三坐标磁场自动检测及控制装置的实验研究

袁 博，吴晓光，张 弛



三坐标磁场自动检测及控制装置的实验研究

袁 博，吴晓光*，张 弛

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430073）

针对磁力驱动提花针织机研究，设计了一种三坐标磁感应强度检测装置。介绍了磁场检测系统的硬件结构和软件设计方案，该系统以运动控制卡为核心，结合高斯计作为数据采集装置，将采集到的数据发送到上位机，并通过上位机对数据进行分析、处理并保存。通过Matlab仿真结果与实测数据相比较，验证了三坐标磁场检测装置能够精确检测各项数据，实现了磁感应强度检测的一种方法。

高斯计；磁场检测；提花针织机

传统的磁感应强度测量仪器为手持式高斯计，这种手持方式虽然简易，但是在实际应用中发现手持式测量的位置点不够精确，导致测量数据不准确，而且只进行个别位置点的磁场测量已不能满足研究人员的要求。本文设计的三坐标磁场检测装置中的高斯计由于是机械夹持，位置精度较高，测量数据准确、可靠，并且可沿预先设计的轨迹进行测量。检测装置中的三坐标平台可以保证高斯计测量速度高、效率高，且在多次测量时，测试结果一致性好。

1 高斯计检测对象

1.1 磁感应强度测量点

在建立磁力驱动提花织针悬浮控制模型[1]的过程中，为确定理论模型的正确性，需要将理论模型数据和实验所测数据相对比。由于高斯计探头呈扁长型，为方便实际测量，故选取通电线圈端面，如图1(a)，及其轴心位置，如图1(b)，作为对比点[2]，测量点的位置如图1所示。

本文测量使用的通电线圈规格为：内径8mm，外径10mm，高度20mm，选取磁感应强度测量间距为0.5mm，测量方式为从左到右、从上到下依次测量。

图1(a) 端面测量点

图1(b) 轴心测量点

空间磁场磁感应强度可简化为三个方向的磁感应强度，即X、Y、Z轴磁感应强度，如图2所示。图2中XYZ为空间坐标系，其定义与高斯计探头定义一致。B代表空间磁场的向量，其中磁场B主要包括三个参数:俯仰角Fai，水平偏置角Theta以及B的标量值B。如图2所示Fai代表B与水平面X-Y的夹角，Theta表示B在水平面的投影与X轴正方向的夹角。

图2 空间磁场示意图

磁感应强度关系如下：

式中：B是测量点的总磁感应强度，X是测量点X轴方向的磁感应强度，Y是测量点Y轴方向的磁感应强度，Z是测量点Z轴方向的磁感应强度。

根据测量点位置与测量方式的要求，本文选取北京翠海科技（CH-HALL）公司生产的高分辨率、高精度、高频率的CH-3600型三通道高斯计。

2 三坐标磁场检测装置的设计

2.1 结构设计

三坐标磁场检测装置的主要结构包括两坐标平台、Z轴滑台，如图3(a)、(b)所示。两坐标平台中的X轴底座固定在Y轴滑台上，移动平台固定在X轴滑台上，被测物体通电线圈放置在平台上。

高斯计在测量通电线圈磁场任意一点磁感应强度的过程中，需要高斯计探头能够精确移动到该点位置，基于此需要，本文设计的三坐标磁场检测装置应能使高斯计探头向空间三轴方向移动。在实际测量过程中，为实现上述功能，该装置并不是直接通过控制高斯计向X、Y轴移动来到达所测位置点，而是通过控制平台向X、Y轴移动，从而实现高斯计相对于平台的X、Y轴方向的移动。在实际测量中，通过步进电机控制Y轴丝杠的转动带动X轴与移动平台整体沿着Y轴方向移动，从而实现平台向Y轴方向的移动；通过步进电机控制X轴丝杠的转动带动平台向X轴方向移动，从而实现了平台向X轴方向的移动。

高斯计沿Z轴移动由Z轴直线滑台完成，该装置将高斯计固定在Z轴丝杠滑台上，Z轴滑台固定在Y轴滑台的电机上方，通过控制Z轴步进电机带动丝杠转动，从而实现高斯计探头向Z轴方向移动。在Z轴滑台上设计了一种如图3所示的支撑装置，将高斯计探头放置于套筒中，套筒固定在L型板上，通过利用Z轴滑台导柱、滑台、直线轴承将L型板固定在丝杠上，实现了高斯计随着丝杠转动而沿Z轴移动的功能。

图3（a） 检测装置三维图

图3（b） 检测装置实物图

2.2 控制系统

系统主要由数据采集电路和三坐标移动平台组成。数据采集电路以单片机和运动控制卡为核心，结合3个霍尔传感器和信号放大电路，将采集的数据经处理后通过串口传送到上位机作进一步的处理，上位机软件采用LabVIEW图形化语言编写。三坐标移动平台由电机驱动电路和步进电机组成，完成对被测物体的测量。三个移动轴的运动精度为±0.05mm，XY方向运动范围≤15cm，z方向运动范围≤20cm。

根据三坐标磁场检测装置的结构，本文要实现高斯计探头沿X、Y、Z轴移动，需要通过单片机控制三轴的步进电机的脉冲、转向、速度[3]。为实现上述功能，本文设计的三坐标磁场检测装置控制系统的模块图如图4所示，该控制系统的模块主要包括主控模块、人机界面模块、串口通信模块、电机驱动模块、信号输入模块。

图4 控制系统模块图

三坐标磁场检测装置控制系统的控制流程图如图5所示。控制过程如下：一开始在上位机软件中输入高斯计所需测量位置点的坐标，上位机将位置信号发送给运动控制卡，运动控制卡接收并处理信号，然后将处理过的信号发送到步进电机驱动器中，由驱动器控制步进电机的脉冲、转向、转速，通过步进电机的转动带动平台移动，从而使高斯计探头到达相对于平台的指定位置，到达测量位置点后，高斯计测量该位置点的磁感应强度，并将测量的数据通过串口发送给上位机，上位机接收并存储数据。三坐标磁场检测装置控制系统的控制流程图如图5所示。

图5 控制系统流程图

3 实验研究

3.1 磁悬浮驱动数学模型建立

在分析单个通电线圈时，如图6，在平面xoy内有一通电线圈，空间内任意一点P处的磁感应强度可以通过毕奥-萨伐尔定律公式[4]推得通电线圈磁感应强度公式如下：

式中：μ0为真空磁导率，I为电流，线圈半径a为矢量，z为轴向距离。

图6 空间一点磁感应强度

3.2 测量实验搭建

在实际测量过程中，为验证数学模型的正确性，本文选用单层电磁线圈作为实验对象，电磁线圈参数设定为：电压5V，电流0.3A，线圈长度为20mm，线圈内径8mm，外径10mm。通过在三坐标磁场检测装置中设定运动轨迹，使高斯计在电磁线圈轴心处从下往上进行测量，选择测量间距为0.5mm，测量长度为40mm。

实验数据由三坐标磁场检测装置测量得出，如图7所示，其中Z是测量点距离线圈下端面的距离，B是测量点的磁感应强度。

3.3 实验结果

本文中理论数据与实验数据对比对象为单层电磁线圈轴线磁感应强度值，其中理论数据由软件Matlab仿真得出，实验数据由三坐标磁场检测装置测量得出。如图8所示，其中曲线1是仿真计算得到的单层电磁线圈轴线磁感应强度值，曲线2是实测的单层电磁线圈轴线磁感应强度值，将两组数据记录并绘制出该图，从图中可以看出，曲线1与曲线2的轨迹基本重合，这说明计算值与实测值基本相等，证明磁悬浮驱动数学模型的正确性，也验证了本文设计的三坐标磁场检测装置测量精度较高，能够很好的完成空间磁感应强度测量任务。

图7 测量磁感应强度数据散点图

图8 实验数据与理论数据对比图

4 结论

本文设计的三坐标磁感应强度检测装置结构符合要求，具备测量空间磁感应强度的能力，实验结果表明装置测量精度较高，能够很好地完成对不同规格的通电线圈的磁感应强度的测量，为利用高斯计测量空间磁感应强度提供了一种可靠的方法。

[1] 高艳艳，吴赟松，吴学杰，等．基于单片机与FPGA的多通道步进电机控制系统设计[J]．变流技术与电力牵引，2012，(5)：43-46．

[2] 张建永，饶连周，柳东，等．新型便携式多功能数字高斯计的设计[J]．三明高等专科学校学报，2014，(6)：50-55．

[3] 朱文斌，吴晓光，张弛，等．悬浮式提花织针驱动模型的建立及结构的研究[J]．针织工业，2011，(6)：1-4．

[4] 陈秉乾．电磁学[M]．北京：北京大学出版社，2012．

Research on Structure Design and Control System of Coordinate Magnetic Field Detection

YUAN Bo, WU Xiao-guang, ZHANG Chi

(College of Electromechanical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China）

In this paper, we design a kind of three coordinate magnetic induction strength testing device for the study of the magnetic drive jacquard knitting machine. The magnetic detection system hardware structure and software design are introduced, the system according to the motion control card as the core, combined with Gauss meter as a data acquisition device, the collected data is sent to the host computer and through the host computer of the data were analysis, processing and preservation. By comparing the simulation results with the measured data, the results show that the three coordinate magnetic field detection device can accurately detect all kinds of data, and a method of detecting the magnetic induction intensity is realized.

gauss meter; magnetic field testing; jacquard knitting machine

TM937.1

A

2095－414X(2016)06－0077－04

吴晓光（1954-），男，教授，研究方向：数字化纺织装备及关键技术.

国家自然科学基金（51175384）.