本发明的目的在于提供一种结构简单、能够测量地磁场水平与垂直方向的磁感应强度 分布的感应式地磁场测量实验仪。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:感应式地磁场测量实验仪,它由地磁场感 应装置、槽型光电
耦合器驱动
电路、前置放大电路、
数据采集和数字
信号处理电路构成; 其特征在于地磁场感应装置包括
支架1、挡光片2、线圈终止转动
弹簧制动器3、第二槽型 光电耦合器4、线圈
框架5、地磁感应线圈绕组6、第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动 弹簧扣12、空心
转轴14、感应
电流信号输出线15,地磁感应线圈绕组6缠绕在线圈框架5 的塑料圆形槽内,支架1内为空腔,线圈框架5位于支架1的空腔内,并处于支架1的上 端,线圈框架5的前后两端分别由空心转轴14与支架1活动连接;支架1空腔内的上端左
侧壁上分别设有线圈终止转动弹簧制动器3、第二槽型光电耦合器4,支架1空腔内的上端 右侧壁上分别设有第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动弹簧扣12,第二槽型光电耦合器 4、第一槽型光电耦合器10处的支架1上分别设有槽型光电耦合器信号输出
接口11;线圈 框架5的左端边缘固定一个挡光片2,线圈框架5旋转时,挡光片2穿过第一槽型光电耦合 器10的光槽、第二槽型光电耦合器4的光槽;第一槽型光电耦合器10、第二槽型光电耦合 器4的信号输出线分别穿过槽型光电耦合器信号输出接口11与槽型光电耦合器驱动电路的 输入端相连,地磁感应线圈绕组6的感应电流信号输出线15穿过空心转轴14与前置放大 电路的输入端相连,槽型光电耦合器驱动电路的输出端、前置放大电路的输出端分别与数 据采集和
数字信号处理电路的
模数转换器相连。
所述的支架1上设有启动线圈旋转弹
力装置,启动线圈旋转弹力装置主要由
簧片弹力 调节螺杆7、
螺母8、簧片9、压簧
铁杆13组成,簧片9位于支架1的空腔内,簧片9一端 与支架1固定连接,簧片9的另一端悬空,簧片9的上面设有簧片弹力调节螺杆7,簧片弹 力调节螺杆7旋入螺母8内,螺母8与支架1固定连接;压簧铁杆13固定在线圈框架5上, 线圈框架5与支架1的上端面平行时,压簧铁杆13压住簧片9,从而为线圈框架5的转动 提供弹力;此时,线圈框架5被起始转动弹簧扣12扣住。
所述的地磁感应线圈绕组6的线圈
匝数为1000匝,线圈的直径为0.3mm
铜线。所述的 支架1为正方体形
铝合金支架。
本发明结构简单,它通过地磁感应线圈绕组6在地磁场中翻转,切割地磁场的
磁力线 产生感应电动势,并在闭合的线圈中产生感应电流,经前置放大电路对信号进行放大,由 AD转换将
模拟信号变成数字信号,再由
单片机或DSP在
软件控制下进行数据采集和数字信 号处理,最终获得地磁场的水平和垂直分量。本发明的
电磁感应的原理展示清晰,可采集 地磁感应线圈切割地磁力线过程的所有数据,
采样时间可调;采集的数据既可在
液晶显示 屏上显示,也可以通过RS232串口将数据传送到计算机,在计算机屏幕上显示。对采集的 数据可手动处理,也可以由单片机或计算机自动处理。该实验仪器操作简单、使用方便, 可分别测量地磁场的垂直分量、水平分量。
附图说明
图1是本发明的电路原理
框图图2是本发明地磁场感应装置的结构示意图
图3是本发明前置放大电路原理图
图4是本发明槽型光电耦合器驱动电路图
图5是本发明数据采集和数字
信号处理电路图
图中:1-支架,2-挡光片,3-线圈终止转动弹簧制动器,4-第二槽型光电耦合器,5- 线圈框架,6-地磁感应线圈绕组,7-簧片弹力调节螺杆,8-螺母,9-簧片,10-第一槽型光 电耦合器,11-槽型光电耦合器信号输出接口,12-线圈起始转动弹簧扣,13-压簧铁杆,14- 空心转轴,15-感应电流信号输出线。
如图1、图2所示,感应式地磁场测量实验仪,它由地磁场感应装置、槽型光电耦合器 驱动电路、前置放大电路、数据采集和数字信号处理电路构成;地磁场感应装置包括支架1、 挡光片2、线圈终止转动弹簧制动器3、第二槽型光电耦合器4、线圈框架5、地磁感应线 圈绕组6、第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动弹簧扣12、空心转轴14、感应电流信号 输出线15,地磁感应线圈绕组6缠绕在线圈框架5的塑料圆形槽内,支架1内为空腔,线 圈框架5位于支架1的空腔内,并处于支架1的上端,线圈框架5的前后两端分别由空心 转轴14与支架1活动连接;支架1空腔内的上端左侧壁上分别设有线圈终止转动弹簧制动 器3、第二槽型光电耦合器4,支架1空腔内的上端右侧壁上分别设有第一槽型光电耦合器 10、线圈起始转动弹簧扣12,第二槽型光电耦合器4、第一槽型光电耦合器10处的支架1 上分别设有槽型光电耦合器信号输出接口11;线圈框架5的左端边缘固定一个挡光片2(挡 光片2采用薄铜片,设在与空心转轴14垂直方向),线圈框架5旋转时,挡光片2穿过第 一槽型光电耦合器10的光槽、第二槽型光电耦合器4的光槽(槽型光电耦合器的光槽一端 装有红外发光
二极管,另一端装有光敏
三极管,遮光片可从耦合器中间光槽通过;由达林 顿管驱动红外
发光二极管和光敏三极管构成槽形光电耦合器,当遮光片在槽型光电耦合器 中挡光时,其
输出信号经放大和整形后输入到单片机或DSP中);第一槽型光电耦合器10、 第二槽型光电耦合器4的信号输出线分别穿过槽型光电耦合器信号输出接口11与槽型光电 耦合器驱动电路的输入端相连,地磁感应线圈绕组6的感应电流信号输出线15穿过空心转 轴14(保证线圈框架5能够自由转动)与前置放大电路的输入端相连(采用超低噪声精密 仪器
放大器对地磁感应线圈产生的感应电流进行放大,并将其转化为
电压信号输出,如图3 所示),槽型光电耦合器驱动电路(如图4所示)的输出端、前置放大电路的输出端分别与 数据采集和数字信号处理电路的模数转换器相连;测量前将线圈框架5转到与支架1的上 端面平行时,压簧铁杆13压住簧片9,同时,线圈框架5被起始转动弹簧扣12扣住。测量 时,板动弹簧扣12,线圈框架5脱离线圈起始转动弹簧制动器12,在簧片9的弹力作用下, 绕空心转轴14转动180°后,由线圈终止转动弹簧制动器3扣住。在此过程中,地磁感应线 圈绕组6切割地磁场的磁力线,产生感应电动势。
如图5所示,数据采集和数字信号处理电路由模数转换器和单片机或DSP构成,实现 数据采集和数字信号处理;可采用公知技术。
所述的支架1上设有启动线圈旋转弹力装置,启动线圈旋转弹力装置主要由簧片弹力 调节螺杆7、螺母8、簧片9、压簧铁杆13组成,簧片9位于支架1的空腔内,簧片9一端 与支架1固定连接(由螺丝),簧片9的另一端悬空,簧片9的上面设有簧片弹力调节螺杆 7,簧片弹力调节螺杆7旋入螺母8内,螺母8与支架1固定连接(旋入簧片弹力调节螺杆 7,可使簧片9的弯曲程度变大);压簧铁杆13固定在线圈框架5上,线圈框架5与支架1 的上端面(或地面)平行时,压簧铁杆13压住簧片9。启动线圈框架5旋转的力矩由支架 上的弹簧片9提供,力矩的大小由簧片的弯曲程度决定,由一可调节的螺杆7来调整初始 的弹簧弯曲程度。
所述的地磁感应线圈绕组6的线圈匝数为1000匝,线圈的直径为0.3mm铜线。由于地 磁场很弱,为了获得较大的感应电流信号,线圈采用多匝绕制方式,本发明线圈匝数为1000 匝。所述的支架1为正方体形
铝合金支架。
一.地磁场测量的基本原理:
1)闭合的地磁感应线圈绕组(金属线圈)在地磁场中转动时,切割地磁场的磁力线产 生感应电动势。用该实验仪测量地磁场水平或垂直分量时,先用指南针和水准仪对仪器的 方位和水平度进行调整,使所测磁场分量方向与线圈面垂直。在感应线圈大小的范围内地 磁场可看成是均匀的,当半径为r的绕有n匝线圈的地磁感应线圈旋转180°后,地磁场的 分量可由下式得到:
其中:Bp和Br分别是地磁场的水平分量和垂直分量,it是t时刻地磁感应圈中的感应电流, R为线圈的
电阻,Δt是采样的时间间隔。
2)地磁场大小及方向的计算:
依据以上测量结果计算地磁场的大小和方向,计算式如下:
地磁场大小为:
磁场与地面的夹
角为:
θ=arctan(Bv/Bp) (3)
式中B为地磁场大小,Bp为地磁场的水平分量,Bv为地磁场的垂直分量,θ为磁场与 地面的夹角。
3)地磁场测量仪的原理框图如图1所示,在测量过程中,微弱的感应电流由前置放大 器进行放大,并将电流信号转变成电压信号,再通过AD转换将模拟电压信号转换为数字信 号,然后由单片机或DSP进行数字信号处理和数据计算,得到地磁场的感应强度。数据采 集时间由两个槽形光电耦合器信号变化的间隔给出。
二.测量地磁场水平与竖直分量操作说明:
在测量地磁场水平和竖直分量时,仪器的放置方式有一定要求,具体操作步骤如下:
1.在测量地磁场的水平分量时,仪器水平放置,使空心转轴14(如图2所示,即线圈 绕组的转动轴)与南北方向平行(用罗盘进行校正),按照电路原理框图(如图1所示)连 接好线路。
2.测量前将线圈框架5转到与支架1的上端面平行时,压簧铁杆13压住簧片9,同时, 线圈框架5被起始转动弹簧扣12扣住。测量时,板动弹簧扣12,线圈框架5脱离线圈起始 转动弹簧制动器12,在簧片9的弹力作用下,绕空心转轴14转动180°后,由线圈终止转动 弹簧制动器3扣住。观察翻转速度,若速度过慢(大于1s),调整簧片弹力调节螺杆7加大 簧片弹力。
3.若弹力合适,重复步骤2,点击仪器控制面板上的复位键,此时仪器显示“ready to measure”,准备测量。按下线圈起始转动弹簧扣12,仪器开始测量,采集数据。数据采集 完毕,仪器自动计算,显示测量结果,此时测量结果为水平方向地磁场分量。
4.按任意键进入中间数据观察过程。按照屏幕显示提示进行操作,记下线圈绕组转动 时随时间变化的感应电动势。按照测量原理手工算出水平方向的磁场分量Bp。多次测量取 平均值。
5.将仪器垂直放置,空心转轴14垂直于地面,支架1的方框面与南北方向垂直。重 复步骤1,2,3,4。测出垂直地磁场分量Bv。多次测量取平均值。
程序设计:
(1)程序初始化;
(2)扫描
键盘;
(3)判断测量键是否按下,若按下,开始数据测量;
(4)等待光槽信号指示线圈开始转动;
(5)AD开始转换数据;
(6)光槽信号指示线圈转动停止;
(7)
数据处理、存储数据,显示结果;
(8)提示是否进行与计算机通讯,传送数据,选择“是”,开始传送数据;选择“否”, 返回进行键盘扫描。