[发明专利]任意方向动态矢量均匀磁场发生装置及控制系统

说明书

本发明提供了一种任意方向动态矢量均匀磁场发生装置及控制系统，涉及磁场的发生、控制及相关的磁学测试工程技术领域。包括；三组正交放置的亥姆霍兹线圈、无磁性的无磁结构部件和三通道电流源；三组所述亥姆霍兹线圈分别以空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴为轴心缠绕；三组所述亥姆霍兹线圈分别以空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴为轴心缠绕；每组所述亥姆霍兹线圈分别包括两个串联顺时针同轴绕制的漆包铜线圈，同一组内两个漆包铜线圈的轴向间距与漆包铜线圈的半径相等。可在装置几何中心附近的空间内产生任意方向、大小可调、时序可变的均匀磁场，有效地解决对磁场的均匀性、时变性、方向性和高精度的迫切需求。

技术领域

一种任意方向动态矢量均匀磁场发生装置及控制系统涉及磁场发生、控制及测量技术领域。该装置可广泛用于实验基础物理研究、磁性材料性能测试及表征、生物磁学交叉学科实验及磁传感器、执行器校准。

背景技术

人工产生磁场的方式包括利用磁体产生磁场以及利用载流导体产生磁场两大技术路线。

其中，利用磁体产生磁场的基本原理是使用预先磁化好的具有一定强度剩余磁化强度的材料(例如铷铁硼，NdFeB)预加工成一定形状，经过特定的空间排布方式可以在一定范围内产生不均匀的、强度、方向难以人为控制的磁场。该方式产生的磁场显然难以满足现代测试、测量领域对人工发生磁场的均匀性、时变性、方向性和高精度的迫切需求。

其中，使用载流导体产生磁场的技术路线是基于安培定律(运动电荷产生磁场)实现的。现有载流导体磁场发生技术主要包括通电直导线产生人工产生不均匀、方向不可控的磁场；使用通电螺线管可以在其内部产生较为均匀、但方向不可控的磁场，而且由于通电螺线管的结构特性，这类磁场发生装置的操作和观察性能极差；另一种使用载流导体产生磁场的发生装置由德国物理学家亥姆赫兹发明，并命名为亥姆赫兹线圈。这种线圈有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈半径时，两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的。与通电直导线和螺线管磁场发生装置相比，这种装置具有磁场均匀、大小可控、体积小巧、操作灵活等优势。但是其应用范围严重地受到其方向不可控，动态性能差等因素的制约，难以满足新时期科学研究和工程测量对磁场控制的均匀性、时变性、方向性和高精度的迫切需求。

本发明所公布的任意方向动态矢量均匀磁场发生装置及控制系统由三部分构成，即：三组正交放置的亥姆霍兹线圈、结构部件和三通道电流源。本发明装置和系统利用磁场的矢量叠加原理，通过精准的结构设计，结合人工智能控制算法，可以实现一定范围内任意方向、任意波形、均匀的、矢量磁场操控。同时具有体积小、功率低、精度高、便携式、可编程等技术优势。

发明内容

本发明的第一目的在于提供任意方向动态矢量均匀磁场发生装置及控制系统，以满足新时期科学研究和工程测量对磁场控制的均匀性、时变性、方向性和高精度的迫切需求和小体积、低功耗、便携式和可编程等应用需要。

基于上述第一目的，本发明提供的任意方向动态矢量均匀磁场发生装置包括；三组正交放置的亥姆霍兹线圈、无磁性的无磁结构部件和三通道电流源；

三组所述亥姆霍兹线圈分别以空间坐标系的X轴、Y轴、Z轴为轴心缠绕；每组所述亥姆霍兹线圈分别包括两个串联顺时针同轴绕制的漆包铜线圈，同一组内两个漆包铜线圈的轴向间距与漆包铜线圈的半径相等；

每组亥姆霍兹线圈的对称平面以装置几何中心为原点呈两－两正交关系摆放；

所述三通道电流源具有三路电流输出通道，分别与X轴、Y 轴、Z轴形成独立互不干扰的电气连接方式。三通道电流源的输出电流波形可编程控制。

进一步的，三组所述亥姆霍兹线圈组的对称平面以装置几何中心为原点呈三维正交关系。

进一步的，以X轴、Y轴、Z轴缠绕的亥姆霍兹线圈匝数比包括122：185：258，直径比例包括72：94：83。