一种磁感强度的测量参数获取装置及工具的制作方法

本实用新型涉及一种测量装置，尤其涉及一种磁感强度的测量参数的获取装置。

背景技术：

磁感强度的精确测量对于各个领域都具有重要的意义，包括磁感线绘制、海洋地磁数据、地下管道探测、磁悬浮定位检测、电磁导引技术等等。而现有技术中往往通过高斯计、磁强计等设备来测量，但设备价格高昂，而且由于传感器、测量角度等原因造成精准度差。

磁感线和磁感应强度在各个领域都有所涉及，许多学者研究了磁感应强度的测量及其应用，磁感线的应用十分广泛，尤其是地磁场导航、近地空间磁场探测一直是空间科学探测的主要领域之一，已经有近五十年的历史。开展卫星地磁矢量测量，对于我国国防建设、空间科学研究具有重要的意义，然而如何简便、快捷地测量磁场强度始终是一个难题。

同样，当我们在研究磁场，尤其是学生在学习磁学的时候，通过磁感线的形式能够大致地了解磁场的方向和大致强弱，但是很难直观而精确地获取磁场的强度分布；目前作为磁感线演示的教具主要有两种：小磁针和立体磁感线模型。这两种方法均有弊端：小磁针演示精确度不高，单个小磁针只能显示某一点的磁感线方向，不能展现出整个区域内的状况；立体磁感线模型有局限性，只能展示某些特定磁场中的磁感线分布，而且两者都不能很好地将磁感应强度和磁感线结合起来，这些情况导致很多学生理解磁学较为困难，也不方便对周围的磁现象进行观察和研究。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种独特的磁感强度的测量参数获取装置和工具，能够简便、快捷而精确有效地获取测量参数。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是

一种磁感强度的测量装置，该装置包括：

小磁针和辅助磁铁；

视频采集设备，采集所述小磁针的摆动视频，并且所述视频采集设备与中央处理单元通信，发送所述采集的所述小磁针的摆动视频到所述的中央处理单元；

中央处理单元，分析处理由所述的视频采集设备发送过来的所述小磁针的摆动视频，抓取有效段的图像，识别、分析、计算出所述小磁针的摆动周期T以及第一、第二偏转角度α₁、α₂；并且按照所述小磁针的质量M、长度L、直径a以及所述辅助磁铁放置在所述第一、第二辅助位置时中心点到所述小磁针的中心点的第一距离r₁和第二距离r₂，根据设定的公式计算出待测点的磁感强度B_x；

当所述辅助磁铁放置在所述第一辅助位置时，所述小磁针发生的偏转角度为第一偏转角度α₁，当所述辅助磁铁放置在所述第二辅助位置时，所述小磁针发生的偏转角度为第二偏转角度α₂。

作为一种实施方式，所述的视频采集设备和中央处理单元为第一智能设备，所述的第一智能设备为智能手机、平板电脑或掌上电脑。

作为另一种实施方式，所述的视频采集设备为摄像头，所述的中央处理单元为第一电脑或第二智能设备，所述的摄像头通过数据线与所述的中央处理单元通信，或者所述的摄像头包括有摄像头通信单元，所述的摄像头通信单元通过蓝牙、WiFi或NFC与所述的中央处理单元通信；

所述的第二智能设备为智能手机、平板电脑或掌上电脑。

作为再一种实施方式，所述的中央处理单元为第二电脑或者云端服务器，当所述的中央处理单元为第二电脑时，所述的视频采集设备通过数据线、蓝牙、NFC、3G、4G、5G或WiFi与所述第二电脑通信；当所述的中央处理单元为云端服务器时，所述的视频采集设备通过3G、4G、5G或WiFi与所述云端服务器通信；

所述的视频采集设备为第三智能设备，具有视频录像单元、处理器、智能设备通信单元和显示单元，所述的处理器分别和视频录像单元、智能设备通信单元、输入单元和显示单元连接，通过所述的视频录像单元拍摄小磁针的摆动视频，并传送到所述的处理器；所述的智能设备通信单元通过无线或有线通信与所述中央处理单元通信，通过所述的智能设备通信单元将所述摆动视频发送到所述的中央处理单元；并能接收所述中央处理单元发送的计算结果信息，再由所述显示单元显示所述中央处理单元发送的计算结果信息；

所述的第三智能设备为智能手机、平板电脑、掌上电脑或电脑。

较优地，所述的第一、第二、第三智能设备分别还包括有输入单元，通过所述的输入单元输入各参数数值。

同时，本实用新型还提供了一种磁感强度的测量工具，用于上述磁感强度的测量方法，该工具包括：一小磁针和一辅助磁铁，所述的小磁针的质量为M、长度为L、直径为a。

我们知道某位置的磁感强度与放置在该位置附近的辅助磁铁的位置以及小磁针在共同作用力下的摆动有直接关系，那么在获取这些参数之后就可以获得该位置相应的磁感强度；本实用新型正是提供了一套巧妙的视频采集与分析抓取的装置能够有效地获取反映磁感强度的各项参数，为获取磁场强度提供有效的数据，从而通过后期处理获得磁感强度。

进一步的，当我们将小磁针为质量M、长度L、直径a、第一距离r₁和第二距离r₂作为一组固定的参数预先设定的话，获取的参数可以进一步地简化成只存在三个变量(摆动周期T、偏转角度为α₁、α₂)，那样相关参数获取可以进一步地简化和提高效率；而此时需要提供的小磁针则是统一的固定参数标准小磁针，以匹配中央处理单元预设的值；显然这样一组获取装置更加能够满足人们的测量需要。

对于上述的视频采集设备和中央处理单元的具体实现有多种实施方式：

所述的视频采集设备可以是一部智能手机、一台平板电脑、掌上电脑等智能设备，具有视频录像单元拍摄小磁针摆动视频，然后发送到中央处理单元分析、处理、计算，所述的中央处理单元可以是一云端服务器，这样当使用者只要简单地通过手机等设备拍摄好小磁针摆动视频后，上传到云端服务器，把复杂的分析计算交给功能强大的后台服务器，即可在很短时间内简便精确地获得计算结果，获取磁感强度测量参数就会变得如此的快捷而有乐趣，这种情况下装置本身对前端的手机等智能设备的性能要求也不会很高，所以其实现的前端硬件要求也是很低的。只要在云端服务器预置相关的图像分析和数据计算功能，就能支持n台智能设备只通过简单地上传小磁针摆动视频就能快捷地获取磁感强度测量参数信息，这对于科学探测、地质勘探、矿产勘探等等领域都具有广泛而深远的影响。

而当我们把特定数学计算式以及视频抓取、分析功能通过特定程序的形式编写入一台电脑后，所述的中央处理单元也可以是一台电脑，这样前端的视频采集设备可以是一部智能手机、一台平板电脑、掌上电脑等智能设备，也可以是一个简单的摄像头，只要它们把需要的小磁针的摆动视频发送到上述的电脑上，即可完成磁感强度测量参数的测量。这样磁感强度测量参数获取装置就可以方便地集合到我们随身携带的设备中，从而具有更大的灵活性、便携性，当我们需要对测量设备的参数进行调整时，也更加方便、可行。

而小磁针的各项参数以及辅助磁铁与小磁针的距离r₁、r₂也可以是变量，这时我们可以通过中央处理单元输入这些参数，而当前端视频采集设备为强大智能设备时也可以通过智能设备输入各项参数，然后发送到中央处理单元。

而随着智能设备的功能和综合计算能力越来越强大，也可以编写特定的程序软件来完成视频抓取、分析和计算，由智能设备的CPU、内存完成中央处理单元的功能，由智能设备的摄像头承担视频采集设备的功能，这样就可以单单由一部智能设备来充当整套获取磁感强度测量参数的装置，从而使得获取磁感强度测量参数的装置进一步的简化，测量者只需要携带一部手机等智能设备即可极其快捷地通过拍摄三段简单的小磁针摆动视频而获得任意位置待测点的磁感强度的测量参数。

基于上述的装置，本实用新型同时提供了一种磁场强度的测量工具，包括一小磁针和一辅助磁铁，所述的小磁针的质量为M、长度为L、直径为a。可以作为一套磁感强度测量参数获取工具产品独立地出售，使用者购买了所述的工具后，结合一定的视频采集设备和数据处理设备，即可获取所述的摆动周期T以及所述辅助磁铁分别放置在所述第一辅助位置和第二辅助位置时，所述小磁针发生偏转的第一偏转角度α₁，第二偏转角度α₂；从而获取有效的磁感强度测量参数，并进一步获得磁感强度信息。

附图说明

图1为小磁针的结构示意图；

图2为辅助磁铁放置在第一、第二辅助位置的示意图；

图3为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之一；

图4为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之二，其中中央处理器为云端服务器；

图5为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之三，其中中央处理器为第二电脑，与视频采集设备近距离通信；

图6为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之四，其中中央处理器为第二电脑，与视频采集设备实现远距离通信；

图7为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之五，其中视频采集设备为摄像头；

图8为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之六，其中摄像头带有摄像头通信单元；

图9为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之七，其中中央处理器为第二智能设备；

图10为本实用新型磁感强度的测量装置的结构示意图之八，中央处理器与视频采集设备集成为第一智能设备。

图中：

1、小磁针 2、辅助磁铁

3、视频采集设备 301、摄像头

3011、摄像头通信单元 302、第三智能设备

4、中央处理单元 401、第一电脑

402、第二智能设备 403、云端服务器

404、第二电脑 5、第一智能设备

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

一种磁感强度的测量参数获取装置，利用一小磁针1和一辅助磁铁2(参见图3)，使用方法可以是：

S1.在待测点设置小磁针1，待小磁针1保持静止状态定义为初始位置，

如图1所示，所述的小磁针1的质量为M、长度为L、直径为a；

S2.给予所述小磁针1一个径向的扰动力，使其产生小于5°的摆动，测量其摆动周期为T；

S3.如图2所示，在与小磁针1的同一水平面上放置一辅助磁铁2，所述辅助磁铁2设置在通过所述小磁针1中心点且与小磁针1初始位置的轴线垂直的直线上；所述的辅助磁铁2先后放置在第一辅助位置和第二辅助位置，其中放置在第一、第二辅助位置时所述辅助磁铁2的中心点到所述小磁针1的中心点的距离分别为第一距离r₁和第二距离r₂；

当所述辅助磁铁2放置在所述第一辅助位置时，所述小磁针1发生的偏转角度为第一偏转角度α₁，当所述辅助磁铁2放置在所述第二辅助位置时，所述小磁针1 发生的偏转角度为第二偏转角度α₂。

然后我们就可以通过本实用新型装置获取的参数计算磁感强度B_x，计算的方法可以是：

式中：B_x单位特斯拉，π为圆周率，T单位秒，M单位千克，L、a、r₁、r₂单位米，真空磁导率μ₀为4π×10^-7。当然也可以利用其它关联性算式通过本实用新型获得的测量参数计算磁感强度。

图3示出了一种磁感强度的测量参数获取装置，包括一小磁针1和一辅助磁铁2；

一视频采集设备3，采集所述小磁针1的摆动视频，并且所述视频采集设备与中央处理单元4通信，发送所述采集的所述小磁针1的摆动视频到所述的中央处理单元4；

一中央处理单元4，分析处理由所述的视频采集设备3发送过来的所述小磁针1的摆动视频，抓取有效段的图像，识别、分析、计算出所述小磁针1的摆动周期T以及第一、第二偏转角度α₁、α₂；并且按照所述小磁针1的质量M、长度L、直径a以及所述辅助磁铁2放置在所述第一、第二辅助位置时中心点到所述小磁针1的中心点的第一距离r₁和第二距离r₂。

所述的第一距离r₁为50mm，所述的第二距离r₂为100mm。因为辅助磁铁2放置得太远，辅助磁场太弱，会影响计算结果的准确性合理性；而放置得太近了，辅助磁场也会因太强而影响测量计算的准确性。当然，只要是适合磁感强度的测量，第一距离r₁和第二距离r₂也可以选取其它合理的值。

当对所述小磁针1施加所述扰动力时，检测所述小磁针1初始发生偏转摆动的前5个周期的周期时间值，取其平均值作为摆动周期T；

当所述辅助磁铁2放置在所述第一、第二辅助位置时，所述小磁针1分别发生的偏转角度为α₁、α₂的检测方法为：当放置了所述辅助磁铁2后，检测所述小磁针1初始发生偏转摆动的前5个周期的偏转角度，取其平均值作为偏转角度值。

当然上述的小磁针1初始发生偏转摆动的前5个周期也可以是1个、2个、3个等等，只要取其平均值作为摆动周期或偏转角度，因为小磁针在摆动初期其摆动周期或偏转角度基本是相同的，取其摆动初期的N个周期的平均值则是一个比较科学的方法，同时由于小磁针发生偏转的话会有一个比较长时间的摆动期，如果等到小磁针完全静止时再测量偏转角度，第一会等待偏长的时间，第二可能由于垃圾灰尘风向等等不定因素而影响最终偏转角度的精确性，而在其摆动初期的N周期平均值却是一种更为科学更为精确的测量方法。

当然出于测量设备的精度以及其它环境条件，我们也可以采用静止测量偏转角度的方法。

利用上述的装置进一步为：

步骤S2中，当对所述小磁针1施加所述扰动力时，由视频采集设备3拍摄所述小磁针1的偏转视频，然后发送给中央处理单元4分析处理，抓取所述前5个周期的周期时间值，计算器平均值作为摆动周期T；

步骤S3中，当所述辅助磁铁2放置在所述第一辅助位置时，由所述的视频采集设备拍摄3所述小磁针1的偏转视频，发送给所述的中央处理单元4分析处理，抓取所述的前5个周期的偏转角度，计算其平均值作为第一偏转角度α₁；当所述辅助磁铁2放置在所述第二辅助位置时，由所述的视频采集设备3拍摄所述小磁针1的偏转视频，发送给所述的中央处理单元4分析处理，抓取所述的前5个周期的偏转角度，计算其平均值作为第二偏转角度α₂。

在没有阻尼的情况下小磁针可以同摆幅地一直摆动，但是自然界中由于阻尼的必然存在，小磁针的摆动是一个逐步衰减的过程，所以我们在考虑测量效率和准确度的前提下，一般选取上述的N为所述的N为0＜N≤10的自然数，N取3＜N≤10时的平均值更为合理，实际检测中我们取N＝5,获得的平均值最为合理。

所述的视频采集设备3和中央处理单元4的实现方式有多种：

一组实施例中，如图4所示，所述的中央处理单元4为一云端服务器403，所述的视频采集设备3通过3G、4G、5G或WiFi等无线通信方式与所述云端服务403器通信；

所述的视频采集设备为第三智能设备302，具有视频录像单元、处理器、智能设备通信单元和显示单元，所述的处理器分别和视频录像单元、智能设备通信单元、输入单元和显示单元连接，通过所述的视频录像单元拍摄小磁针1的摆动视频，并传送到所述的处理器；所述的智能设备通信单元通过无线或有线通信与所述云端服务器403通信，通过所述的智能设备通信单元将所述摆动视频发送到所述的云端服务器403；并能接收所述云端服务器403发送的计算结果信息，再由所述显示单元显示所述云端服务器403发送的计算结果信息；

所述的第三智能设备302为智能手机、平板电脑或掌上电脑等智能移动设备，或者是一台电脑。所述电脑通过内置摄像头拍摄小磁针1的摆动视频，也可以通过外接摄像头或视频设备或移动设备拍摄小磁针1的摆动视频。

这样，只要在云端服务器403预置相关的图像分析和数据计算功能，就能支持n台第三智能设备302只通过简单地上传小磁针1摆动视频就能快捷地获取磁感强度信息，这对于科学探测、地质勘探、矿产勘探等等领域都具有广泛而深远的影响。

作为一种实施方式，所述的小磁针可以为质量M、长度L、直径a为预设值的标准件，放置所述的辅助磁铁2与小磁针1之间的所述第一距离r₁和第二距离r₂为设定的预设值；所述小磁针为质量M、长度L、直径a、第一距离r₁和第二距离r₂在所述云端服务器403中预设；这样，在所述待测点磁感强度的测量过程中，只需要通过所述的第三智能设备302发送相应的所述小磁针1的偏转视频，识别分析所述的摆动周期T、第一偏转角度α₁、第二偏转角度α₂，不需要再输入其它任何参数值，即可由所述云端服务器403计算获得待测点磁感强度B_x的测量参数。

进一步地，上述的第三智能设备302还包括有输入单元，通过所述的输入单元输入各参数数值，由所述的显示单元显示所述输入的各参数数值，并将所述各参数数值连同摆动视频一起发送到所述的云端服务器403。这样作为另一种实施方式，测量可以更加灵活机动，可以选择变量的小磁针为质量M、长度L、直径a、第一距离r₁和第二距离r₂等参数值，只要通过所述输入单元输入并上传云端服务器403，就可以由云端服务器403计算出待测点的磁感强度的测量参数，并发送回第三智能设备302。

上述的云端服务器403也可以是一台第二电脑404，第二电脑404完成上述云端服务器401的图像识别分析及综合计算功能，所述的第二电脑404与第三智能设备302可以通过数据线、蓝牙、WiFi或NFC实现近距离通信，如图5所示；也可以通过3G、4G、5G或WiFi实现远程通信，如图6所示。

另一组实施例中，如图7所示，所述的视频采集设备3为一摄像头301，所述的中央处理单元4为一第一电脑401，所述的摄像头301通过数据线与所述的第一电脑401通信，由摄像头301拍摄小磁针1的摆动视频，传送到第一电脑401分析处理计算，获得磁感强度B_x的测量参数。

如图8所示，上述的摄像头301还可以是包括有摄像头通信单元3011，所述的摄像头通信单元3011通过蓝牙、WiFi或NFC等与所述的第一电脑401通信；这样摄像头301就可以比较灵活地移动拍摄，从而能灵活地测定一定移动范围内待测点的磁感强度值B_x的测量参数。

如图9所示，上述的第一电脑401也可以用第二智能设备402替换，所述的第二智能设备402具备视频抓取、分析、处理和综合计算能力，分析处理数据后，计算获得磁感强度B_x。所述的第二智能设备402为智能手机、平板电脑或掌上电脑等智能移动设备。

进一步地，所述的第二智能设备402还包括有输入单元，通过所述的输入单元输入各参数数值。这样测量方法和工具可以更加灵活机动，可以选择变量的小磁针为质量M、长度L、直径a、第一距离r₁和第二距离r₂等参数值，只要通过所述输入单元输入，所述的第二智能设备402就可以根据实际输入的变量参数，利用算式计算出待测点的磁感强度值B_x。

同样的，上述的摄像头301和第二智能设备402的形式也可以是视频采集设备3和中央处理单元4集成在一个第一智能设备5中的形式，如图10所示，其中所述视频采集设备3为第一智能设备5的自带内置摄像头，所述中央处理单元4为第一智能设备5的CPU及存储单元。进一步地，所述的第一智能设备5还包括有输入单元，通过所述的输入单元输入各参数数值；所述的第一智能设备5可以为智能手机、平板电脑或掌上电脑等智能移动设备。这样移动单机版的测量磁感强度的装置大大提高了磁感强度测量的灵活性和便携性。

综合上述使用的测量磁感强度的方法和装置，可以把一小磁针和一辅助磁铁作为一套磁感强度测量工具产品独立地出售，提供给广大的使用者、兴趣爱好者或者教学使用，所述的小磁针的质量为M、长度为L、直径为a。使用者获得这套测量工具后就可以利用前述的多种测量方法和测量装置形式来快捷直观地获得待测点的磁感强度。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。