多维磁场实时扫描再现教学系统的设计与实现_白洪亮.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-09-15基金项目:教育部产学合作协同育人项目(201901087002，201802327028);中央高校教育教学改革专项资金资助项目(ZL2019067);辽宁省大学生创新创业训练计划(2018101411100010928)文章编号:1007-2934(2023)01-0107-07多维磁场实时扫描再现教学系统的设计与实现白洪亮1，2，刘仕洁3，范博文2，张若晗2，李世济2，李雪春1，2(1大连理工大学 基础物理国家级实验教学示范中心，辽宁 大连116024;2大连理工大学 物理学院，辽宁 大连116024;3大连理工大学 经济管理学院，辽宁 大连116024)摘要:利用 LabVIEW 语言将磁场采集装置和运动控制平台结合到一起，开发了一套可以对各类磁场进行自动扫描和实时再现的系统。该系统包括三维运动平台、多通道高斯计和上位机软件等。采集到的数据被实时存储到文件中，并以曲线图、二维强度图、三维矢量箭头图等多种形式在控制界面予以实时呈现，帮助使用者及时了解磁场信息。最后，利用该系统对用于磁悬浮实验的圆柱型磁铁阵列的外磁场分布进行了实际测量，清晰地展现了磁铁阵列的外磁场分布特征，证明了本系统的可行性和可靠性。关键词:多维磁场;自动扫描;LabVIEW中图分类号:TP 3917文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301023大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn磁场是最常见的物理场之一，在科学研究、工业生产和生活中都有着广泛的应用1-8。物理实验教学中所用的设备大多只能研究一个磁感应强度分量和特定区域的分布情况，无法探测三维空间下磁感应强度矢量的分布特征。科研活动中常常采用全局磁场仿真与取点实测验证相结合的方式9-13 来获得空间磁场的分布信息，但专业性比较强，并不适合普通用户和本科教学需要。为了弥补这方面教学资源的不足，在三维高斯计的基础上开发了一套具有完全自主知识产权、低成本、可扩展的多维磁场实时扫描再现系统，能够同时用于物理实验教学、演示，并能满足一定的科研需求。1系统组成多维磁场自动扫描与实时再现系统是在自行设计开发的三维运动平台基础上，集成了运动执行、磁场数据采集、数据可视化等模块，依靠上位机软件对各模块的有序控制，使可以同时采集 3个方向磁感应强度分量的高精度霍尔探头在需要的空间范围内进行逐点扫描，收集各点的磁场和坐标信息。扫描过程中，数据可视化模块即时将收集的上述信息以合适的形式进行再现，测试人员可以第一时间获悉测量结果。图 1多维磁场自动扫描系统主要组成部分11运动执行模块运动执行模块的硬件部分主要包括 3 个轴向的运动导轨(图 1(a)，步进电机和驱动器，用来对驱动器发送执行信号的运动控制卡以及用来给驱动器供电的直流电源等部分，软件部分则是由驱动程序和上位机软件组成。运动导轨采用同步带直线导轨，标称重复定位精度 01 mm。各导轨所配的步进电机都是 57 型，其中用于 Z 轴的步进电机还带有辅助刹车功能，防止竖直方向因重力作用产生过冲破坏定位精度。步进电机驱动器采用 DM542 型，具有低噪音、低振动等优点。运动控制卡是运动过程具体执行时的核心，作为下位机负责将从上位机(PC)收到的命令解释成相应时序信号提供给运动执行机构(驱动器)。本系统采用北京阿尔泰科技有限公司生产的 USB1020四轴运动控制卡(图 1(b)作为下位机，与上位机之间的通讯采用 USB 接口，安装好驱动后支持即插即用。该卡可以同时控制 4 个轴向的运动执行过程，并配置了强大的驱动函数库，有效减小了多轴运动系统中控制电路的体积和进行编程控制的难度。12磁场数据采集模块本系统用来采集磁场信号的模块用的是北京翠海磁电科技有限公司生产的 CH-3600 高精度三维高斯计，选用的探头型号为 3AHD802F。该模块可以同时采集 X、Y、Z 三个轴向的磁感应强度分量以及环境温度，量程最高可到 10 T，静磁场和交变磁场的最高分辨能力分别为 0000 01 mT和 0001 mT。CH-3600 预置了 S-232C 标准串行接口，用来与上位机(PC)进行通讯。通讯时，由上位机向高斯计发出请求命令，高斯计就会将采集到的数据以字符串的形式发送给上位机。本模块也可以选用其他型号的高斯计，配置好通讯协议就可以。除此之外，为了将低成本，还尝试将智能手机磁传感器作为磁场信息采集模块引入系统中，也取得了成功，相关工作将会另行报道。13上位机软件上位机软件基于美国国家仪器(NI)公司的LabVIEW 语言进行开发，开发环境为 32 位版本LabVIEW2014。LabVIEW 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，程序源代码以程序框图的形式表示，执行时按信号流过图标的顺序来对数据流进行处理或者接受数据流的控制。本 系 统 的 上 位 机 控 制 软 件 由 主 程 序(LabVIEW 中被称为主 VI)和若干子程序(子 VI)组成，每个 VI 可以实现一定功能，也可以被其他的 VI 调用。图 2上位机软件前面板工作界面图 2 展示了上位机控制程序的前面板工作界面。工作界面采用了树形+选项卡的形式，运行程序时点击树形菜单不同的项目就可以将选项卡切换到不同的页面。当前版本的上位机程序包括通用参数设定、三维方向磁场扫描、一维方向磁场扫描和快速移动探头等主项目，某些主项目以下还设有子项目。图 3 是本系统的工作流程，所有环节都是在上位机软件的控制下完成。系统的工作模式分为“移动探头”和“扫描磁场”两个基本模式。“移动801大学物理实验2023 年探头”模式可以将高斯计探头快速地转移到需要的位置，也可以用来预判待测磁体的几何尺寸。“扫描磁场”模式包括一维扫描和三维扫描两种模式，用来满足不同维度空间的扫描需要。图 3系统工作流程图 4 是读取高斯计数据的子 VI 程序框图部分代码。该子 VI 中包括串口通讯基本参数设置、发送读取命令、读取串口缓存数据、截取串口数据字符串等流程。每次要获取磁场数据时，子 VI 利用 VISA 写入函数向高斯计发送数据请求字符命令“DATA?”，高斯计会将包含 X、Y、Z 三个方向磁感应强度分量和当前环境温度值的 66 个字符以字符串的形式发送到上位机的串口缓存。发送过程中可能会有部分字符丢失，也可能在上位机端出现发送未结束而去读取的情况，导致后面字符串截取出错，产生错误的测量数据。为了解决这个问题，程序中增加了上位机串口缓存区字符串长度比较步骤，只有缓存去内的字符串长度大于 66 时才会将其中的数据读出来，否则上位机将会重新发送数据请求命令，直到字符串长度达到要求，才会将其发送给主程序。实践证明，这个办法完美解决了数据读取错误的问题。图 4高斯计数据读取功能部分程序框图图 5 给出了上位机软件主程序中用于控制三维运动平台执行的部分程序框图。具体流程如下:每次主程序启动时，首先调用 CreateDevice 函数对运动控制卡进行识别和初始化。然后按照要执行的动作，设定并调用 InitlLVDV 函数。InitlLVDV 函数的参数来自于经过处理后的用户输入值或者系901第 1 期白洪亮，等:多维磁场实时扫描再现教学系统的设计与实现统默认值。然后运行 StartLVDV 函数，运动卡就会立即将解释好的命令信号发送给步进电机驱动器，驱动器再将编排好的时序脉冲发送给步进电机进行执行。USB1020 中各轴的 InitlLVDV 函数和StartLVDV 函数都是独立的，可以按照需求灵活设定各轴的执行动作。由于步进电机具有执行误差无累积的优点，因而利用其进行定位时可以采用开环控制，不需要加入反馈模块。图 5运动执行功能部分程序框图测量过程中，数据的实时可视化可以让用户第一时间了解测量结果，可以帮助其及时调整实验方案，节约测试成本。图 6 展示的是测量结果实时可视化功能模块所用的部分程序框图。为了更好实现可视化效果，针对不同的测量要求在其中分别引入了表格、波形图表、XY 图、二维强度图和三维箭头图等多种类型的控件。波形图表用于显示数据随时间的变化，XY 图用来显示两个变量间的相互关系，二维强度图可以显示平面内磁感应强度分布情况，三维箭头图则可以显示磁感应强度矢量在三维空间上的分布。图 6数据可视化功能部分程序框图011大学物理实验2023 年2功能验证与应用为了检验本系统是否达到设计要求，展示应用效果，选择了一些分布规律较为明确的磁场作为测试对象，分别进行了一维、二维和三维方向的扫描测试，并与已知结果进行了比较，证明了这套系统的可用性和功能性。21圆柱形磁铁阵列外磁场扫描结果首先，用 20 个直径 150 mm 的圆柱型磁铁组成如图 7(a)所示得磁铁阵列，并对其上方的外磁场分布进行了一维和二维扫描，见图 7(b)。该类型磁铁阵列常用于磁悬浮实验中。图 7(b)中，高斯计探头中的磁传感器部分处于被夹持竖直细杆的最低端。(a)圆柱型磁铁二维阵列(b)工作中的高斯计探头与磁铁阵列图 7圆柱形磁铁阵列图 8 展示的是对圆柱型磁铁阵列外磁场进行扫描的结果。是对前述磁铁阵列在 XY 平面(与圆柱型磁铁的圆截面平行)内进行扫场后得到的结果。图 8(a)中给出的是一维直线方向内磁感应强度各分量随时间和位置的变化曲线，蓝红绿三条曲线分别代表 Bx、By和 Bz，其方向同图 7(b)中坐标轴所示方向。图 8(b)展示的是磁铁阵列上方平行于阵列的某一二维平面磁场内 Bz分量的分布情况，采用的是二维强度图控件，其大小和方向向用不同的颜色区分(见右侧标尺)。图中的红色区域和黄色区域分别代表着负向和正向的Bz分量。图 8(a)和图 8(b)中，沿 X 和 Y 方向(图中已标示)Bz极值都以 150 mm2 的周期变化，正好等于磁体直径的 2 倍，这与熟知的磁铁分布规律是一致的。而且图 8(b)中的二维平面强度图由上千个数据点构成，呈现出来的图像并没有看到明显的错位，说明该系统在 X、Y 两个方向的重复定位精度都非常理想。(a)一维方向磁场分布111第 1 期白洪亮，等:多维磁场实时扫描再现教学系统的设计与实现(b)二维平面磁场分布图 8圆柱型磁铁阵列外磁场扫描结果22三维方向磁感应强度矢量分布测量为了检验本系统在空间磁场分布测量分布方面的能力，又用其对单个圆柱型磁铁的外磁场分布进行了测量。由于缺少较大的圆柱型磁铁，用4 个薄圆柱型小磁铁吸合而成。扫描范围为磁铁正上方(图 9(a)中磁铁上方)20 mm20 mm10 mm以内，扫描工作面为 XY 平面。图 9(b)展示了由各分量合成得到的磁感应强度矢量在空间上指向特征，所用图形控件是 3D 箭头图。为了便于观察，查看方向为略偏离 Z 轴方向，测试过程中和结束后可以根据需要拖动、旋转。正对观察者的网格代表 XY 平面，红色箭头代表磁感应强度矢量方向，箭头的长度全都一样。可以清楚地看到箭头尾部呈三维点阵分布，这取决于测量时的选点方式。箭头指向分布则体现出越靠近圆柱型磁铁轴线箭头越偏向 Z 轴方向，越远离轴线箭头越偏向 XY 平面。这与圆柱型磁铁的外磁场分布变化情况是一致的。图 9圆柱型磁铁磁场空间分布测量图 8 和图 9 的结果清楚地证明，在人主观分辨能力范围内，研发的这套系统展具有良好的表现，磁场数据和定位数据都没有发现明显的误差，说明开环方案也是可行的，为下一步开发更低成本的多维磁场扫描系统提供了坚实的技术基础。3结语利用 LabVIEW 语言将磁场采集装置和运动控制平台结合到一起，开发了一套成本较低、可以211大学物理实验2023 年对各类磁场进行自动扫描和实时再现的系统。经过实际测量，这套系统的可行性和可靠性都得到了验证，可以直接作为教学工具和演示装置应用于教学之中，弥补了国内相关教学装置的空白。参考文献:1 袁清泉，郭俊旺，丛建波，等在体 EP 专用磁场装置性