一种基于激光定位的磁场分布测量装置及其测量方法

1.本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及一种基于激光定位的磁场分布测量装置及其测量方法。


背景技术：

2.现有磁场分布测量装置根据测量手段的不同，分为手动磁场测量装置和自动磁场测量装置。手动磁场测量装置操控简单、使用便携、价格低廉，但在测量磁场分布时，采用手持传感器探头进行测量，导致传感器探头的移动路径无法进行准确、可靠的定位，从而使测量结果产生较大的人为误差。自动磁场测量装置采用自动运动控制技术对传感器探头的移动路径进行程序操控，并在测试平台上设置专门的夹具或定位装置，针对几何外形规则的磁场源，可以实现高精度的定位测量，但是，当磁场源存在不规则几何外形、缺少夹具或定位装置时，磁场源将产生初始定位误差，同时，测量路径需提前编程预设，使用前需要进行人员技术培训，导致设备使用的灵活性、通用性较差，且存在装置价格昂贵、不便于携带等不足，从而带来高昂的人力与物力成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有磁场测量装置定位精度低、价格昂贵、操控性、通用性差等不足，提供一种基于激光定位的磁场分布测量装置及其测量方法，降低成本、减小人为误差，以提高磁场测量装置的可靠性、灵活性、通用性、主动性，为现有磁场测量装置提供可选择的定位及测量方法。
4.本发明采用的技术方案是：一种基于激光定位的磁场分布测量装置，其包括底座以及设在底座上的三轴运动平台，三轴运动平台包括横向x轴滑台、纵向y轴滑台、垂向z轴滑台；横向x轴滑台固定于底座上，横向x轴滑台具有x轴轨道，y轴滑块滑动设在x轴轨道上，纵向y轴滑台安装在y轴滑块的上端，纵向y轴滑台的底部具有与y轴滑块配合的y轴轨道，横向x轴滑台与纵向y轴滑台通过y轴滑块连接构成二维水平运动台；纵向y轴滑台的上端面设有一磁场源；垂向z轴滑台竖直设在纵向y轴滑台的一侧并位于x轴轨道的一端；垂向z轴滑台具有z轴滑轨，z轴滑块滑动设置在z轴滑轨上，激光灯组安装在垂向z轴滑台上并按预设的定位路径在纵向y轴滑台照射光斑；磁场传感器固定在z轴滑块上以探测空间磁场大小；磁场传感器的输出端连接上位机。
5.进一步地，上位机通过数据采集卡连接磁场传感器；上位机内搭载有上位机软件，上位机软件获取并记录测量得到的磁场大小。
6.进一步地，横向x轴滑台上设有与x轴轨道平行的x轴调节螺杆，y轴滑块套设在x轴调节螺杆上，x轴调节螺杆的一端设置x轴调节手轮，并通过x轴调节手轮手动调节y轴滑块与横向x轴滑台的相对位置；纵向y轴滑台上设有与y轴轨道平行的y轴调节螺杆，y轴调节螺杆与y轴滑块套的上端转动配合，y轴调节螺杆的一端设置y轴调节手轮，并通过y轴调节手
轮手动调节纵向y轴滑台与y轴滑块的相对位置；垂向z轴滑台上设有与z轴轨道平行的z轴调节螺杆，z轴滑块套设在z轴调节螺杆上，z轴调节螺杆的一端设置z轴调节手轮，并通过z轴调节手轮手动调节z轴滑块与垂向z轴滑台的相对位置。
7.进一步地，激光灯组与磁场传感器通过支架固定到垂向z轴滑台；进一步地，横向x轴滑台至少一侧边对应x轴轨道设有x轴标尺；纵向y轴滑台至少一侧边设有y轴标尺；垂向z轴滑台至少一侧边对应z轴轨道设有z轴标尺。
8.进一步地，激光灯组包括至少一个设置在磁场传感器探头正上方的激光灯。
9.进一步地，激光灯组包括三个激光灯，左侧激光灯、中间激光灯和右侧激光灯。
10.进一步地，三轴运动平台结构为三轴“t”字型、三轴悬臂、四轴龙门、四轴龙门单导轨中的一种，三轴运动平台采用手轮、步进电机或伺服电机中的单一驱动方式或两种以上驱动方式的组合。
11.进一步地，激光灯组包括红色、绿色、蓝色的灯源，灯源结构为单点、一字线形、十字线形中的一种单一结构或两种以上结构的组合排列。
12.进一步地，磁场传感器为一维、二维、三维霍尔探头中单一结构或两种以上结构的组合阵列；一维霍尔探头通过设置不同的朝向测量磁场在纵向、横向与垂直方向上的分量。
13.进一步地，y轴滑台可拆卸安装有指示定位路径、测量路径及磁场源间的位置的指示图纸。指示图纸为绘制有定位路径、测量路径及磁场源间的位置的坐标纸或者精确打印上定位路径、测量路径及磁场源间的位置的普通纸张。
14.在测量过程中，保持激光灯组与磁场传感器的相对位置不变，控制二维水平运动台使激光灯照射在平台上的光斑按预设的定位路径移动，从而间接使磁场传感器按预设的定位路径对磁场源上方的磁场进行测量。一种基于激光定位的磁场分布测量装置的测量方法，其包括以下步骤：步骤1，预设定位路径及其起始点、终点，磁场源水平位置及测量高度；步骤2，按预设的水平位置固定磁场源到二维水平运动台，通过垂向z轴滑台设置磁场传感器的测量高度，步骤3，调节磁场传感器探头正上方激光灯组的照射位置，使得激光灯光斑与定位路径起始点重合，即定位路径与测量路径重合；步骤4，保持磁场传感器与激光灯组的相对位置不变，控制二维水平运动台的相对位置使激光灯光斑沿定位路径移动，同时测量与记录磁场大小直到激光灯光斑与定位路径终点重合。
15.进一步地，使传感器探头在二维水平运动台上的投影与定位路径起始点重合；进一步地，使激光灯偏转侧倾照射，直至激光灯光斑与定位路径起始点重合，即定位路径与测量路径重合；进一步地，当磁场源表面平整且厚度较小时，激光灯组采用单激光灯侧倾照射定位法对其磁场分布进行测量，步骤3中单激光灯偏转侧倾照射，直至激光灯光斑与定位路径起始点重合。
16.进一步地，当磁场源表面平整且厚度较大时，为避免激光光束被磁场源遮挡，激光灯组采用双激光或多激光侧倾照射定位法对其磁场分布进行测量，步骤3中双激光灯或多激光灯沿不同方向偏转侧倾照射，直至所有激光灯光斑与定位路径起始点重合。
17.进一步地，当磁场源表面不平整或不便于观察时，为确保激光灯光斑沿定位路径移动的可靠性，激光灯组采用单激光灯垂直照射偏离定位法对其磁场分布进行测量，步骤3中单激光灯垂直照射的光斑与定位路径起始点重合。
18.进一步地，步骤3采用单激光垂直照射偏离定位与单激光、双激光或多激光侧倾照射定位组合得到复合激光定位法，步骤3具体包括以下步骤：步骤3
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1，磁场传感器探头正上方设置单激光灯，使激光灯垂直照射的光斑与定位路径起始点重合，即定位路径以指定距离偏离测量路径；步骤3
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2，磁场传感器探头正上方设置单激光灯、双激光灯或多激光灯，使激光灯沿不同方向偏转侧倾照射，直至所有激光灯光斑与测量路径起始点重合。
19.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、可以有效提手动磁场测量装置的定位测量精度，使测量结果更加准确、可靠，同时，通过绘制或打印预设测量定位路径，结合激光灯光斑移动，可以直观、形象观察整个测量过程；2、可以提高自动磁场测量装置的使用灵活性、通用性及初始定位精度，同时，在没有提前编程预设测量定位路径时，对感兴趣的测量区域进行直观、快速、可靠的定位探测，从而提高测量的主动性。
附图说明
20.以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；图1为磁场分布测量装置轴测图；图2为磁场分布测量装置前视图；图3为磁场分布测量装置左视图；图4为磁场分布测量装置俯视图；图5为无激光定位磁场分布测量示意图；图6为单激光侧倾照射定位磁场分布测量示意图；图7为双激光侧倾照射定位磁场分布测量示意图；图8为单激光垂直照射偏离定位磁场分布测量示意图；图9为单激光垂直照射偏离与单激光侧倾定位磁场分布测量示意图；图10为单激光垂直照射偏离与双激光侧倾定位磁场分布测量示意图；图11为一维霍尔传感器磁场分量测量示意图；图12为单激光侧倾照射定位测量正方形永磁体上方磁场线分布示意图；图13为单激光侧倾照射定位测量正方形永磁体上方磁场面分布示意图；图14为永磁体正上方不同高度下的磁场z轴分量沿y轴的分布曲线图；图15为永磁体正上方不同高度下的磁场y轴分量沿y轴的分布曲线图；图16为永磁体正上方2 mm处磁场z轴分量沿x轴y轴的分布曲面图。
21.附图标号：1
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z轴滑台，10
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左侧激光灯，11
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中间激光灯，12
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右侧激光灯，13
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左侧激光灯支架，14
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中间激光灯支架，15
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右侧激光灯支架，16
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磁场传感器，17
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磁场传感器支架，18
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z轴滑块，19
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z轴滑台标尺，110
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z轴调节旋钮，2
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y轴滑台，21
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y轴调节手轮，22
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测量平台，23
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y轴标尺，24
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y轴滑块，25
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磁场源，26
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激光灯光斑，3
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x轴滑台，31
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x轴调节手轮，32
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x轴标尺，4
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底座。
具体实施方式
22.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
23.激光定位技术常用于工业制造领域，用以加工机械零部件、切割材料等，起到精准定位的作用。在手动磁场测量装置中，引入激光辅助定位技术，可以有效提高磁场测量的初始位置及扫描路径的定位精度，使测量结果更加准确、可靠，同时，通过绘制或打印预设测量定位路径，结合激光灯光斑移动，可以直观、形象观察整个测量过程，从而提高测量的主动性，在磁场测量的实验教学中具有重要应用价值。
24.如图1至图16之一所示，本发明公开了一种基于激光定位的磁场分布测量装置，其包括底座以及设在底座上的三轴运动平台，三轴运动平台包括横向x轴滑台、纵向y轴滑台、垂向z轴滑台；横向x轴滑台固定于底座上，横向x轴滑台具有x轴轨道，y轴滑块滑动设在x轴轨道上，纵向y轴滑台安装在y轴滑块的上端，纵向y轴滑台的底部具有与y轴滑块配合的y轴轨道，横向x轴滑台与纵向y轴滑台通过y轴滑块连接构成二维水平运动台；纵向y轴滑台的上端面设有一磁场源；垂向z轴滑台竖直设在纵向y轴滑台的一侧并位于x轴轨道的一端；垂向z轴滑台具有z轴滑轨，z轴滑块滑动设置在z轴滑轨上，激光灯组安装在垂向z轴滑台上并按预设的定位路径在纵向y轴滑台照射光斑；磁场传感器固定在z轴滑块上以探测空间磁场大小；磁场传感器的输出端连接上位机。
25.进一步地，横向x轴滑台上设有与x轴轨道平行的x轴调节螺杆，y轴滑块套设在x轴调节螺杆上，x轴调节螺杆的一端设置x轴调节手轮，并通过x轴调节手轮手动调节y轴滑块与横向x轴滑台的相对位置；纵向y轴滑台上设有与y轴轨道平行的y轴调节螺杆，y轴调节螺杆与y轴滑块套的上端转动配合，y轴调节螺杆的一端设置y轴调节手轮，并通过y轴调节手轮手动调节纵向y轴滑台与y轴滑块的相对位置；垂向z轴滑台上设有与z轴轨道平行的z轴调节螺杆，z轴滑块套设在z轴调节螺杆上，z轴调节螺杆的一端设置z轴调节手轮，并通过z轴调节手轮手动调节z轴滑块与垂向z轴滑台的相对位置。
26.进一步地，横向x轴滑台至少一侧边对应x轴轨道设有x轴标尺；纵向y轴滑台至少一侧边设有y轴标尺；垂向z轴滑台至少一侧边对应z轴轨道设有z轴标尺。
27.进一步地，激光灯组包括至少一个设置在磁场传感器探头正上方的激光灯。
28.进一步地，激光灯组包括三个激光灯，左侧激光灯、中间激光灯和右侧激光灯。
29.进一步地，y轴滑台可拆卸安装有指示定位路径、测量路径及磁场源间的位置的指示图纸。指示图纸为绘制有定位路径、测量路径及磁场源间的位置的坐标纸或者精确打印上定位路径、测量路径及磁场源间的位置的普通纸张。
30.下面就本发明的具体原理做详细说明：如图1、图2、图3、图4分别所示的磁场分布测量装置轴测图、前视图、左视图、俯视图，主要由z轴滑台1、y轴滑台2、x轴方向滑台3、底座4、激光灯组及其支架、磁场传感器16及其支架17构成。y轴滑台2设置在x轴滑台3正上方，通过y轴滑块24连接组成十字滑台，进一步，整体固定在底座4上；z轴滑台1设置在所述的十字滑台旁边，进一步，固定到底座4上，与所述的十字滑台共同组成三轴运动平台；磁场传感器16通过磁场传感器支架17固定在z轴滑块18上，激光灯组通过激光灯支架固定在z轴滑台1上，磁场源25设置在测试平台22上，进一步，通过激光灯组定位与三轴运动平台控制磁场传感器16与磁场源25间的相对位置关
系，从而实现磁场源25上方的磁场分布测量。所述的激光灯组及其支架包括：左侧激光灯10、中间激光灯11、右侧激光灯12、左侧激光灯支架13、中间激光灯支架14、右侧激光灯支架15；所述的z轴滑台1通过z轴调节旋钮110与z轴滑台标尺19控制z轴位移；所述的y轴滑台2通过y轴调节手轮21与y轴标尺23控制y轴位移；所述的x轴滑台3通过x轴调节手轮31与x轴标尺32控制x轴位移。
31.优选的，所述的三轴运动平台结构为三轴“t”字型、三轴悬臂、四轴龙门、四轴龙门单导轨，采用手轮、步进电机或伺服电机中的单一驱动方式或组合驱动方式；优选的，所述的磁场传感器为一维、二维、三维霍尔探头中的单一结构或组合阵列结构；优选的，所述的磁场源为永磁体、常导线圈、超导线圈、通电直导体中的单一结构或组合排列结构；优选的，所述的激光灯组为红色、绿色、蓝色的单点、一字线形、十字线形灯源中的单一结构或组合排列结构。
32.如图5所示的无激光定位磁场分布测量示意图，对磁场源25上方距离h处的磁场分布进行测量时，需要通过机械定位装置与三轴运动平台实现测量点的精确定位，当缺少定位装置或磁场源25存在外观不规则时，只能降低磁场传感器16的高度，通过人眼进行定位，在磁场的测量过程中会带较大的人为误差，从而降低测量的可靠性与准确性。
33.实施例1：如图6所示的单激光侧倾照射定位磁场分布测量示意图，当磁场源25表面平整，厚度较小时，采用单激光侧倾照射定位法对其磁场分布进行测量，主要步骤包括：（1）预设定位路径及其起始点、终点，磁场源25水平位置及测量高度h；（2）按预设的水平位置固定磁场源25到测量平台22，通过z轴滑台1设置磁场传感器16的测量高度h，进一步，使传感器探头在测量平台22上的投影与定位路径起始点重合；（3）磁场传感器16正上方设置单激光灯12，进一步，使激光灯12偏转侧倾照射，直至激光灯光斑26与定位路径起始点重合，即定位路径与测量路径在测量平台22上的投影重合；（4）保持磁场传感器16与单激光灯12的相对位置不变，通过y轴调节手轮21，控制测量平台22使激光灯光斑26沿定位路径移动，测量与记录磁场大小，直到激光灯光斑26与定位路径终点重合。
34.实施例2：如图7所示的双激光侧倾照射定位磁场分布测量示意图，当磁场源25表面平整，厚度较大时，为避免激光光束被磁场源25遮挡，采用双激光或多激光侧倾照射定位法对其磁场分布进行测量，主要步骤包括：（1）预设定位路径及其起始点、终点，磁场源25水平位置及测量高度h；（2）按预设的水平位置固定磁场源25到测量平台22，通过z轴滑台1设置磁场传感器16的测量高度h，进一步，使传感器探头在测量平台22上的投影与定位路径起始点重合；（3）磁场传感器16正上方设置激光灯11与激光灯12，进一步，使激光灯11与激光灯12沿不同方向偏转侧倾照射，直至所有激光灯光斑26与定位路径起始点重合，即定位路径与测量路径在测量平台22上的投影重合；（4）保持磁场传感器16与双激光灯11、12的相对位置不变，通过y轴调节手轮21，控制测量平台22使激光灯光斑26沿定位路径移动，测量与记录磁场大小，直到激光灯光斑26
与定位路径终点重合。
35.实施例3：如图8所示的单激光垂直照射偏离定位磁场分布测量示意图，当磁场源25表面不平整或不便于观察时，为确保激光灯光斑26沿定位路径移动的可靠性，采用单激光垂直照射偏离定位法对其磁场分布进行测量，主要步骤包括：（1）预设定位路径及其起始点、终点，偏离指定距离δ设置测量路径及其起始点、终点，确保测量路径与定位路径一致，进一步，设置磁场源25水平位置及测量高度h；（2）按预设的水平位置固定磁场源25到测量平台22，通过z轴滑台1设置磁场传感器16的测量高度h，进一步，使传感器探头在测量平台22上的投影与测量路径起始点重合；（3）磁场传感器16左侧正上方设置单激光灯10，进一步，使激光灯10垂直照射光斑26与定位路径起始点重合，即定位路径以指定距离δ偏离测量路径；（4）保持磁场传感器16与单激光灯10的相对位置不变，通过y轴调节手轮21，控制测量平台22使激光灯光斑26沿定位路径移动，测量与记录磁场大小，直到激光灯光斑26与定位路径终点重合。
36.实施例4：如图9、图10所示的单激光垂直照射偏离分别与单激光、双激光侧倾定位磁场分布测量示意图，采用复合激光定位对磁场源25上方的磁场分布进行测量，主要步骤包括：（1）预设定位路径及其起始点、终点，偏离指定距离δ设置测量路径及其起始点、终点，确保测量路径与激光灯侧倾定位路径一致，进一步，设置磁场源25水平位置及测量高度h；（2）按预设的水平位置固定磁场源25到测量平台22，通过z轴滑台1设置磁场传感器16的测量高度h，进一步，使传感器探头在测量平台22上的投影与测量路径起始点重合；（3）磁场传感器16左侧正上方设置单激光灯10，进一步，使激光灯垂直照射的光斑与定位路径起始点重合，即定位路径以指定距离δ偏离测量路径；（4）磁场传感器16正上方设置单激光灯12或双激光灯11、12，进一步，使激光灯沿不同方向偏转侧倾照射，直至所有激光灯光斑26与测量路径起始点重合；（5）保持磁场传感器16与激光灯组10、11、12的相对位置不变，通过y轴调节手轮21，控制测量平台22使激光灯光斑26沿定位路径移动，测量与记录磁场大小，直到激光灯光斑26与定位路径终点重合。
37.作为一种实施方式，如图11所示的一维霍尔传感器磁场分量测量示意图，通过旋转磁场传感器16，分别使其探头测量方向沿x、y、z轴方向，即可测得磁场源25上方沿x、y、z轴方向的磁场分量，从而降低设备成本。
38.如图12、图13所示的单激光侧倾照射定位测量正方形永磁体上方磁场线分布与面分布示意图，采用单激光侧倾照射定位法分别测量永磁体正上方不同高度下磁场z轴分量与y轴分量沿y轴的线分布及永磁体上方2mm处磁场z轴分量的面分布，测量结果依次如图14、图15、图16所示，与理论计算结果及标准磁场测量设备的测量结果吻合度较高。
39.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在手动磁场测量装置中，引入激光辅助定位技术，可以有效提高磁场测量的初始位置及扫描路径的定位精度，使测量结果更加准确、可靠，同时，通过绘制或打印预设测量定位路径，结合激光灯光斑移动，可以直观、形象观察整个测量过程，在磁场测量的实验教学中具有重要应用价
值；在自动磁场测量装置中，引入激光辅助定位技术，可以提高装置的使用灵活性、通用性及初始定位精度，同时，在没有提前编程预设测量定位路径时，可以对感兴趣的测量区域进行直观、快速、可靠的定位探测，从而提高测量主动性，在科研测量中具有广阔的应用前景。
40.本发明结合高校电磁场实验的实际教学过程制作的实验样机，投入实际的教学应用，取得了良好的教学效果。在自动磁场测量装置中，引入激光辅助定位技术，可以提高装置的使用灵活性、通用性及初始定位精度，同时，在没有提前编程预设测量定位路径时，可以对感兴趣的测量区域进行直观、快速、可靠的定位探测，从而提高测量主动性，在科研测量中具有广阔的应用前景。本技术发明人结合高校科研项目研究对磁场测量的需求，制作了基于激光定位的自动化磁场测量实验样机，实现了对基于halbach阵列永磁轨道外磁场的快速定位测量与探伤。
41.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。