專利名稱：三軸磁場(chǎng)模擬裝置及其構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁場(chǎng)模擬裝置，尤其涉及一種三軸磁場(chǎng) 模擬裝置；此外，本發(fā)明還涉及上述三軸磁場(chǎng)模擬裝置的構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
在航天、空間科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究與試驗(yàn)中，模擬空間三軸變化磁場(chǎng)的典型方 法有兩種。一種是用單軸線圈產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)，將磁敏感器(又稱磁強(qiáng)計(jì))置于轉(zhuǎn)臺(tái)上， 通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得變化磁場(chǎng)。但該方法要求三軸無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)，設(shè)備昂貴(約100萬(wàn))，并且 轉(zhuǎn)臺(tái)存在著轉(zhuǎn)角范圍限制和機(jī)械時(shí)延，精度不高。另一種方法采用無(wú)磁框架(如木質(zhì)或鋁質(zhì))搭建空間正交的三軸磁線圈，將磁強(qiáng) 計(jì)位置固定在框架內(nèi)，通過(guò)線圈電流變化產(chǎn)生三軸變化磁場(chǎng)。但該方法的磁模擬器體積大， 框架安裝復(fù)雜。尤其是對(duì)于已固聯(lián)整機(jī)的磁強(qiáng)計(jì)，不可能將磁強(qiáng)計(jì)放入模擬器內(nèi)，此時(shí)需將 模擬器外置在磁強(qiáng)計(jì)附近，即可產(chǎn)生相應(yīng)的三軸模擬磁場(chǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種三軸磁場(chǎng)模擬裝置，精度較高、響應(yīng)靈 敏、成本低，且無(wú)需將磁強(qiáng)計(jì)放入地磁模擬器中，可滿足已固聯(lián)整機(jī)的磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用要求。另外，本發(fā)明還提供上述三軸磁場(chǎng)模擬裝置的構(gòu)建方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其包括三組線圈、控制系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)。三組線圈包括包 含有相互平行的m個(gè)線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個(gè)線圈的第二組線圈、包含 有1個(gè)線圈的第三組線圈；三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和大于等于260°、小于等于 280° ；其中，m、n為大于1的整數(shù)。控制系統(tǒng)用以輸出電流至所述三組線圈，控制所述三組 線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)；磁強(qiáng)計(jì)用以采集所述三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，并把采集的信息發(fā) 送至所述控制系統(tǒng)，供控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)、及設(shè)定需要調(diào)節(jié)輸出電 流。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述控制系統(tǒng)包括處理器、程控恒流源；所述程控恒 流源用以輸出電流至所述三組線圈；所述處理器根據(jù)程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度 關(guān)聯(lián)參數(shù)，計(jì)算期望磁場(chǎng)時(shí)需要的期望電流輸出，換算成處理器的信號(hào)輸出值，得到期望磁 場(chǎng)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述控制系統(tǒng)還包括放大電路，所述處理器通過(guò)該 放大電路放大輸出信號(hào)，而后發(fā)送至程控恒流源。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述放大電路為差分放大電路。作為本發(fā)明的一種優(yōu)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(jìn)入負(fù)端，組成三路差分放大電路輸出，控制程控恒流源向線圈輸出期望電流，并控制線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和為270°。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角均為90°。上述三軸磁場(chǎng)模擬裝置的構(gòu)建方法，該方法包括如下步驟將標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)放在三組線圈附近，通過(guò)串口連接磁強(qiáng)計(jì)和控制系統(tǒng)；進(jìn)行實(shí)際地磁場(chǎng)測(cè)試；測(cè)試程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)；根據(jù)程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，計(jì)算期望磁場(chǎng)時(shí)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(chǎng)。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明以-40，000-+40, OOOnT的空間磁場(chǎng)模擬范圍和 10nT的分辨細(xì)度滿足廣泛的空間科學(xué)試驗(yàn)中的地磁場(chǎng)模擬要求，精度較高，響應(yīng)靈敏，成本 低(制作費(fèi)約9，000元)，尤其是無(wú)需將磁強(qiáng)計(jì)放入地磁模擬器中，可滿足已固聯(lián)整機(jī)的磁 強(qiáng)計(jì)應(yīng)用要求。


圖1為本發(fā)明三軸磁場(chǎng)模擬裝置的組成示意圖。圖2為處理器的DA輸出線形關(guān)系圖。圖3為差分放大電路的電路圖。圖4為程控恒流源的輸入輸出關(guān)系圖。圖5為三組線圈的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明揭示了一種三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其包括三組線圈、控制系統(tǒng)、 磁強(qiáng)計(jì)；控制系統(tǒng)分別與三組線圈、磁強(qiáng)計(jì)連接；控制系統(tǒng)包括依次連接的處理器(CPU)、 差分放大電路、程控恒流源。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)用以輸出電流至所述三組線圈，控制所述三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。具體地，所 述控制系統(tǒng)包括CPU、差分放大電路、程控恒流源。本實(shí)施例中，CPU采用AD7026處理器，差 分放大電路采用AD8608放大器，程控恒流源采用YM0441型高精度壓控可調(diào)式恒流源模塊。請(qǐng)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(jìn)入負(fù)端，組成三路差分放大電路輸出，控制恒流源YM0441 向線圈輸出期望電流，并控制線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。放置在線圈外的磁強(qiáng)計(jì)采集相應(yīng)的磁場(chǎng)方向 和大小，通過(guò)串口反饋回AD7026處理器，以調(diào)整電流，達(dá)到期望磁場(chǎng)。以下分別描述控制系 統(tǒng)的各組成。1、CPU 部分CPU采用AD7026處理器，該處理器是一款基于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(shù)如下12位精度，10us的建立時(shí)間，2LSB的相對(duì)精度，DA 輸出的線性度，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在DA輸出的末端，存在非線性輸出。為了解決這一問(wèn)題，引入基于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(gè)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的小量后分別作為AD8608的另一個(gè)輸入端，以避開(kāi)DA輸出的非線性部分，如圖3所 示?？梢哉J(rèn)為，每組AD8608的兩個(gè)輸入信號(hào)差模部分反映了被放大信號(hào)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(diào)式恒流源模塊采用18-27V供電，控制端輸入0 10V 時(shí)，在10Q的負(fù)載上對(duì)應(yīng)產(chǎn)生0 1A的恒定電流。圖4為該模塊的線性度標(biāo)定，圖中橫坐 標(biāo)為輸入電壓，單位為V，縱坐標(biāo)為輸出電流，單位為mA。由圖4可見(jiàn)，該模塊具有很好的線 性度。磁強(qiáng)計(jì)磁強(qiáng)計(jì)用以采集所述三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)(包括磁場(chǎng)的方向及大 小)，并把采集的信息發(fā)送至所述控制系統(tǒng)，供控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)、 及設(shè)定需要調(diào)節(jié)輸出電流。三組線圈三組線圈包括包含有相互平行的m個(gè)線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個(gè) 線圈的第二組線圈、包含有1個(gè)線圈的第三組線圈；三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和大 于等于260°、小于等于280° ；其中，m、n為大于1的整數(shù)。本實(shí)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(shè)計(jì)了 3組共5個(gè)線圈，各組線圈均采用0. 7mm的漆包線繞 制而成。在安裝時(shí)，通過(guò)改變線圈的安裝位置，盡量使三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和 接近270°。進(jìn)一步地，三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角均為90°，此時(shí)三組線圈間的相互干 擾最小。此外，根據(jù)線圈尺寸，外部設(shè)置一個(gè)密閉鋁板箱，構(gòu)成地磁模擬器的線圈箱。以上介紹本發(fā)明三軸磁場(chǎng)模擬裝置的組成，以下介紹其構(gòu)建方法，該方法包括如 下步驟將標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)放在三組線圈附近，通過(guò)串口連接磁強(qiáng)計(jì)和控制系統(tǒng)；進(jìn)行實(shí)際地磁場(chǎng)測(cè)試；測(cè)試程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)；根據(jù)程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，計(jì)算期望磁場(chǎng)時(shí)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(chǎng)。通過(guò)以上改進(jìn)，本發(fā)明以-40，000—+40, OOOnT的空間磁場(chǎng)模擬范圍和lOnT的分
辨細(xì)度滿足廣泛的空間科學(xué)試驗(yàn)中的地磁場(chǎng)模擬要求，精度較高，響應(yīng)靈敏，成本低(制作 費(fèi)約9，000元)，尤其是無(wú)需將磁強(qiáng)計(jì)放入地磁模擬器中，可滿足已固聯(lián)整機(jī)的磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用 要求。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說(shuō)明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例 中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明 的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、 材料和部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn) 行其他變形和改變。
權(quán)利要求
一種三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于，其包括三組線圈，包括包含有相互平行的m個(gè)線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個(gè)線圈的第二組線圈、包含有1個(gè)線圈的第三組線圈；三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和大于等于260°、小于等于280°；其中，m、n為大于1的整數(shù)；控制系統(tǒng)，用以輸出電流至所述三組線圈，控制所述三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)；磁強(qiáng)計(jì)，用以采集所述三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，并把采集的信息發(fā)送至所述控制系統(tǒng)，供控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)、及設(shè)定需要調(diào)節(jié)輸出電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于 所述控制系統(tǒng)包括處理器、程控恒流源；所述程控恒流源用以輸出電流至所述三組線圈；所述處理器根據(jù)程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，計(jì)算期望磁場(chǎng)時(shí)需要的 期望電流輸出，換算成處理器的信號(hào)輸出值，得到期望磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于所述控制系統(tǒng)還包括放大電路，所述處理器通過(guò)該放大電路放大輸出信號(hào)，而后發(fā)送 至程控恒流源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于 所述放大電路為差分放大電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于所述處理器自帶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(jìn) 入負(fù)端，組成三路差分放大電路輸出，控制程控恒流源向線圈輸出期望電流，并控制線圈產(chǎn) 生磁場(chǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于 三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和為270°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三軸磁場(chǎng)模擬裝置，其特征在于 三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角均為90°。
8.權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述三軸磁場(chǎng)模擬裝置的構(gòu)建方法，其特征在于，該方法包 括如下步驟將標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)放在三組線圈附近，通過(guò)串口連接磁強(qiáng)計(jì)和控制系統(tǒng)； 進(jìn)行實(shí)際地磁場(chǎng)測(cè)試；測(cè)試程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)；根據(jù)程控恒流源的電流輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，計(jì)算期望磁場(chǎng)時(shí)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(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種三軸磁場(chǎng)模擬裝置及其構(gòu)建方法，三軸磁場(chǎng)模擬裝置包括三組線圈、控制系統(tǒng)、磁強(qiáng)計(jì)。三組線圈包括包含有相互平行的m個(gè)線圈的第一組線圈、包含有相互平行的n個(gè)線圈的第二組線圈、包含有1個(gè)線圈的第三組線圈；三組線圈每?jī)山M線圈所成夾角之和大于等于260°、小于等于280°；其中，m、n為大于1的整數(shù)?？刂葡到y(tǒng)用以輸出電流至三組線圈，控制三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)；磁強(qiáng)計(jì)用以采集所述三組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)，并把采集的信息發(fā)送至控制系統(tǒng)，供控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)參數(shù)、及設(shè)定需要調(diào)節(jié)輸出電流。本發(fā)明精度較高、響應(yīng)靈敏、成本低，且無(wú)需將磁強(qiáng)計(jì)放入地磁模擬器中，可滿足已固聯(lián)整機(jī)的磁強(qiáng)計(jì)應(yīng)用要求。
文檔編號(hào)H01F7/00GK101866735SQ20091004929
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者萬(wàn)松, 劉國(guó)華, 吳子軼, 張銳, 張靜, 李 東, 黃志偉 申請(qǐng)人:上海微小衛(wèi)星工程中心