Ki偏小积分控制对系统的性能影响较小，这样就不能有效的消除系统的稳态误差。Kd控制可以减小系统的超调量，克服振荡，缩短调节时间。当Kd偏小时，超调量变大，调节时间变长。

PID校正综合应用了超前和滞后校正的各自特点，利用超前校正来增大系统的相位裕度，改善其动态性能；利用滞后部分来改善系统的静态性能，从而提高系统的稳定性和快速性。PID校正采用凑试法，试验原则按照先比例、后积分、再微分原则，即按造P、PI、PID顺序进行试验,得出满意的控制参数。

实施例3：主要部件组成介绍

三维等径线圈，磁场强度范围：-1000000nT～1000000nT；磁场均匀区大小：100*100*100mm3或更大取决于客户要求；磁场均匀度：优于1％；或0.1％或0.05％取决于要求；线圈绕组采用无氧铜漆包线；线圈框架选用精密模具定制GFRP材质；连接件采用进口黑色FR4环氧板加工制作。

上位机控制软件，对地磁屏蔽线圈组的控制用于消除地磁的影响；对磁场发生线圈组的控制用于在均匀区产生指定大小的磁场。外部输入选项框可选择是否由外部信号控制磁场设定。

1002电源，输出范围0—1200.000mADC；高步进分辨率10μA(1/120000F.S.)；高准确度：(0.015％设置值+20μA)@1000mA；低噪声/纹波：20μARMS典型值@1000mA；输出阻抗>100MΩ；稳定度优于0.01％@1000mA；浮动输出最大输出功率48W。

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 (3)

1.三维亥姆霍兹电磁线圈，包括移动底座(1)，其特征在于：所述移动底座(1)的上端安装有支架(2)，所述支架(2)的上端设有磁场测量装置，所述移动底座(1)的上端设有磁通发生装置，所述移动底座(1)的外侧设有控制箱(6)，所述控制箱(6)的上端安装有上位机(9)；

所述磁通发生装置包括移动底座(1)上端设有多组三维等径线圈(4)，多组所述三维等径线圈(4)的外端安装有固定卡扣(5)，所述控制箱(6)的内部安装有三个电源(7)；

所述三维等径线圈(4)包括第一框架(401)和第二框架(404)，所述第一框架(401)的外端固定连接有定位块(402)，所述定位块(402)的侧端开设有第一插孔(403)，所述第二框架(404)的侧端开设有定位槽(405)，所述定位槽(405)与定位块(402)之间相互吻合，所述第二框架(404)的外端开设有第二插孔(406)，所述第二插孔(406)与定位槽(405)之间相互连通。

2.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹电磁线圈，其特征在于：所述磁场测量装置包括支架(2)的上端安装的磁通门探头(3)和控制箱(6)内部安装的磁通门计(8)。

3.根据权利要求1所述的三维亥姆霍兹电磁线圈，其特征在于：所述支架(2)为电动伸缩杆设置。