[發明專利]任意方向動態矢量均勻磁場發生裝置及控制系統

在審

• 申請號: 201810268708.3
• 申請日: 2018-03-28
• 公開（公告）號: CN108535666A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 張卜元;張明吉;李曉龍;于春姝;劉先國;陳正華
• 申請（專利權）人: 深圳市啟榮科技發展有限責任公司
• 主分類號: G01R33/00
• 分類號: G01R33/00;G01R35/00;H01F7/06
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙) 11371
• 代理人: 陳治位

本發明提供了一種任意方向動態矢量均勻磁場發生裝置及控制系統，涉及磁場的發生、控制及相關的磁學測試工程技術領域。包括；三組正交放置的亥姆霍茲線圈、無磁性的無磁結構部件和三通道電流源；三組所述亥姆霍茲線圈分別以空間坐標系的X軸、Y軸、Z軸為軸心纏繞；三組所述亥姆霍茲線圈分別以空間坐標系的X軸、Y軸、Z軸為軸心纏繞；每組所述亥姆霍茲線圈分別包括兩個串聯順時針同軸繞制的漆包銅線圈，同一組內兩個漆包銅線圈的軸向間距與漆包銅線圈的半徑相等。可在裝置幾何中心附近的空間內產生任意方向、大小可調、時序可變的均勻磁場，有效地解決對磁場的均勻性、時變性、方向性和高精度的迫切需求。

技術領域

一種任意方向動態矢量均勻磁場發生裝置及控制系統涉及磁場發生、控制及測量技術領域。該裝置可廣泛用于實驗基礎物理研究、磁性材料性能測試及表征、生物磁學交叉學科實驗及磁傳感器、執行器校準。

背景技術

人工產生磁場的方式包括利用磁體產生磁場以及利用載流導體產生磁場兩大技術路線。

其中，利用磁體產生磁場的基本原理是使用預先磁化好的具有一定強度剩余磁化強度的材料(例如銣鐵硼，NdFeB)預加工成一定形狀，經過特定的空間排布方式可以在一定范圍內產生不均勻的、強度、方向難以人為控制的磁場。該方式產生的磁場顯然難以滿足現代測試、測量領域對人工發生磁場的均勻性、時變性、方向性和高精度的迫切需求。

其中，使用載流導體產生磁場的技術路線是基于安培定律(運動電荷產生磁場)實現的。現有載流導體磁場發生技術主要包括通電直導線產生人工產生不均勻、方向不可控的磁場；使用通電螺線管可以在其內部產生較為均勻、但方向不可控的磁場，而且由于通電螺線管的結構特性，這類磁場發生裝置的操作和觀察性能極差；另一種使用載流導體產生磁場的發生裝置由德國物理學家亥姆赫茲發明，并命名為亥姆赫茲線圈。這種線圈有一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當線圈間距等于線圈半徑時，兩個載流線圈的總磁場在軸的中點附近的較大范圍內是均勻的。與通電直導線和螺線管磁場發生裝置相比，這種裝置具有磁場均勻、大小可控、體積小巧、操作靈活等優勢。但是其應用范圍嚴重地受到其方向不可控，動態性能差等因素的制約，難以滿足新時期科學研究和工程測量對磁場控制的均勻性、時變性、方向性和高精度的迫切需求。

本發明所公布的任意方向動態矢量均勻磁場發生裝置及控制系統由三部分構成，即：三組正交放置的亥姆霍茲線圈、結構部件和三通道電流源。本發明裝置和系統利用磁場的矢量疊加原理，通過精準的結構設計，結合人工智能控制算法，可以實現一定范圍內任意方向、任意波形、均勻的、矢量磁場操控。同時具有體積小、功率低、精度高、便攜式、可編程等技術優勢。

發明內容

本發明的第一目的在于提供任意方向動態矢量均勻磁場發生裝置及控制系統，以滿足新時期科學研究和工程測量對磁場控制的均勻性、時變性、方向性和高精度的迫切需求和小體積、低功耗、便攜式和可編程等應用需要。

基于上述第一目的，本發明提供的任意方向動態矢量均勻磁場發生裝置包括；三組正交放置的亥姆霍茲線圈、無磁性的無磁結構部件和三通道電流源；

三組所述亥姆霍茲線圈分別以空間坐標系的X軸、Y軸、Z軸為軸心纏繞；每組所述亥姆霍茲線圈分別包括兩個串聯順時針同軸繞制的漆包銅線圈，同一組內兩個漆包銅線圈的軸向間距與漆包銅線圈的半徑相等；

每組亥姆霍茲線圈的對稱平面以裝置幾何中心為原點呈兩－兩正交關系擺放；

所述三通道電流源具有三路電流輸出通道，分別與X軸、Y 軸、Z軸形成獨立互不干擾的電氣連接方式。三通道電流源的輸出電流波形可編程控制。

進一步的，三組所述亥姆霍茲線圈組的對稱平面以裝置幾何中心為原點呈三維正交關系。

進一步的，以X軸、Y軸、Z軸纏繞的亥姆霍茲線圈匝數比包括122：185：258，直徑比例包括72：94：83。