一种磁偶极子阵列的磁场产生装置的制作方法

本实用新型涉及一种磁偶极子阵列的磁场产生装置，属于信号生成及磁场领域。

背景技术：

在磁场测量领域，如果能够对磁源的磁场特性进行模拟，则能够对测量系统的功能及性能进行很好的验证和评价。磁场模拟器就是解决这类问题的设备。磁偶极子是磁场建模与理论分析中最常用到的基本模型，其基本概念为满足测量点距该电流环中心的距离远大于电流环的半径的圆电流环。磁偶极子在磁场物理现象的解释与理论分析方面具有独特的优势，主要体现在磁偶极子的圆电流环与分子电流学说一致及物理意义清晰且直观。磁偶极子在磁场信号处理及建模中具备多种优点，如磁场物理解释清晰，便于理解和分析等，因此在磁信号处理经常使用。相对于一般的亥姆霍兹线圈，基于磁偶极子的磁场产生装置具有更为接近磁源特性的优点，可应用验证与检测磁场探测系统的优点。

本实用新型由此出发，提出了由处理器、控制单元、驱动单元和磁偶极子阵列4个部分的一种任意磁场产生装置。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种磁场产生装置，其特征在于包括：

处理器，

控制单元，

驱动单元，其接收并放大控制单元输出的模拟电压信号，

驱动磁偶极子阵列，其受到驱动单元输出的信号的驱动，以电流的形式产生磁场，

其中：

处理器包括：

计算磁偶极子阵列中各个磁偶极子的电流强度值的磁场计算单元，它与文件存储单元连接；

将所述电流强度值存储为文件形式的文件存储单元；

读取文件存储单元存储的文件的文件读取单元；

USB通信单元，它与文件读取单元连接以接收所述电流强度值，并把所述电流强度值传递到控制单元。

附图说明

图1是本实用新型的装置示意图。

图2是本实用新型的共平面四磁偶极子的磁场叠加示意图。

图3是本实用新型的控制单元硬件框图。

图4是本实用新型的处理器的功能框图

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本实用新型的磁场产生装置进行详细描述。

如图1－4所示，本实用新型提供了一种任意磁场产生装置，其包括：处理器100、控制单元101、驱动单元102和磁偶极子阵列103；其中，处理器的相应单元用于保存磁偶极子的磁场强度，并完成计算功能，且该处理器通过USB接口将数据传送给控制单元；控制单元通过USB接口获取磁场强度信息，并通过其所包含的硬件电路产生磁偶极子所需要的电压；驱动单元接收控制单元的电压，并实现功率放大与线圈匹配，以驱动磁偶极子阵列；磁偶极子用于产生对应的磁场，并在空间上面叠加所需要的磁场强度。

在一个实施例中，上述处理器可以用转载有相应程序软件的PC机实现。

处理器包括磁场计算单元、USB通信单元及文件存储单元。其中，磁场计算单元进行磁场强度的计算，在磁偶极子阵列中建立合适的坐标系，利用磁偶极子阵列的空间磁场分布的规律和磁场矢量的数学表达式求解出驱动磁偶极子所需的电流大小。具体解算过程中，可利用磁偶极子的经典矢量数学表达式，如公式(1)所示。

公式(1)中的符号说明如下：为磁偶极子的矢量磁感应强度，为矢量磁力矩和矢量距离的函数；为矢量磁矩，在不同的坐标系下可进行展开；为测量点到磁偶极子中心的矢量距离,而r为的模；μ为介质的磁导率，真空中和空气的磁导率,大小为4π×10^-7H/m。

处理器的USB通信单元用于把计算出的电流值传递到控制单元，一般应选择USB2.0以满足实时性传输要求。文件存储单元实现磁场的波形数据载入及磁场电流的写入等功能，也可将磁场电流存储成文件，USB通信时直接读取该文件，以提高通信速率。

控制单元101包括处于中间位置的微处理器301，其前端为处理器100，后端为驱动单元102。控制单元101通过微控制器301来实现与处理器100的USB通信，采用多路DAC(数字－模拟转换器)以实现数字表示的电流与输出电压的转换，并采用必要的人机交互显示。

驱动单元102接收控制单元101的电压信号，将电压信号转换为电流信号，并实现功率放大与线圈匹配，以驱动磁偶极子阵列103。

磁偶极子阵列103根据自身的电流大小，产生对应的空间磁场，并在空间某点上面叠加所需要的磁场强度。磁偶极子的具体布局方式可采用平面式或者其他方式，需考虑解算方法、工艺实现的复杂度及磁场间的相互屏蔽等因素。

图1为本实用新型的磁场产生装置的结构示意图，其具体电气接口的形式可依据使用环境及要求而不同。100为处理器，具体可以用PC机及该PC机上运行的程序软件实现，其相关单元在之前已做了说明。101为控制单元，一方面与处理器100进行通信，完成磁场产生数据从处理器100到控制单元101的传递；另一方面将数字化数据转换为模拟输出的电压，并传送给驱动单元102。驱动单元102对控制单元101的输出信号进行功率放大，以更好地驱动磁偶极子阵列103产生磁场。磁偶极子阵列103为多个磁偶极子的组合，以叠加的方式在空间产生磁场。磁场数据依次经过处理器100、控制单元101、驱动单元102，最终在磁偶极子阵列103以电流的形式产生磁场，并在空间某点叠加出所需要的磁场值。

图2为一种共平面四磁偶极子的磁场叠加示意图。其中，I1－I4为四个公共平面的磁偶极子。根据坐标系的建立方式，可认为磁偶极子的中心Z轴为0。由于磁场分布为空间矢量形式，所以在空间某点将会形成多个矢量磁场。I1－I4对应的磁场分别为B1－B4，具体强度与方向与空间点距离磁偶极子的距离和磁偶极子的自身强度及方向有关系，可参考公示(1)。四个矢量磁场进行矢量叠加，形成总矢量磁场B_T。

图3为根据本发明的一种控制单元的硬件框图。其中，300为通信接口，用于实现与处理器100的对接。接口300具体可以选择USB2.0或者其他满足传输性能要求的接口。301为微处理器，用于实现数据传输和DAC接口(302)的控制，在控制单元中处于核心地位。微处理器301可选用单片机、ARM(先进精简指令集机器)和DSP(数字信号处理器)芯片中的一种，并满足实时性要求。302为DAC(数字模拟转换器)接口，用于将微处理器控制下的数字信号转换为模拟电压信号，以便于与驱动单元102对接。303为电源电路，分别为通信接口300、微处理器301和DAC 302提供电源。总之，处理器100的输出信号经过通信接口300、微处理器301和DAC 302后，被传送到驱动单元102。

图4为本实用新型的处理器100的配置框图。如图4所示，处理器100包括：

计算磁场强度的磁场计算单元400,它计算磁偶极子阵列中各个磁偶极子的电流强度值，并与文件存储单元401连接；

文件存储单元401，它将各电流强度值存储为文件形式，以供文件读取单元402读取；

文件读取单元402读取文件存储单元401存储的文件，并传送给USB通信单元403；

USB通信单元403，它与文件读取单元402连接以接收磁场计算单元400计算出的电流值，并把该电流值传递到控制单元(101)。

本实用新型的优点和有益效果包括

本实用新型具有如下的优点：

(1)降低对驱动电流的影响。由于采用多个磁偶极子，所以单个磁偶极子的电流可以降低，降低了对驱动单元和线圈的过流要求，并可降低供电系统的要求。

(2)磁场产生方式的灵活性，体现可采用磁偶极子分时工作和协同工作的方法，以产生任意所需的磁场信号。

本实用新型特别适合模拟生物磁场，如心脏等弱磁场变换，用于检测后继磁场探测仪器的性能与指标。如进一步发展，可构建磁场测试的自动化测试与分析系统。