基于虚拟仪器的脉冲磁场试验测量系统

实验项目名称基于虚拟仪器的脉冲磁场实验测量系统实验学时4学时
指导教师赵志龙
实验地点航空楼D118
实验对象本科3、4年级学生
可选人数30人左右
实验教学大纲
实验须知
1.实验前必须仔细阅读实验指导书，待了解仪器及相关设备的操作方法后，方能进行调整。

2.严格遵守实验室的有关规定。

在注意安全的前提下，试验前仔细检查设备的情况，在确保正常的情况下开始设备的使用。

不许擅自拆卸仪器和软件相关界面。

试验结束要及时地清理试验场地，小型仪器设备、工具要及时地锁在工具柜中，检查水电无误后，方可离开实验室，并关好门窗，并请指导老师指导后方可离开。

3.实验室内仪器都很贵重，凡与本次实验无关的仪器，一律不得动手。

4.室内严禁大声喧哗和打闹。

保持室内清洁，不准随地吐痰和吸烟。

5.按规定时间进行实验，不缺课、不迟到，除因特殊情况并经实验室负责人同意外，一律不补做实验。

无故不做实验者，不能获得本门课程学分。

6.凡不遵守实验规则者，指导人员有权停止其实验；使国家财产造成损失者应负赔偿责任。

7.测量的数据和实验报告应按格式填好，实验结束后，按规定时间上交实验报告。

实验教学
1．讲解脉冲磁场产生、电磁感应原理、虚拟仪器概念及测试系统构成，使学生熟悉实验原理及设备的正确使用方法。

2．指导学生按实验指导书做脉冲磁场测试实验并填写实验报告。

（1）测量不同电源电压激发的磁感强度曲线（磁场实验区中心位置）
在下图中，画出不同电源电压（200v，400v，600v，800v）激发的磁感强度B-T(时间)（磁场实验区中心位置）曲线；并写出磁感强度峰值。

(图可打印)
200v-磁感强度峰值（）400v-磁感强度峰值（）
600v-磁感强度峰值（）800v-磁感强度峰值（）（2）测试表格：
测试磁场实验区左端与中心处，在不同的电源电压激发下磁感强度峰值。

V
200 400 600 800
磁体位置T
中心
左端
注意事项
本实验中，电源输出电压很高，一定要在确保接线无误的前提下，开动电源。

接通电源后，不能轻易的靠近磁场发生器和电源接头，确保人身安全。

基于虚拟仪器的脉冲磁场实验测量系统实验指导书
实验须知
1.实验前必须仔细阅读实验指导书，待了解仪器及相关设备的操作方法后，方能进行调整。

2.严格遵守实验室的有关规定。

在注意安全的前提下，试验前仔细检查设备的情况，在确保正常的情况下开始设备的使用。

不许擅自拆卸仪器和软件相关界面。

试验结束要及时地清理试验场地，小型仪器设备、工具要及时地锁在工具柜中，检查水电无误后，方可离开实验室，并关好门窗，并请指导老师指导后方可离开。

3.实验室内仪器都很贵重，凡与本次实验无关的仪器，一律不得动手。

4.室内严禁大声喧哗和打闹。

保持室内清洁，不准随地吐痰和吸烟。

5.按规定时间进行实验，不缺课、不迟到，除因特殊情况并经实验室负责人同意外，一律不补做实验。

无故不做实验者，不能获得本门课程学分。

6.凡不遵守实验规则者，指导人员有权停止其实验；使国家财产造成损失者应负赔偿责任。

7.测量的数据和实验报告应按格式填好，实验结束后，按规定时间上交实验报告。

3．实验预习
（1）脉冲磁场如何产生，有何用途？
（2）电磁感应有何特点？
（3）何谓虚拟仪器，它有何优点？
（4）测试系统一般由哪几部分组成？
（5）LABVIEW语言有何特点，如何在LABVIEW环境下构建测试系统？
2．实验目的
电磁感应法测磁场，是以电磁感应定律为基础,当导线中通有变化电流时,其周围空间必然产生磁场,处在变化磁场中的闭合回路,由于通过它的磁通量发生变化,回路中将有感应电动势产生,通过测量此感应电动势的大小,就可以计算出磁场的量值。

感应电压经信号调理，由采集卡将电压信号输入计算机，用LABVIEW软件可很灵活的构建虚拟仪器测试系统。

所谓虚拟仪器，就是在以PC为核心的硬件平台上，由用户通过软件进行编程设计，设计出的虚拟仪器面板可以用来模拟仪器并实现其测量功能的一种计算机仪器系统。

虚拟仪器的实质是利用计算机显示器（CRT）的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，使用I/O设备来实现信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

采用虚拟仪器，可以通过只采购适合自己应用情况的通用仪器硬件，依靠虚拟仪器软件开发平台，设计出所需的高性能价格比的仪器系统。

通过本实验，应了解和掌握如下内容：
（1）脉冲磁场生成原理；
（2）电磁感应法测磁场的原理和方法；
（3）测试系统构建的过程；
（4）基于LABVIEW的虚拟仪器测试平台的创建；
（5）数据分析处理的技巧。

3．实验内容
（1）脉冲磁场产生方法。

（2）感应法测磁场。

（3）基于虚拟仪器的测试平台。

4．实验用软、硬件
（1）脉冲磁场的产生
根据电磁学原理，通电导线的周围产生磁场，本实验采用最常用的通电螺线管方法得到所需磁场，螺线管供电电源为自制脉冲电源，螺线管中的电流由R-L-C回路（图）提供，则螺线圈周围产生脉冲磁场。

脉冲磁场设备示意图如图所示。

图R-L-C放电电路图脉冲磁场设备简图
脉冲磁体参数选择如下：
磁体线圈内径：Φ50mm，
磁体单层线圈匝数： 20匝/层，
磁体线圈层数： 6层，
磁体线圈绕线型号：外径Φ2mm漆包线，
软磁芯横截面： 25mmx35mm，
磁芯端部距离： 70mm
脉冲电源电容可选值：30μF，60μF，90μF，120μF，本实验选120μF
电容器组的初始电压值：0~2000V连续可调。

(2)感应法测脉冲磁场原理
电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础的一种经典磁场测量方法。

当把绕有匝数为N、截面积为S的圆柱形探测线圈放在磁感应强度为B的被测磁场中时（其中探测线圈轴线与磁力线平行），如果与线圈交链的磁通发生变化，那么根据法拉第电磁感应定律，就会在探测线圈中产生感应电动势：
d dB
e N NS
dt dt
φ
==
对于给定的探测线圈，匝数N与截面积S的乘积为一常数（称为线圈常数），则：
1b
a
B edt
NS
∆=⎰
因此，只要对所采集的感应电动势e波形进行加权积分就可以还原相应磁感应强度B 的波形以及磁场的峰值。

经过反复试验与探索，按照“点”线圈的设计要求，探测线圈设计参数为：直径D0=4mm，直径Φ0.16mm漆包线绕20圈。

线圈骨架采用空心塑料管，尺寸如图2所示。

图2探测线圈骨架示意图
(3)基于LABVIEW虚拟仪器磁场检测系统
整个检测系统包括探测线圈、信号传送线、信号调理（放大滤波）、信号采集卡、计算机五部分组成。

单芯同轴电缆作为信号传输导线，并将探测线圈的延伸线采用绞线方式引至单芯同轴电缆，信号经放大66倍，500Hz的低通滤波后，由PCI8622高速采集卡通过
LABVIEW平台实现信号数据的运算、分析、处理。

总体示意如图3：
采集卡
检测线圈信号传输线
计算机
(labview)信号调理器
图3 磁场检测系统示意图
5．实验步骤及注意事项
（1）测量不同电源电压激发的磁感强度曲线（磁场实验区中心位置）
在下图中，画出不同电源电压（200v，400v，600v，800v）激发的磁感强度B-T(时间)（磁场实验区中心位置）曲线；并写出磁感强度峰值。

(图可打印)
200v-磁感强度峰值（）400v-磁感强度峰值（）
600v-磁感强度峰值（）800v-磁感强度峰值（）（2）测试表格：
测试磁场实验区左端与中心处，在不同的电源电压激发下磁感强度峰值。

V
磁体位置T
200 400 600 800
(3)注意事项
本实验中，电源输出电压很高，一定要在确保接线无误的前提下，开动电源。

接通电源后，不能轻易的靠近磁场发生器和电源接头，确保人身安全。