本實用新型涉及一種磁偶極子陣列的磁場產生裝置，屬于信號生成及磁場領域。

背景技術：

在磁場測量領域，如果能夠對磁源的磁場特性進行模擬，則能夠對測量系統的功能及性能進行很好的驗證和評價。磁場模擬器就是解決這類問題的設備。磁偶極子是磁場建模與理論分析中最常用到的基本模型，其基本概念為滿足測量點距該電流環中心的距離遠大于電流環的半徑的圓電流環。磁偶極子在磁場物理現象的解釋與理論分析方面具有獨特的優勢，主要體現在磁偶極子的圓電流環與分子電流學說一致及物理意義清晰且直觀。磁偶極子在磁場信號處理及建模中具備多種優點，如磁場物理解釋清晰，便于理解和分析等，因此在磁信號處理經常使用。相對于一般的亥姆霍茲線圈，基于磁偶極子的磁場產生裝置具有更為接近磁源特性的優點，可應用驗證與檢測磁場探測系統的優點。

本實用新型由此出發，提出了由處理器、控制單元、驅動單元和磁偶極子陣列4個部分的一種任意磁場產生裝置。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種磁場產生裝置，其特征在于包括：

處理器，

控制單元，

驅動單元，其接收并放大控制單元輸出的模擬電壓信號，

驅動磁偶極子陣列，其受到驅動單元輸出的信號的驅動，以電流的形式產生磁場，

其中：

處理器包括：

計算磁偶極子陣列中各個磁偶極子的電流強度值的磁場計算單元，它與文件存儲單元連接；

將所述電流強度值存儲為文件形式的文件存儲單元；

讀取文件存儲單元存儲的文件的文件讀取單元；

USB通信單元，它與文件讀取單元連接以接收所述電流強度值，并把所述電流強度值傳遞到控制單元。

附圖說明

圖1是本實用新型的裝置示意圖。

圖2是本實用新型的共平面四磁偶極子的磁場疊加示意圖。

圖3是本實用新型的控制單元硬件框圖。

圖4是本實用新型的處理器的功能框圖

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合具體實施例對本實用新型的磁場產生裝置進行詳細描述。

如圖1－4所示，本實用新型提供了一種任意磁場產生裝置，其包括：處理器100、控制單元101、驅動單元102和磁偶極子陣列103；其中，處理器的相應單元用于保存磁偶極子的磁場強度，并完成計算功能，且該處理器通過USB接口將數據傳送給控制單元；控制單元通過USB接口獲取磁場強度信息，并通過其所包含的硬件電路產生磁偶極子所需要的電壓；驅動單元接收控制單元的電壓，并實現功率放大與線圈匹配，以驅動磁偶極子陣列；磁偶極子用于產生對應的磁場，并在空間上面疊加所需要的磁場強度。

在一個實施例中，上述處理器可以用轉載有相應程序軟件的PC機實現。

處理器包括磁場計算單元、USB通信單元及文件存儲單元。其中，磁場計算單元進行磁場強度的計算，在磁偶極子陣列中建立合適的坐標系，利用磁偶極子陣列的空間磁場分布的規律和磁場矢量的數學表達式求解出驅動磁偶極子所需的電流大小。具體解算過程中，可利用磁偶極子的經典矢量數學表達式，如公式(1)所示。

公式(1)中的符號說明如下：為磁偶極子的矢量磁感應強度，為矢量磁力矩和矢量距離的函數；為矢量磁矩，在不同的坐標系下可進行展開；為測量點到磁偶極子中心的矢量距離,而r為的模；μ為介質的磁導率，真空中和空氣的磁導率,大小為4π×10^-7H/m。

處理器的USB通信單元用于把計算出的電流值傳遞到控制單元，一般應選擇USB2.0以滿足實時性傳輸要求。文件存儲單元實現磁場的波形數據載入及磁場電流的寫入等功能，也可將磁場電流存儲成文件，USB通信時直接讀取該文件，以提高通信速率。

控制單元101包括處于中間位置的微處理器301，其前端為處理器100，后端為驅動單元102。控制單元101通過微控制器301來實現與處理器100的USB通信，采用多路DAC(數字－模擬轉換器)以實現數字表示的電流與輸出電壓的轉換，并采用必要的人機交互顯示。

驅動單元102接收控制單元101的電壓信號，將電壓信號轉換為電流信號，并實現功率放大與線圈匹配，以驅動磁偶極子陣列103。

磁偶極子陣列103根據自身的電流大小，產生對應的空間磁場，并在空間某點上面疊加所需要的磁場強度。磁偶極子的具體布局方式可采用平面式或者其他方式，需考慮解算方法、工藝實現的復雜度及磁場間的相互屏蔽等因素。

圖1為本實用新型的磁場產生裝置的結構示意圖，其具體電氣接口的形式可依據使用環境及要求而不同。100為處理器，具體可以用PC機及該PC機上運行的程序軟件實現，其相關單元在之前已做了說明。101為控制單元，一方面與處理器100進行通信，完成磁場產生數據從處理器100到控制單元101的傳遞；另一方面將數字化數據轉換為模擬輸出的電壓，并傳送給驅動單元102。驅動單元102對控制單元101的輸出信號進行功率放大，以更好地驅動磁偶極子陣列103產生磁場。磁偶極子陣列103為多個磁偶極子的組合，以疊加的方式在空間產生磁場。磁場數據依次經過處理器100、控制單元101、驅動單元102，最終在磁偶極子陣列103以電流的形式產生磁場，并在空間某點疊加出所需要的磁場值。

圖2為一種共平面四磁偶極子的磁場疊加示意圖。其中，I1－I4為四個公共平面的磁偶極子。根據坐標系的建立方式，可認為磁偶極子的中心Z軸為0。由于磁場分布為空間矢量形式，所以在空間某點將會形成多個矢量磁場。I1－I4對應的磁場分別為B1－B4，具體強度與方向與空間點距離磁偶極子的距離和磁偶極子的自身強度及方向有關系，可參考公示(1)。四個矢量磁場進行矢量疊加，形成總矢量磁場B_T。

圖3為根據本發明的一種控制單元的硬件框圖。其中，300為通信接口，用于實現與處理器100的對接。接口300具體可以選擇USB2.0或者其他滿足傳輸性能要求的接口。301為微處理器，用于實現數據傳輸和DAC接口(302)的控制，在控制單元中處于核心地位。微處理器301可選用單片機、ARM(先進精簡指令集機器)和DSP(數字信號處理器)芯片中的一種，并滿足實時性要求。302為DAC(數字模擬轉換器)接口，用于將微處理器控制下的數字信號轉換為模擬電壓信號，以便于與驅動單元102對接。303為電源電路，分別為通信接口300、微處理器301和DAC 302提供電源。總之，處理器100的輸出信號經過通信接口300、微處理器301和DAC 302后，被傳送到驅動單元102。

圖4為本實用新型的處理器100的配置框圖。如圖4所示，處理器100包括：

計算磁場強度的磁場計算單元400,它計算磁偶極子陣列中各個磁偶極子的電流強度值，并與文件存儲單元401連接；

文件存儲單元401，它將各電流強度值存儲為文件形式，以供文件讀取單元402讀取；

文件讀取單元402讀取文件存儲單元401存儲的文件，并傳送給USB通信單元403；

USB通信單元403，它與文件讀取單元402連接以接收磁場計算單元400計算出的電流值，并把該電流值傳遞到控制單元(101)。

本實用新型的優點和有益效果包括

本實用新型具有如下的優點：

(1)降低對驅動電流的影響。由于采用多個磁偶極子，所以單個磁偶極子的電流可以降低，降低了對驅動單元和線圈的過流要求，并可降低供電系統的要求。

(2)磁場產生方式的靈活性，體現可采用磁偶極子分時工作和協同工作的方法，以產生任意所需的磁場信號。

本實用新型特別適合模擬生物磁場，如心臟等弱磁場變換，用于檢測后繼磁場探測儀器的性能與指標。如進一步發展，可構建磁場測試的自動化測試與分析系統。