本发明公开了一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，涉及磁场的发生、控制，属于磁场装置技术领域。该装置包括平台支撑模块、垂直可旋转的传感器载物模块和水平可旋转的磁场发生模块。所述的水平平面为XY平面，所述的垂直平面为XZ平面；所述的平台支撑模块用于支撑水平可旋转的磁场发生模块以及垂直可旋转的传感器载物模块。本发明利用磁场发生装置以及传感器载物台在两个相互垂直平面内的二维旋转，同时改变线圈的电流来控制磁场的大小，在传感器周围实现均匀可控的三维磁场效果；且本发明三维磁场发生装置加工简单，操作方便，能用于三维磁场环境下的电磁实验。
1.一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，该三维磁场发生装置包括平台支撑模块、垂直可旋转的传感器载物模块和水平可旋转的磁场发生模块；
所述的平台支撑模块包括底盘（15）和承重支柱（11）；所述的底盘（15）上设有沉头螺纹孔，用于连接第一电机支架（13）、第二电机支架（10）和承重支柱（11），并将底盘（15）固定在光学平台上；
所述的垂直可旋转的传感器载物模块包括第一从动齿轮（2）、传感器载物台（3）、Z型传感器支架（4）、第一同步带（5）、第一主动齿轮（12）、第一电机支架（13）和第一电机（14）；所述的Z型传感器支架（4）下端固定在底盘（15）的中心处；所述的第一电机支架（13）固定在底盘（15）上表面；所述第一电机（14）固定在第一电机支架（13）上；第一电机（14）的输出轴连接第一主动齿轮（12），第一主动齿轮（12）通过第一同步带（5）与第一从动齿轮（2）连接；第一从动齿轮（2）通过轴与传感器载物台（3）连接，并固定在Z型传感器支架（4）上端；所述的传感器载物台（3）上设有凹槽，用于连接传感器；
所述的水平可旋转的磁场发生模块包括磁场发生装置（1）、刻度转盘（7）、第二主动齿轮（8）、第二电机（9）、第二电机支架（10）、第二从动齿轮（16）、轴承（17）和第二同步带（18）；
所述的刻度转盘（7）通过轴承（17）安装在承重支柱（11）顶端；刻度转盘（7）上表面设置梯形槽（6），用于固定磁场发生装置（1）；两磁场发生装置（1）为电磁线圈，对称分布在传感器载物台（3）的两侧，并固定在梯形槽（6）中；所述的第二电机支架（10）固定在底盘（15）上表面，所述第二电机（9）固定在第二电机支架（10）上；第二电机（9）的输出轴连接第二主动齿轮（8），第二主动齿轮（8）通过第二同步带（18）与第二从动齿轮（16）连接，第二从动齿轮（16）固定在刻度转盘（7）的下表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，所述的第一主动齿轮（12）与第一从动齿轮（2）的齿数比为1:2；第二主动齿轮（8）与第二从动齿轮（16）的齿数比为1:8。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在
于，所述的第一电机（14）和第二电机（9）分别连接控制器，通过控制器设置两个电机的旋转角度、速度、停止时间和动作数，实现连续磁场方向的变化。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在
于，所述的磁场发生装置（1）由直流电源或交流电源供电，从而实现直流磁场或交流磁场。
5.根据权利要求3所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，所述的磁场发生装置（1）由直流电源或交流电源供电，从而实现直流磁场或交流磁场。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，所述的磁场发生装置（1）的外壳为铝制材料，磁场发生装置（1）的其余部分采用非金属材料，从而降低对磁场分布的影响。
7.根据权利要求3所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，所述的磁场发生装置（1）的外壳为铝制材料，磁场发生装置（1）的其余部分采用非金属材料，从而降低对磁场分布的影响。
8.根据权利要求4所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，所述的磁场发生装置（1）的外壳为铝制材料，磁场发生装置（1）的其余部分采用非金属材料，从而降低对磁场分布的影响。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，第一电机支架（13）的底面和侧面设有长方形槽，用于调节第一主动齿轮（12）和第一从动齿轮（2）之间的距离；第二电机支架（10）上设有长方形槽，用于调节第二主动齿轮（8）和第二从动齿轮（16）之间的距离。
10.根据权利要求6所述的一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，其特征在于，第一电机支架（13）的底面和侧面设有长方形槽，用于调节第一主动齿轮（12）和第一从动齿轮（2）之间的距离；第二电机支架（10）上设有长方形槽，用于调节第二主动齿轮（8）和第二从动齿轮（16）之间的距离。
一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置
技术领域
[0001] 本发明属于磁场装置技术领域，具体涉及一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置。
背景技术
[0002] 磁场是目前世界上重要的能量形式，在磁场作用下物质呈现出各种各样的物理、化学现象，能作为人类探测世界的重要手段。同时科学技术的发展对磁场环境提出了新的要求，不仅要求磁场发生装置产生的磁场范围大、均匀度好，而且要求磁场发生装置能够产生二维乃至三维磁场的效果。目前矢量磁场环境对于地球科学领域、医学领域、生物学领域以及材料学领域有重大的意义，涉及数学、物理、化学、生物以及医学。因此为了得到传感器对矢量磁场的响应情况，需要制作矢量磁场发生装置。
[0003] 为了获得均匀度良好的磁场，目前常规的磁场发生装置大都以电流的磁效应为原理，中国专利(一种磁场发生装置，CN 207834046U)公开了一种利用电磁铁产生磁场的装置，但该磁场装置获得磁场的方向是特定的，无法满足某些多维磁场方向实验的需要。部分磁场装置通过施加旋转装置能够获得方向可变的磁场，中国专利(一种360°可旋转的电磁场装置，CN 204045315U)提出了一种用于磁学实验的360°电磁场装置，该装置通过电磁场连接轴带动磁场装置的转动，但只能实现磁场装置在水平面的旋转；中国专利(一种旋转磁场装置，CN106693817A)提出一种通过旋转系统控制电磁场旋转的装置，但只能实现垂直磁场方向的圆周旋转运动；中国专利(一种旋转磁场发生装置，CN106693817A)提出一种用于磁性载体分离技术的旋转磁场发生装置，该装置通过动力装置驱动磁场发生结构以一定速度进行旋转，但只能产生沿径向旋转的磁场效果，以上装置均不能实现三维磁场的效果。
[0004] 因此在此前提下，制作能够控制磁场大小和方向的三维磁场装置是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
[0005] 针对现有的技术缺陷，本发明提供了一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，能够在传感器周围获得均匀可控的三维磁场效果。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，包括平台支撑模块、垂直可旋转的传感器载物模块和水平可旋转的磁场发生模块。
[0008] 所述的平台支撑模块包括底盘15和承重支柱11。所述的底盘15上设有多个沉头螺纹孔，用于螺纹连接第一电机支架13、第二电机支架10以及将底盘15固定在光学平台上；所述的承重支柱11分别固定在底盘15的四周，承重支柱11顶端设有螺纹孔，用于连接轴承17的内环。
[0009] 所述的垂直可旋转的传感器载物模块包括第一从动齿轮2、传感器载物台3、Z型传感器支架4、第一同步带5、第一主动齿轮12、第一电机支架13和第一电机14。所述的Z型传感器支架4下端固定在底盘15的中心处；所述的第一电机支架13固定在底盘15上表面，所述第一电机14固定在第一电机支架13上；第一电机14的输出轴连接第一主动齿轮12，第一主动齿轮12通过第一同步带5与第一从动齿轮2连接；第一从动齿轮2通过轴与传感器载物台3连接，并固定在Z型传感器支架4上端；所述传感器载物台3上设有凹槽，用于固定传感器，并利用Z型传感器支架4的结构特点，保证传感器坐落在磁场的中心。
[0010] 所述的水平可旋转的磁场发生模块包括磁场发生装置1、刻度转盘7、第二主动齿轮8、第二电机9、第二电机支架10、第二从动齿轮16、轴承17和第二同步带18。所述的轴承17包括内环与外环，内环和外环上均设有螺纹孔，内环连接承重支柱11，外环连接刻度转盘7；所述刻度转盘7下表面加工有圆形凸台；刻度转盘7上表面设置梯形槽6，用于连接磁场发生装置1；两磁场发生装置1为电磁线圈，对称分布在传感器载物台3的两侧，并固定在梯形槽6中；所述的第二电机支架10固定在底盘15上表面，所述第二电机9固定在第二电机支架10上；第二电机9的输出轴连接第二主动齿轮8，第二主动齿轮8通过第二同步带18与第二从动齿轮16连接，第二从动齿轮16固定在刻度转盘7下表面的圆形凸台上。
[0011] 进一步地，所述的第一电机14和第二电机9分别与各自的控制器连接，通过控制器设置两个电机的旋转角度、速度、停止时间以及动作数，实现连续磁场的方向变化。
[0012] 进一步地，所述的第一主动齿轮12与第一从动齿轮2的齿数比为1:2，第二主动齿轮8与第二从动齿轮16的齿数比为1:8。
[0013] 进一步地，所述的磁场发生装置1通过选择直流电源或交流电源，实现直流磁场或交流磁场。
[0014] 进一步地，所述的磁场发生装置1的外壳为铝制材料，磁场发生装置1的其余部分采用非金属材料，从而降低对磁场分布的影响。
[0015] 进一步地，第一电机支架13的底面和侧面设有长方形槽，用于调节第一主动齿轮12和第一从动齿轮2之间的距离；第二电机支架10上设有长方形槽以及螺纹孔，用于调节第二主动齿轮8和第二从动齿轮16之间的距离。
[0016] 本发明的有益效果：本发明三维磁场发生装置通过水平可旋转的磁场发生模块的磁场发生装置以及垂直可旋转的传感器载物模块的传感器载物台在两个相互垂直平面内的二维旋转，同时改变线圈的电流来控制磁场的大小，能够在传感器周围获得三维磁场的效果，实现旋转的角度精度为1°，传感器载物台中心的最大磁场达到260Gs，且在磁场发生装置轴向1cm的范围内磁场强度的均匀度在1％以内。本发明三维磁场发生装置加工简单，操作方便，能用于三维磁场环境下的电磁实验。
附图说明
[0017] 图1是本发明基于二维旋转机控的三维磁场发生装置的示意图。
[0018] 图2是图1的主视图。
[0019] 图3是图1的左视图。
[0020] 图4是图1的俯视图。
[0021] 图5是垂直可旋转的传感器载物模块装置图。
[0022] 图6(a)为三维磁场发生装置工作时其X-Y平面空间磁场分布的仿真结果图。
[0023] 图6(b)为三维磁场发生装置工作时其X-Z平面空间磁场分布的仿真结果图。
[0024] 图6(c)为三维磁场发生装置工作时其Y-Z平面空间磁场分布的仿真结果图。
[0025] 图7是各个负载电流下的线圈轴向磁场的分布情况。
[0026] 图中：1.磁场发生装置；2.第一从动齿轮；3.传感器载物台；4.Z型传感器支架；5.第一同步带；6.梯形槽；7.刻度转盘；8.第二主动齿轮；9.第二电机；10.第二电机支架；11.承重支柱；12.第一主动齿轮；13.第一电机支架；14.第一电机；15.底盘；16.第二从动齿轮；17.轴承；18.第二同步带；19.第一电机控制器。
具体实施方式
[0027] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
[0028] 本发明提出了一种基于二维旋转机控的三维磁场发生装置，结构如图1、图2、图3和图4所示，该三维磁场发生装置包括水平可旋转的磁场发生模块、垂直可旋转的传感器载物模块以及平台支撑模块。
[0029] 平台支撑模块包括底盘15和承重支柱11。所述的底盘15上设有多个沉头螺纹孔，一部分沉头螺纹孔与第一电机支架13、第二电机支架10螺纹连接承托住第一电机14和第二电机9，另一部分沉头螺纹孔将底盘15固定在光学平台上。四根承重支柱11下端分别固定在底盘15四周，承重支柱11顶端设有螺纹孔，与轴承17的内环螺纹连接。
[0030] 垂直可旋转的传感器载物模块包括第一从动齿轮2、传感器载物台3、Z型传感器支架4、第一同步带5、第一主动齿轮12、第一电机支架13和第一电机14。所述的Z型传感器支架4与底盘15中心处的正方形槽紧密配合连接。所述的第第一电机支架13的底面和侧面各设有两个长方形槽，底面的两个长方形槽用于调整第一主动齿轮12和第一从动齿轮2之间的水平距离，同时将第一电机支架13固定在底盘15上；侧面的长方形槽用于调整第一主动齿轮12和第一从动齿轮2之间的垂直距离，同时将第一电机14固定在第一电机支架13上。第一主动齿轮12通过第一同步带5与第一从动齿轮2连接，第一主动齿轮12固定在第一电机14的输出轴上；第一从动齿轮2通过轴与传感器载物台3连接，并固定在Z型传感器支架4上。第一主动齿轮12与第一从动齿轮2的齿数比为1:2，通过调整两个齿轮间的距离保证齿轮精确的传动。所述的传感器载物台3上设有凹槽，位于磁场发生装置1的中心，其厚度为5mm，利用Z型传感器支架4结构的特点，保证传感器坐落在磁场的中心。
[0031] 水平可旋转的磁场发生模块包括磁场发生装置1、刻度转盘7、第二主动齿轮8、第二电机9、第二电机支架10、第二从动齿轮16、轴承17和第二同步带18。所述的轴承17包括内环与外环，内环和外环上均设有螺纹孔，内环连接承重支柱11，外环连接刻度转盘7；所述刻度转盘7上表面设置梯形槽6，用于连接磁场发生装置1；所述的磁场发生装置1为电磁线圈，总共有两个，由刻度转盘7上的梯形槽6固定，对称分布在传感器载物台3的两侧。第二主动齿轮8通过第二同步带18与第二从动齿轮16连接，第二主动齿轮8固定在第二电机9上，第二从动齿轮16固定在刻度转盘7下底面的圆形凸台，第二主动齿轮8与第二从动齿轮16的齿数比为1:8。第二电机支架10的四周设有螺纹孔，将第二电机9固定在第二电机支架10上，支架的两侧设有长方形槽，通过移动第二电机支架10能够调节第二主动齿轮8和第二从动齿轮16之间的距离，保证两个齿轮之间的精确传动比，同时将第二电机支架10固定在底盘15上。
[0032] 第一电机14以及第二电机9分别与各自的控制器连接，通过控制器设置两电机的旋转速度、角度、停止时间以及动作数，实现连续磁场方向的变化。
[0033] 磁场发生装置1的外壳为铝制材料，磁场发生装置1的其余部分均采用非金属材料制成，降低对磁场分布的影响。
[0034] 磁场发生装置1的电源为直流电流，当通电电流为9A时，磁场中心区域的强度达260Gs。同时磁场发生装置1亦可使用交流电源，获得交流磁场。
[0035] 本发明提供了一种基于二维旋转机控的三维磁场装置的电机控制器，如图5所示，以垂直可旋转的传感器载物模块为例。第一电机控制器19上设有旋转角度、速度、停止时间以及动作数的按钮，速度调节的范围为1r/min-2000r/min，角度的调节范围为1-360°，停止时间为1-15min，动作数为设置的动作的个数，停止时间为两个旋转动作之间的时间间隔，控制器的角度精度为1°。第一电机控制器19能够实现第一电机角度、速度以及时间的控制，同时也可以设置多个旋转动作，以控制传感载物台3的垂直旋转角度。水平可旋转的磁场发生模块的控制器与上述相同，第二电机控制器控制磁场发生装置1的水平旋转角度。利用第一电机控制器19与第二电机控制器分别控制传感器载物台3以及磁场发生装置1的垂直旋转角度以及水平旋转角度，能在传感器周围产生三维磁场的效果。
[0036] 本发明三维磁场发生装置使用时，首先将传感器固定于传感器载物台3的凹槽上，利用第二电机支架10调节第二主动齿轮8与第二从动齿轮16之间的距离，使第二同步带18绷紧，利用第一电机支架13调节第一主动齿轮12与第一从动齿轮2之间的距离，使第一同步带5绷紧。设定第一电机14旋转的角度、速度、停止时间以及动作数，按开始键，第一电机14驱动第一主动齿轮12通过第一同步带5使第一从动齿轮2旋转，第一从动齿轮2通过轴与传感器载物台3连接，因此传感器载物台3将按照规定的旋转角度、速度、停止时间以及动作数旋转。设定第二电机9的角度、速度、停止时间以及动作数，按开始键，第二电机9驱动第二主动齿轮8通过第二同步带18使第二从动齿轮16旋转，第二从动齿轮16固定在承载磁场发生装置1的刻度转盘7上，因此磁场发生装置1按照规定的旋转角度、速度、停止时间以及动作数进行旋转。当齿轮旋转完成时，即可在传感器周围达到三维磁场的效果。
[0037] 根据三维磁场发生装置的结构设计，通过理论分析得到，通电线圈采用9A的直流电源时，得到如图6(a)、图6(b)、图6(c)的磁场分布图，磁场的空间均匀度良好。
[0038] 采用高斯计对磁场发生装置进行实际性能测试，测得各个负载电流下的线圈轴向磁场的分布情况，如图7所示，当通电线圈采用9A的直流电源时，磁场中心区域的强度达260Gs，且在磁场发生装置轴向1cm的范围内磁场强度的均匀度在1％以内。
