一种交变磁场的分布测定实验装置

1.本实用新型涉及磁场测量装置技术领域，特别涉及一种交变磁场的分布测定实验装置。


背景技术：

2.电磁感应法测交变磁场的技术是基于法拉第电磁感应定律，通过激磁线圈产生磁场，并利用探测线圈辅以测量交变磁场。磁场在不同领域的应用越来越广泛，例如，医疗领域的医疗器械检测、在建设领域的高铁车轨检测、在勘测领域的探矿检测等等。且在实验教学中也涉及到磁场勘测方面的知识内容，其实验仪器的优化与升级具有现实的意义。
3.磁共振法、霍尔效应法、电磁感应法、磁饱和法等方法可用于测量交变磁场。相比于其他方法，电磁感应法是最基本、最简单、最实用的测量方法。该测量技术得益于其灵活、便捷的特点，受到各领域广泛的关注，其可应用的领域也在不断扩大。鉴于磁场测量技术日新月异的发展及其应用，关于磁场测量的实验教学相关器材的设计与开发也就显得尤为紧迫。
4.目前常见的实验装置只能在激磁线圈中轴方向的x轴、半径方向的y轴两个固定方向测量磁场，且无法调节探测线圈转动的角度。而磁场是遍布整个空间的，上述不足难以全面立体掌握整个磁场的分布特点。
5.同时，常见的测量磁场的实验装置未能将探测线圈和度数表合二为一，进而导致记录数据不够方便高效，不利于学生对实验原理的理解。亦或是，大多设备存在集成度过高、与现有仪器设备整合不够和演示功能缺乏等问题，不利于原理的理解与展示，实验的教学效果达不到预期效果。
6.因此，在现有测量磁场的实验装置的基础上，如何设置相关实验装置，以在磁场内的各个方向角度上均可测量磁场的分布特点，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

7.鉴于上述问题，本实用新型提供一种交变磁场的分布测定实验装置，可克服或者至少部分地解决不能在磁场各个方向测量磁场分布特点的问题。
8.本实用新型提供一种交变磁场的分布测定实验装置，包括：底座；所述底座上表面固定有x轴滑轨；所述x轴滑轨沿所述底座的长度方向设置；
9.激磁线圈通过第一连接组件滑动连接在所述x轴滑轨上；所述激磁线圈连接有交流信号发生器；
10.z轴伸缩柱通过第二连接组件滑动连接在所述x轴滑轨上；所述z轴伸缩柱的上端固定有y轴滑轨；所述y轴滑轨沿所述底座的宽度方向设置；
11.调节平台滑动连接在所述y轴滑轨的滑槽内；
12.所述调节平台承载有角度旋转盘，用于在所述调节平台上旋转；
13.探测线圈固定在所述角度旋转盘的安装座上。
14.进一步地，所述第一连接组件包括：滑动嵌套在所述x轴滑轨上的第一卡槽；
15.所述第一卡槽的侧面开设有第一金属小孔和第二金属小孔；所述第一卡槽的上端开设有第三金属小孔和第四金属小孔；
16.所述第一金属小孔和第三金属小孔通过第一导线相连接；
17.所述第二金属小孔和第四金属小孔通过第二导线相连接；
18.所述交流信号发生器连接所述第一金属小孔和第二金属小孔；
19.所述激磁线圈的两端分别插入所述第三金属小孔和第四金属小孔中。
20.进一步地，所述第二连接组件包括：滑动嵌套在所述x轴滑轨上的第二卡槽；
21.所述z轴伸缩柱固定在所述第二卡槽的上表面。
22.进一步地，所述z轴伸缩柱包括：内套管和外套管；所述内套管和外套管之间为间隙配合。
23.进一步地，所述y轴滑轨的下表面的中心位置通过螺钉固定在所述z轴伸缩柱的上端。
24.进一步地，所述调节平台的下表面设有滚珠；所述滚珠嵌于所述y轴滑轨的滑槽内。
25.进一步地，所述探测线圈上端安装有毫伏表。
26.进一步地，所述调节平台上表面附有角刻度。
27.本实用新型实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
28.本实用新型提供的一种交变磁场的分布测定实验装置，包括：底座；底座上表面固定有x轴滑轨；x轴滑轨沿底座的长度方向设置；激磁线圈通过第一连接组件滑动连接在x轴滑轨上；激磁线圈连接有交流信号发生器；z轴伸缩柱通过第二连接组件滑动连接在x轴滑轨上；z轴伸缩柱的上端固定有y轴滑轨；y轴滑轨沿底座的宽度方向设置；调节平台滑动连接在y轴滑轨的滑槽内；调节平台承载有角度旋转盘，用于在调节平台上旋转；探测线圈固定在所述角度旋转盘的安装座上。该实验装置可实现探测线圈沿x轴滑轨方向、y轴滑轨方向和z轴伸缩柱方向的位置可调可测，以及探测线圈的轴线与磁感应强度方向的夹角可调可测。
29.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
30.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
32.图1为本实用新型实施例提供的交变磁场的分布测定实验装置结构示意图；
33.图2为本实用新型实施例提供的第一卡槽立体结构示意图；
34.图3为本实用新型实施例提供的调节平台结构示意图；
35.其中：1-底座，2-x轴滑轨，3-激磁线圈，4-交流信号发生器，5-z轴伸缩柱，6-y轴滑轨，7-调节平台，8-角度旋转盘，9-探测线圈，10-第一卡槽，11-第一金属小孔，12-第二金属
小孔，13-第三金属小孔，14-第四金属小孔，15-第一导线，16-第二导线，17-第二卡槽，18-毫伏表。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
37.本实用新型实施例提供一种交变磁场的分布测定实验装置，参照图1所示，包括：底座1(用于承载其余组成部分的器件)；底座1上表面固定有x轴滑轨2；x轴滑轨2沿底座1的长度方向设置；
38.激磁线圈3通过第一连接组件滑动连接在x轴滑轨2上；激磁线圈3连接有交流信号发生器4；
39.z轴伸缩柱5通过第二连接组件滑动连接在x轴滑轨2上；z轴伸缩柱5的上端固定有y轴滑轨6；y轴滑轨6沿底座1的宽度方向设置；
40.调节平台7滑动连接在y轴滑轨6的滑槽内；
41.调节平台7承载有角度旋转盘8，用于在调节平台7上旋转；
42.探测线圈9固定在角度旋转盘8的安装座上。
43.本实施例提供的交变磁场的分布测定实验装置，内部的探测线圈9可实现沿x轴方向(x轴滑轨方向)、y轴方向(y轴滑轨方向)、z轴方向(z轴伸缩柱方向)的位置可调可测，以及探测线圈9的轴线与磁感应强度的方向的夹角θ可调可测，可实现沿探测线圈9轴线平面不同位置的磁感应强度探测，以及对探测线圈9内产生的感应电动势与夹角θ的关系探测。可实现交变磁场的分布测定的实验内容，利用该实验装置可系统地研究电磁感应法测交变磁场的原理和一般方法，同时利用探测线圈9测量载流线圈(即激磁线圈3)的磁场分布情况。
44.首先，对整个实验装置的原理进行说明：
45.在磁学研究中磁感应强度是一个关键的测量量。其磁场的产生一般由线圈通励磁电流来产生，这一环节也是对电生磁理论的检验。如果线圈中通入的是交流电，则相应产生的磁场为交变磁场。将一探测线圈放入交变磁场，由于电磁感应，该线圈中将产生感应电动势ε，感应电动势的大小ε与交变磁场的磁感应强度b成正比关系，测定交变磁场的感应电动势即可分析交变磁场的分布情况。
46.(1)电磁感应法
47.设由通以交变电流的线圈产生的均匀交变磁场为
48.b＝b
·
sinωt
49.磁场中探测线圈的磁通量为
50.ψm＝nb
·
s-nsb cosθ＝nsbmsinωt cosθ
51.式中，n是探测线圈的匝数，s为该线圈的横截面积，ω为磁场的角频率，θ为交变磁场b与线圈法线n的夹角，t为时间。
52.依据法拉第定律，闭合线圈置于交变磁场中时，会产生感应电动势，其感应电动势
为
[0053][0054]
式中，εm＝nsωbmcosθ，是线圈法线与交变磁场成θ角时，感应电动势的幅值。当θ＝0时，εm，
max
＝nsωbm，感应电动势的幅值最大。如果用数字式毫伏表测量此时线圈的电动势，则毫伏表的示值(有效值)u
m,max
应该为即
[0055][0056]
由上式可以算出bm(磁感应强度幅值)。
[0057]
(2)探测线圈的设计
[0058]
实验中由于磁场的不均匀性，探测线圈且不能做到很小，否则会影响测量的灵敏度，因此一般设计的线圈的长度l和外径(外直径)d有的关系。线圈的内径d与外径d有的关系。可选地，本实施例选用d＝0.012m，n＝800匝的线圈。线圈在磁场中的等效面积，可用下式表示：
[0059][0060]
这样的线圈测得的平均磁感应强度可以近似看作是线圈中心点的磁感应强度。
[0061]
本实施例中，励磁电流由专用的交流信号发生器提供交流信号源，该仪器输出的交变电流的频率f可以在20～200hz之间进行连续调节，如果选择f＝50hz，则磁场的角频率为
[0062]
ω＝2πf＝100π(单位为s-1
)
[0063]
将d，n，ω代入到上式中，得
[0064]bm
＝0.103u
max
×
10-3
(单位为t)
[0065]
其次，具体对本交变磁场的分布测定实验装置进行详细说明：
[0066]
第一连接组件包括：滑动嵌套在x轴滑轨2上的第一卡槽10，参照图2所示，其侧面开设有第一金属小孔11和第二金属小孔12，上端开设有第三金属小孔13和第四金属小孔14。第一金属小孔11和第三金属小孔13通过第一导线15(暗导线)相连接，第二金属小孔12和第四金属小孔14通过第二导线16(暗导线)相连接。交流信号发生器4连接第一金属小孔11和第二金属小孔12；激磁线圈3的两端分别插入第三金属小孔13和第四金属小孔14中。第一卡槽10上端的两个金属小孔起到连接激磁线圈3和交流信号发生器4的中间桥梁作用。同时，第一卡槽10还可以固定激磁线圈3，并且嵌套在x轴滑轨2上移动。
[0067]
第二连接组件包括：滑动嵌套在x轴滑轨2上的第二卡槽17；z轴伸缩柱5固定在第二卡槽17的上表面。进而，z轴伸缩柱5能够在x轴滑轨2上移动。x轴滑轨2上附有长度刻度，其起到固定第一卡槽10、第二卡槽17和z轴伸缩柱5的作用，同时它们均可在x轴滑轨2上移动。
[0068]
具体地，z轴伸缩柱5包括：内套管和外套管；内套管和外套管之间为间隙配合。通
过拉伸内套管，伸缩柱长度可变，且内外套管外表面附有刻度，能够在一定的范围内自由调节高度，并且明确获得此时高度的数值。
[0069]
进一步地，y轴滑轨6的下表面的中心位置通过螺钉固定在z轴伸缩柱5的上端。z轴伸缩柱5和y轴滑轨6一体化成型。y轴滑轨6上附有长度刻度。调节平台7的下表面设有滚珠；滚珠嵌于y轴滑轨6的滑槽内，为调节平台7提供滑动的轨道。
[0070]
探测线圈9上端安装有毫伏表18。毫伏表18的下端与探测线圈9的上端使用可粘性物质(如热熔胶等)结合为一体，并且用导线将两者连接在一起，可采用数字式毫伏表，可快速读出感应电动势。
[0071]
交流信号发生器4，用于提供励磁电流，其与第一卡槽10相连接，将励磁电流通入激磁线圈3。交流信号发生器4可在底座1的任何空余位置摆放，本实施例对其不作限定。
[0072]
可选地，在实验过程中，可根据实际需求加入多个激磁线圈3(多个激磁线圈均可采用上述第一连接组件与x轴滑轨2滑动连接)。激磁线圈3可采用0.75毫米的漆包铜线由中心向外绕制成螺线型线圈，共计400圈。激磁线圈3插入第一卡槽10的两个插孔(第三金属小孔13和第四金属小孔14)中，实现通电、固定、保持各激磁线圈3中心轴线共线的作用，同时能产生交变磁场。
[0073]
探测线圈9由漆包线绕制，直径为12mm，匝数800匝。探测线圈9上端安装有毫伏表18(探测线圈9和毫伏表18一体化)，用于显示电压。探测线圈9固定在角度旋转盘8上，角度旋转盘8可带动探测线圈9转动。进而，可实现探测线圈9沿x轴滑轨方向、y轴滑轨方向、z轴伸缩柱方向的位置可调可测，及探测线圈9的轴线与磁感应强度的方向的夹角θ可调可测。该实验装置可实现沿轴线平面不同位置的磁感应强度探测及对感应电动势与夹角θ的关系探测。
[0074]
参照图3所示，调节平台7承载角度旋转盘8；角度旋转盘8上承载有探测线圈9和毫伏表18。调节平台7上表面附有角刻度，角度旋转盘8可在调节平台7上自由旋转，一旦角度旋转盘8转动方向，即可读出其转动的角度。调节平台7下表面有滚珠固定相连，滚珠嵌于y轴滑轨6中，可沿着y轴滑轨6移动。
[0075]
在具体实际应用时，例如：教学过程中；x轴滑轨2可以用于固定激磁线圈3并确定其沿x轴向的位置；激磁线圈3固定在底座1上，数量可选，各激磁线圈3的中心轴线共线。交流信号发生器4提供励磁电流，仪器输出的交变电流的频率f可以在20hz～20mhz之间进行连续调节，本实施例部分的频率设定在20hz～200hz范围。探测线圈9直径为12mm，匝数800匝，由漆包线绕制，固定在角度旋转盘8的安装座上。通过滑动第一卡槽10和第二卡槽17，实现激磁线圈3和探测线圈9在x轴方向(底座长度方向)上的位置调节；通过拉伸z轴伸缩柱5，实现探测线圈9在z轴方向(高度方向)上的位置调节；通过滑动调节平台7，实现探测线圈9在y轴方向(底座宽度方向)上的位置调节；通过转动角度旋转盘8，实现对探测线圈9的轴线与磁感应强度方向的夹角进行调节。
[0076]
本实施例提供的交变磁场的分布测定实验装置，探测线圈9沿x轴方向(x轴滑轨方向)、y轴方向(y轴滑轨方向)、z轴方向(z轴伸缩柱方向)的位置，及探测线圈9轴线与磁感应强度的方向的夹角θ均可调可测，可实现沿探测线圈9轴线平面不同位置的磁感应强度探测，及对感应电动势与夹角θ的关系探测。
[0077]
本实施例基于电磁感应定律的理解，对交变磁场分布的测量相关实验设备进行整
合，实现交变磁场分布测量实验装置的设置；使用该实验装置进行教学，有助于学生认识和理解多个载流圆形线圈组合的磁场分布情况；同时实验设备支持分离式使用，可配合相关其他实验的组合应用，具体采用本实施例提供的实现装置可以实验的项目包括：亥姆霍兹线圈的磁场测定(通以不同电流)、单线圈磁场测定，地磁场水平分量的测定，螺线管周围磁场测定等等相关实现需求，从而提高实验器材的利用率。
[0078]
此实验装置结构简单，成本较低，性能稳定，测量结果准确，在交变磁场应用领域具有一定的实用价值。利用对探测部件、x轴滑轨、y轴滑轨、z轴伸缩柱、角度旋转盘等部件的外部构造与连接关系的拓展，实现对原有实验室磁场测量设备的一次改良和创新，可以使学生更加便利、更有效率地进行磁场测量的实验。
[0079]
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。