三軸磁場模擬裝置及其構建方法
2023-06-14 08:04:51
專利名稱：三軸磁場模擬裝置及其構建方法
技術領域：
本發明屬於空間科學技術領域，涉及一種磁場模擬裝置，尤其涉及一種三軸磁場 模擬裝置；此外，本發明還涉及上述三軸磁場模擬裝置的構建方法。
背景技術：
在航天、空間科學等領域的科學研究與試驗中，模擬空間三軸變化磁場的典型方 法有兩種。一種是用單軸線圈產生固定方向的磁場，將磁敏感器(又稱磁強計)置於轉臺上， 通過轉臺運動來獲得變化磁場。但該方法要求三軸無磁轉臺，設備昂貴(約100萬)，並且 轉臺存在著轉角範圍限制和機械時延，精度不高。另一種方法採用無磁框架(如木質或鋁質)搭建空間正交的三軸磁線圈，將磁強 計位置固定在框架內，通過線圈電流變化產生三軸變化磁場。但該方法的磁模擬器體積大， 框架安裝複雜。尤其是對於已固聯整機的磁強計，不可能將磁強計放入模擬器內，此時需將 模擬器外置在磁強計附近，即可產生相應的三軸模擬磁場。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種三軸磁場模擬裝置，精度較高、響應靈 敏、成本低，且無需將磁強計放入地磁模擬器中，可滿足已固聯整機的磁強計應用要求。另外，本發明還提供上述三軸磁場模擬裝置的構建方法。為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種三軸磁場模擬裝置，其包括三組線圈、控制系統、磁強計。三組線圈包括包 含有相互平行的m個線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個線圈的第二組線圈、包含 有1個線圈的第三組線圈；三組線圈每兩組線圈所成夾角之和大於等於260°、小於等於 280° ；其中，m、n為大於1的整數。控制系統用以輸出電流至所述三組線圈，控制所述三組 線圈產生磁場；磁強計用以採集所述三組線圈產生磁場強度關聯參數，並把採集的信息發 送至所述控制系統，供控制系統根據接收到的磁場強度關聯參數、及設定需要調節輸出電 流。作為本發明的一種優選方案，所述控制系統包括處理器、程控恆流源；所述程控恆 流源用以輸出電流至所述三組線圈；所述處理器根據程控恆流源的電流輸出與磁場強度 關聯參數，計算期望磁場時需要的期望電流輸出，換算成處理器的信號輸出值，得到期望磁 場。作為本發明的一種優選方案，所述控制系統還包括放大電路，所述處理器通過該 放大電路放大輸出信號，而後發送至程控恆流源。作為本發明的一種優選方案，所述放大電路為差分放大電路。作為本發明的一種優選方案，所述處理器自帶4路DA輸出，其中三路輸出至差分 放大電路的正向放大端，另一路進入負端，組成三路差分放大電路輸出，控制程控恆流源向線圈輸出期望電流，並控制線圈產生磁場。作為本發明的一種優選方案，三組線圈每兩組線圈所成夾角之和為270°。作為本發明的一種優選方案，三組線圈每兩組線圈所成夾角均為90°。上述三軸磁場模擬裝置的構建方法，該方法包括如下步驟將標準磁強計放在三組線圈附近，通過串口連接磁強計和控制系統；進行實際地磁場測試；測試程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數；根據程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數，計算期望磁場時需要的期望電 流輸出，換算成處理器的DA輸出值，得到期望磁場。本發明的有益效果在於本發明以-40，000-+40, OOOnT的空間磁場模擬範圍和 10nT的分辨細度滿足廣泛的空間科學試驗中的地磁場模擬要求，精度較高，響應靈敏，成本 低(製作費約9，000元)，尤其是無需將磁強計放入地磁模擬器中，可滿足已固聯整機的磁 強計應用要求。
圖1為本發明三軸磁場模擬裝置的組成示意圖。圖2為處理器的DA輸出線形關係圖。圖3為差分放大電路的電路圖。圖4為程控恆流源的輸入輸出關係圖。圖5為三組線圈的結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。請參閱圖1，本發明揭示了一種三軸磁場模擬裝置，其包括三組線圈、控制系統、 磁強計；控制系統分別與三組線圈、磁強計連接；控制系統包括依次連接的處理器(CPU)、 差分放大電路、程控恆流源。控制系統控制系統用以輸出電流至所述三組線圈，控制所述三組線圈產生磁場。具體地，所 述控制系統包括CPU、差分放大電路、程控恆流源。本實施例中，CPU採用AD7026處理器，差 分放大電路採用AD8608放大器，程控恆流源採用YM0441型高精度壓控可調式恆流源模塊。請參閱圖1，微處理器AD7026自帶4路DA輸出，其中三路輸出給集成放大器 AD8608的正向放大端，另一路進入負端，組成三路差分放大電路輸出，控制恆流源YM0441 向線圈輸出期望電流，並控制線圈產生磁場。放置在線圈外的磁強計採集相應的磁場方向 和大小，通過串口反饋回AD7026處理器，以調整電流，達到期望磁場。以下分別描述控制系 統的各組成。1、CPU 部分CPU採用AD7026處理器，該處理器是一款基於ARM7核的微處理器，片上集成串口 和4路DA通道，DA輸出功能參數如下12位精度，10us的建立時間，2LSB的相對精度，DA 輸出的線性度，如圖2所示。由圖2可見，在DA輸出的末端，存在非線性輸出。為了解決這一問題，引入基於AD8608的差分放大電路。2、差分放大電路AD8608放大器是一款4路精密集成放大器。AD7026的第4路DA輸出一個小電壓 值，作為AD8608的3組差分放大器的公共的差分輸入端，DA1、DA2、DA3共3路DA輸出疊加 上DA4的小量後分別作為AD8608的另一個輸入端，以避開DA輸出的非線性部分，如圖3所 示。可以認為，每組AD8608的兩個輸入信號差模部分反映了被放大信號的變化，而共模部 分反映了 AD7026的非線性部分。3、程控電源YM0441型高精度壓控可調式恆流源模塊採用18-27V供電，控制端輸入0 10V 時，在10Q的負載上對應產生0 1A的恆定電流。圖4為該模塊的線性度標定，圖中橫坐 標為輸入電壓，單位為V，縱坐標為輸出電流，單位為mA。由圖4可見，該模塊具有很好的線 性度。磁強計磁強計用以採集所述三組線圈產生磁場強度關聯參數(包括磁場的方向及大 小)，並把採集的信息發送至所述控制系統，供控制系統根據接收到的磁場強度關聯參數、 及設定需要調節輸出電流。三組線圈三組線圈包括包含有相互平行的m個線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個 線圈的第二組線圈、包含有1個線圈的第三組線圈；三組線圈每兩組線圈所成夾角之和大 於等於260°、小於等於280° ；其中，m、n為大於1的整數。本實施例中，m、n均為2，第三 組線圈與水平面平行。如圖5所示，線圈部分設計了 3組共5個線圈，各組線圈均採用0. 7mm的漆包線繞 制而成。在安裝時，通過改變線圈的安裝位置，儘量使三組線圈每兩組線圈所成夾角之和 接近270°。進一步地，三組線圈每兩組線圈所成夾角均為90°，此時三組線圈間的相互幹 擾最小。此外，根據線圈尺寸，外部設置一個密閉鋁板箱，構成地磁模擬器的線圈箱。以上介紹本發明三軸磁場模擬裝置的組成，以下介紹其構建方法，該方法包括如 下步驟將標準磁強計放在三組線圈附近，通過串口連接磁強計和控制系統；進行實際地磁場測試；測試程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數；根據程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數，計算期望磁場時需要的期望電 流輸出，換算成處理器的DA輸出值，得到期望磁場。通過以上改進，本發明以-40，000—+40, OOOnT的空間磁場模擬範圍和lOnT的分
辨細度滿足廣泛的空間科學試驗中的地磁場模擬要求，精度較高，響應靈敏，成本低(製作 費約9，000元)，尤其是無需將磁強計放入地磁模擬器中，可滿足已固聯整機的磁強計應用 要求。這裡本發明的描述和應用是說明性的，並非想將本發明的範圍限制在上述實施例 中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明 的精神或本質特徵的情況下，本發明可以以其他形式、結構、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來實現。在不脫離本發明範圍和精神的情況下，可以對這裡所披露的實施例進 行其他變形和改變。
權利要求
一種三軸磁場模擬裝置，其特徵在於，其包括三組線圈，包括包含有相互平行的m個線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個線圈的第二組線圈、包含有1個線圈的第三組線圈；三組線圈每兩組線圈所成夾角之和大於等於260°、小於等於280°；其中，m、n為大於1的整數；控制系統，用以輸出電流至所述三組線圈，控制所述三組線圈產生磁場；磁強計，用以採集所述三組線圈產生磁場強度關聯參數，並把採集的信息發送至所述控制系統，供控制系統根據接收到的磁場強度關聯參數、及設定需要調節輸出電流。
2.根據權利要求1所述的三軸磁場模擬裝置，其特徵在於 所述控制系統包括處理器、程控恆流源；所述程控恆流源用以輸出電流至所述三組線圈；所述處理器根據程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數，計算期望磁場時需要的 期望電流輸出，換算成處理器的信號輸出值，得到期望磁場。
3.根據權利要求2所述的三軸磁場模擬裝置，其特徵在於所述控制系統還包括放大電路，所述處理器通過該放大電路放大輸出信號，而後發送 至程控恆流源。
4.根據權利要求3所述的三軸磁場模擬裝置，其特徵在於 所述放大電路為差分放大電路。
5.根據權利要求4所述的三軸磁場模擬裝置，其特徵在於所述處理器自帶4路DA輸出，其中三路輸出至差分放大電路的正向放大端，另一路進 入負端，組成三路差分放大電路輸出，控制程控恆流源向線圈輸出期望電流，並控制線圈產 生磁場。
6.根據權利要求1所述的三軸磁場模擬裝置，其特徵在於 三組線圈每兩組線圈所成夾角之和為270°。
7.根據權利要求6所述的三軸磁場模擬裝置，其特徵在於 三組線圈每兩組線圈所成夾角均為90°。
8.權利要求1至7任意一項所述三軸磁場模擬裝置的構建方法，其特徵在於，該方法包 括如下步驟將標準磁強計放在三組線圈附近，通過串口連接磁強計和控制系統； 進行實際地磁場測試；測試程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數；根據程控恆流源的電流輸出與磁場強度關聯參數，計算期望磁場時需要的期望電流輸 出，換算成處理器的DA輸出值，得到期望磁場。
全文摘要
本發明揭示一種三軸磁場模擬裝置及其構建方法，三軸磁場模擬裝置包括三組線圈、控制系統、磁強計。三組線圈包括包含有相互平行的m個線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個線圈的第二組線圈、包含有1個線圈的第三組線圈；三組線圈每兩組線圈所成夾角之和大於等於260°、小於等於280°；其中，m、n為大於1的整數。控制系統用以輸出電流至三組線圈，控制三組線圈產生磁場；磁強計用以採集所述三組線圈產生磁場強度關聯參數，並把採集的信息發送至控制系統，供控制系統根據接收到的磁場強度關聯參數、及設定需要調節輸出電流。本發明精度較高、響應靈敏、成本低，且無需將磁強計放入地磁模擬器中，可滿足已固聯整機的磁強計應用要求。
文檔編號H01F7/00GK101866735SQ20091004929
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月14日 優先權日2009年4月14日
發明者萬松, 劉國華, 吳子軼, 張銳, 張靜, 李 東, 黃志偉 申請人:上海微小衛星工程中心