📄Работа №201798
Тема: ИСТОЧНИК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ВЫСОКОЙ ОДНОРОДНОСТИ
Тип работы
Диссертация
Предмет
физика
Объем:
155 листов
Год:
2024
Просмотров:
67
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СЛАБОГО ПОСТОЯННОГО
МАГНИТНОГО ПОЛЯ 13
1.1 Востребованность измерений слабого постоянного магнитного поля 13
1.2 Метрологическое обеспечение измерений магнитной индукции
слабых постоянных магнитных полей 15
1.3 Общие принципы воспроизведения магнитной индукции слабого
постоянного магнитного поля 22
1.3.1 Соленоид 22
1.3.2 Катушки Гельмгольца 24
1.3.3 Катушки Максвелла 26
1.3.4 Катушки Браунбека 28
1.3.5 Катушки Бэкера 30
1.3.6 Катушки МакКихана 32
1.3.7 Катушки Гаррета 34
1.3.8 Квадратные катушки Гельмгольца 36
1.3.9 Катушка Меррита 38
1.3.10 Катушки Рубена 40
1.3.11 Многокатушечные системы 43
1.4 Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2. РАСЧЁТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ КАТУШЕК 47
2.1 Методы расчёта магнитного поля систем катушек 47
2.1.1 Расчёт магнитного поля на основе закона Био-Савара-Лапласа 47
2.1.2 Методика Симпсона для расчёта магнитного поля контура с
током 52
2.1.3 Расчёт магнитного поля по методике Макдональда 54
2.1.4 Расчет магнитного поля по методике Джексона 54
2.2 Расчет аксиальных катушек 55
2.2.1 Расчёт магнитного поля двухкатушечной системы 55
2.2.2 Расчёт многокатушечных систем 61
2.2.3 Анализ однородности магнитного поля четырехкатушечной
системы 63
2.2.4 Анализ однородности магнитного поля шестикатушечной
системы 66
2.2.5 Анализ однородности магнитного поля восьмикатушечной
системы 69
2.2.6 Анализ однородности магнитного поля десятикатушечной
системы 71
2.3 Моделирование десятикатушечных систем 76
2.4 Выводы по главе 2 82
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКА ТОКА ДЛЯ СИСТЕМ
КАТУШЕК 84
3.1 Требования к источнику тока 84
3.2 Обзор схем реализации источников тока 85
3.2.1 Источники тока на базе ИОН 86
3.2.2 Схема токовой накачки Хауленда 88
3.2.3 Высокоуровневый преобразователь напряжения в ток 90
3.3 Разработка источника тока 93
3.4 Оценка метрологических характеристик источника тока 101
3.5 Выводы по главе 3 108
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ
КАТУШЕК С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ОДНОРОДНОСТИ 110
4.1 Изготовление аксиальных систем катушек 110
4.2 Оценка однородности магнитного поля десятикатушечных систем . 113
4.2.1 Оценка однородности магнитного поля десятикатушечной
системы №1 117
4.2.2 Оценка однородности магнитного поля десятикатушечной
системы №3 127
4.3 Выводы по главе 4 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационно работы 155
ГЛАВА 1. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ СЛАБОГО ПОСТОЯННОГО
МАГНИТНОГО ПОЛЯ 13
1.1 Востребованность измерений слабого постоянного магнитного поля 13
1.2 Метрологическое обеспечение измерений магнитной индукции
слабых постоянных магнитных полей 15
1.3 Общие принципы воспроизведения магнитной индукции слабого
постоянного магнитного поля 22
1.3.1 Соленоид 22
1.3.2 Катушки Гельмгольца 24
1.3.3 Катушки Максвелла 26
1.3.4 Катушки Браунбека 28
1.3.5 Катушки Бэкера 30
1.3.6 Катушки МакКихана 32
1.3.7 Катушки Гаррета 34
1.3.8 Квадратные катушки Гельмгольца 36
1.3.9 Катушка Меррита 38
1.3.10 Катушки Рубена 40
1.3.11 Многокатушечные системы 43
1.4 Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2. РАСЧЁТ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ КАТУШЕК 47
2.1 Методы расчёта магнитного поля систем катушек 47
2.1.1 Расчёт магнитного поля на основе закона Био-Савара-Лапласа 47
2.1.2 Методика Симпсона для расчёта магнитного поля контура с
током 52
2.1.3 Расчёт магнитного поля по методике Макдональда 54
2.1.4 Расчет магнитного поля по методике Джексона 54
2.2 Расчет аксиальных катушек 55
2.2.1 Расчёт магнитного поля двухкатушечной системы 55
2.2.2 Расчёт многокатушечных систем 61
2.2.3 Анализ однородности магнитного поля четырехкатушечной
системы 63
2.2.4 Анализ однородности магнитного поля шестикатушечной
системы 66
2.2.5 Анализ однородности магнитного поля восьмикатушечной
системы 69
2.2.6 Анализ однородности магнитного поля десятикатушечной
системы 71
2.3 Моделирование десятикатушечных систем 76
2.4 Выводы по главе 2 82
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКА ТОКА ДЛЯ СИСТЕМ
КАТУШЕК 84
3.1 Требования к источнику тока 84
3.2 Обзор схем реализации источников тока 85
3.2.1 Источники тока на базе ИОН 86
3.2.2 Схема токовой накачки Хауленда 88
3.2.3 Высокоуровневый преобразователь напряжения в ток 90
3.3 Разработка источника тока 93
3.4 Оценка метрологических характеристик источника тока 101
3.5 Выводы по главе 3 108
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ
КАТУШЕК С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ОДНОРОДНОСТИ 110
4.1 Изготовление аксиальных систем катушек 110
4.2 Оценка однородности магнитного поля десятикатушечных систем . 113
4.2.1 Оценка однородности магнитного поля десятикатушечной
системы №1 117
4.2.2 Оценка однородности магнитного поля десятикатушечной
системы №3 127
4.3 Выводы по главе 4 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационно работы 155
📖 Введение
Актуальность темы
Измерение и воспроизведение параметров магнитного поля является важной задачей науки и техники. Одной из основных характеристик магнитного поля является магнитная индукция - способность магнитного поля производить работ. Магнитная индукция, по сути, характеризует интенсивность магнитного поля и измеряется в Теслах (Тл). Магнитные поля по частоте колебаний подразделяются на постоянные (статические), низкочастотные (до 300 Гц), среднечастотные (от 300 Гц - 100 кГц) и высокочастотные (свыше 100 кГц), а по значению магнитной индукции на сверхсильные (свыше 100 Тл), сильные (от 1 до 100 Тл), средние (от 0,01 до 1 Тл), слабые (менее 0,01 Тл).
Наиболее востребованной областью магнитных измерений является область слабых магнитных полей, что подтверждается анализом актуальных потребностей в биомедицинских исследованиях и медицинской практике, системах квантовых вычислений, фундаментальных исследованиях и оборонном комплексе. Типовой диапазон измерений магнитометров для слабых постоянных магнитных полей составляет от 10-8 до 10-4 Тл; погрешность измерения доходит до долей нТл.
Согласно государственной поверочной схеме, для средств измерений магнитной индукции в качестве рабочих эталонов второго разряда и рабочих средств измерений для воспроизведения магнитной индукции до 10-9 Тл применяются меры магнитной индукции, в которых чаще всего используются катушки Гельмгольца и модификации на их основе для генерации однородного магнитного поля.
Несмотря на простоту изготовления катушек Гельмгольца, к их ключевому недостатку относится достаточно малый объем создаваемого однородного магнитного поля по сравнению со своими геометрическими размерами. Увеличение области однородности магнитного поля требует увеличения габаритных размеров катушек. Увеличить объем однородного поля можно за счет наращивания числа катушек в системе и изменения конструкции катушек. Так были спроектированы круглые катушки Максвелла, Браунбека, Бэкера, МакКихана, Г аррета, квадратные Г ельмгольца, Меррита и Рубена др. Однако расчётные параметры (коэффициенты соотношений количества витков и расстояний между катушками) для систем, состоящих более чем из двух катушек имеют большое количество значащих цифр в дробной части, что затрудняет их практическую реализацию и достижение расчетного уровня однородности. Особенно это становится критичным при реализации малогабаритных систем катушек. При том обычно расчеты систем катушек не учитывают влияния сечения провода намотки на однородность магнитного поля, а анализ однородности традиционно проводится только вдоль оси симметрии катушек.
Одним из направлений совершенствования источника магнитной индукции для воспроизведения слабых магнитных полей может быть разработка и исследование систем многих катушек одинакового радиуса, как наиболее простых в изготовлении. В таких системах увеличение объема однородности достигается наращиванием числа отдельных катушек.
Целью диссертационной работы является аналитический расчет; конечно-элементный анализ, практическая реализация и экспериментальные исследования конструкций систем катушек для воспроизведения магнитной индукции слабого постоянного магнитного поля с высокой степенью однородности.
В соответствии с поставленной целью, были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработка универсальных аналитических выражений для анализа однородности магнитного поля, создаваемого системами катушек;
2. Расчет и анализ конструкций систем катушек с высокой степенью однородности магнитного поля с учетом влияния сечения провода намотки катушек на однородность магнитного поля.
3. Разработка регулируемого источника тока для питания систем катушек.
4. Изготовление и экспериментальные исследования конструкций систем катушек с высокой степенью однородности для воспроизведения магнитной индукции слабого постоянного магнитного поля.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электромагнитного поля, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовалось лицензионное программное обеспечение.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации систем катушек с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодические поверку и калибровку.
Научная новизна работы
1. Рассчитаны конструкции систем из десяти круглых катушек одинакового радиуса для создания однородного магнитного поля и на основе полученных универсальных аналитических выражений для анализа магнитной индукции и неоднородности магнитного поля в любой точке пространства внутри систем круглых катушек проведена оценка неоднородности магнитного поля создаваемого ими.
2. Выбрано схемотехническое решение и на его основе реализован трехдиапазонный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, который совместно с рассчитанными по предложенной модели конструкциями десятикатушечных систем позволяет воспроизводить магнитную индукцию в диапазоне от 10-10 до 10-4 Тл.
3. Реализованы и экспериментально исследованы рассчитанные конструкции систем из десяти круглых катушек одинакового радиуса, обеспечивающие высокую степень однородности магнитного поля.
Практическая ценность работы. Разработанные в ходе диссертационных исследований конструкции систем из десяти круглых катушек и трехкаскадный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, могут найти широкое применение при калибровке и градуировке малогабаритных типов датчиков магнитного поля и магнитометров на их основе, при построении компактных мер магнитной индукции с высокой степенью однородности магнитного поля. Разработанный экспресс-калькулятор может применяться для анализа неоднородности магнитного поля в любой точке пространства внутри систем круглых катушек при их проектировании.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих НИР:
• Грант РНФ № 17-79-10083 «Планарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера», 2017-2019 гг.
• Грант ФЦП № 14.578.21.0232 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микро- электромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг.
• Грант РФФИ № 20-57-S52001 «Формирование и исследование «фотонных крючков» с помощью компонент микрооптики для задач перспективных информационных технологий», 2020-2021 гг.
• Грант РФФИ № 21-57-10001 «3И-печать светоизгибающих фотонных переключателей в оптическом и терагерцовом спектральных диапазонах», 2021-2022 гг.
Результаты работы также используются: в ООО «Эксперт» (г. Томск) при реализации проекта по созданию системы калибровки датчиков магнитного поля и магнитометров; в учебном процессе в отделении Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложенные универсальные выражения позволяют проводить расчеты магнитной индукции и неоднородности магнитного поля в любой точке пространства внутри систем круглых катушек независимо от их количества.
2. Реализованный трехдиапазонный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, обеспечивает питание систем катушек в диапазоне токов от 0,1 мкА до 100 мА при напряжениях на входе от 0,02 В до 2 В с относительной погрешностью коэффициента преобразования менее 0,2 % в диапазоне от 0,1 до 0,2 мкА и менее 0,1 % в остальном диапазоне.
3. Разработанные конструкции систем из десяти круглых катушек радиусом 50 мм позволяют воспроизводить магнитную индукцию с неоднородностью магнитного поля менее 0,02 % в объеме 30 % от радиуса.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• IV Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2016 г.;
• V Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2017 г.;
• VIII International Scientific and Practical Conference Information and Measuring Equipment and Technologies (IME&T 2017), г. Томск, 2017 г.;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2018), г. Новосибирск, 2018 г.;
• International Conference on Electrical Engineering, Control and Robotics (EECR 2018), г. Чэнду, Китай, 2018 г.
• International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies (EMMFT 2019), г. Воронеж, 2019 г.;
• XV Международная конференция по импульсным лазерам и применениям лазеров - AMPL-2021, г. Томск, 2021 г.;
• XVI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2022), г. Томск, 2022 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 13 публикациях: 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, из них две статьи проиндексированы в базах данных WoS и Scopus; 6 статей в трудах международных и российских конференций, проиндексированных в WoS и Scopus; 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ; 3 статьи в рецензируемых научных сборниках трудов международных и российских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименования и приложений. Работа содержит 154 страницы основного текста, включая 109 рисунков и 28 таблиц.
В первой главе приведен анализ метрологического обеспечения измерений магнитной индукции слабых постоянных магнитных полей в Российской Федерации. Приводятся основные метрологические характеристики магнитометров для измерения и мер магнитной индукции для воспроизведения слабых магнитных полей, включенных в Г осударственный реестр средств измерений. Рассматриваются общие принципы воспроизведения магнитной индукции постоянного магнитного поля, сравниваются круглые системы катушек Г ельмгольца, Максвелла, Браунбека, Бэкера, МакКихана, Г аррета, квадратные Гельмгольца, Меррита и Рубена др. с точки зрения создания объема однородного магнитного поля, сложности расчета и изготовления. Предлагается проектировать многокатушечные системы одинакового радиуса, как наиболее простые в изготовление и расчете, для воспроизведения слабого магнитного поля с высокой степенью однородности по объему системы.
Во второй главе описаны методы расчёта магнитного поля систем катушек на основе закона Био-Савара-Лапласа, методик Симпсона, Макдональда и Джексона. Для анализа магнитной индукции систем катушек, создающих однородное магнитное поле, предлагается использовать методику на основе закона Био-Савара-Лапласа, так как данная методика позволяет рассчитать магнитную индукцию в любой точке рассматриваемой системы с одинаковой точностью независимо от геометрии конструкции. На основе итерационной методики расчёта многокатушечных систем для генерации однородного магнитного поля приводятся расчёты параметров для четырехкатушечной, шестикатушечной, восьмикатушечной и трех вариантов десятикатушечной систем. Для каждой рассчитанной системы катушек проводится анализ однородности магнитного поля. Для подтверждения результатов анализа однородности проводится конечно-элементное моделирование конструкции катушек.
В третьей главе приводится описание разработки управляемого источника постоянного тока, работающего преимущественно на индуктивную нагрузку для питания систем катушек. Приводится краткий обзор схем построения источников тока. На основе схемного решения компании Texas Instruments по реализации управляемого преобразователя напряжения в ток для заземленной нагрузки спроектирован трехкаскадный прецизионный регулируемый источник тока, управляемый напряжением в диапазоне воспроизведения токов от 0,1 мкА до 100 мА при напряжениях на входе от 0,02 В до 2 В. Проведена оценка влияния разброса номинальных значений сопротивлений резисторов в схеме преобразователя методом Монте-Карло. На основе результатов моделирования подобранны резисторы для практической реализации преобразователя напряжения в ток, изготовлен преобразователь напряжения в ток и проведена оценка его погрешности преобразования.
В четвертой главе описан процесс изготовления десятикатушечных аксиальных систем для создания однородного магнитного поля на основе технологии SD-печати методом послойного наплавления, и приведены результаты экспериментальных исследований однородности магнитного поля изготовленных систем. Для автоматизированной оценки однородности магнитного поля, создаваемого десятикатушечными системами, собран экспериментальный стенд на основе шестиосевого робота-манипулятора Kuka KR4 R600, обеспечивающий линейное перемещение с заданным шагом датчика магнитного поля внутри объема системы катушек.
Измерение и воспроизведение параметров магнитного поля является важной задачей науки и техники. Одной из основных характеристик магнитного поля является магнитная индукция - способность магнитного поля производить работ. Магнитная индукция, по сути, характеризует интенсивность магнитного поля и измеряется в Теслах (Тл). Магнитные поля по частоте колебаний подразделяются на постоянные (статические), низкочастотные (до 300 Гц), среднечастотные (от 300 Гц - 100 кГц) и высокочастотные (свыше 100 кГц), а по значению магнитной индукции на сверхсильные (свыше 100 Тл), сильные (от 1 до 100 Тл), средние (от 0,01 до 1 Тл), слабые (менее 0,01 Тл).
Наиболее востребованной областью магнитных измерений является область слабых магнитных полей, что подтверждается анализом актуальных потребностей в биомедицинских исследованиях и медицинской практике, системах квантовых вычислений, фундаментальных исследованиях и оборонном комплексе. Типовой диапазон измерений магнитометров для слабых постоянных магнитных полей составляет от 10-8 до 10-4 Тл; погрешность измерения доходит до долей нТл.
Согласно государственной поверочной схеме, для средств измерений магнитной индукции в качестве рабочих эталонов второго разряда и рабочих средств измерений для воспроизведения магнитной индукции до 10-9 Тл применяются меры магнитной индукции, в которых чаще всего используются катушки Гельмгольца и модификации на их основе для генерации однородного магнитного поля.
Несмотря на простоту изготовления катушек Гельмгольца, к их ключевому недостатку относится достаточно малый объем создаваемого однородного магнитного поля по сравнению со своими геометрическими размерами. Увеличение области однородности магнитного поля требует увеличения габаритных размеров катушек. Увеличить объем однородного поля можно за счет наращивания числа катушек в системе и изменения конструкции катушек. Так были спроектированы круглые катушки Максвелла, Браунбека, Бэкера, МакКихана, Г аррета, квадратные Г ельмгольца, Меррита и Рубена др. Однако расчётные параметры (коэффициенты соотношений количества витков и расстояний между катушками) для систем, состоящих более чем из двух катушек имеют большое количество значащих цифр в дробной части, что затрудняет их практическую реализацию и достижение расчетного уровня однородности. Особенно это становится критичным при реализации малогабаритных систем катушек. При том обычно расчеты систем катушек не учитывают влияния сечения провода намотки на однородность магнитного поля, а анализ однородности традиционно проводится только вдоль оси симметрии катушек.
Одним из направлений совершенствования источника магнитной индукции для воспроизведения слабых магнитных полей может быть разработка и исследование систем многих катушек одинакового радиуса, как наиболее простых в изготовлении. В таких системах увеличение объема однородности достигается наращиванием числа отдельных катушек.
Целью диссертационной работы является аналитический расчет; конечно-элементный анализ, практическая реализация и экспериментальные исследования конструкций систем катушек для воспроизведения магнитной индукции слабого постоянного магнитного поля с высокой степенью однородности.
В соответствии с поставленной целью, были сформулированы следующие задачи исследования:
1. Разработка универсальных аналитических выражений для анализа однородности магнитного поля, создаваемого системами катушек;
2. Расчет и анализ конструкций систем катушек с высокой степенью однородности магнитного поля с учетом влияния сечения провода намотки катушек на однородность магнитного поля.
3. Разработка регулируемого источника тока для питания систем катушек.
4. Изготовление и экспериментальные исследования конструкций систем катушек с высокой степенью однородности для воспроизведения магнитной индукции слабого постоянного магнитного поля.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов теории электромагнитного поля, теории погрешностей, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования. При расчетах и моделировании использовалось лицензионное программное обеспечение.
Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации систем катушек с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодические поверку и калибровку.
Научная новизна работы
1. Рассчитаны конструкции систем из десяти круглых катушек одинакового радиуса для создания однородного магнитного поля и на основе полученных универсальных аналитических выражений для анализа магнитной индукции и неоднородности магнитного поля в любой точке пространства внутри систем круглых катушек проведена оценка неоднородности магнитного поля создаваемого ими.
2. Выбрано схемотехническое решение и на его основе реализован трехдиапазонный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, который совместно с рассчитанными по предложенной модели конструкциями десятикатушечных систем позволяет воспроизводить магнитную индукцию в диапазоне от 10-10 до 10-4 Тл.
3. Реализованы и экспериментально исследованы рассчитанные конструкции систем из десяти круглых катушек одинакового радиуса, обеспечивающие высокую степень однородности магнитного поля.
Практическая ценность работы. Разработанные в ходе диссертационных исследований конструкции систем из десяти круглых катушек и трехкаскадный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, могут найти широкое применение при калибровке и градуировке малогабаритных типов датчиков магнитного поля и магнитометров на их основе, при построении компактных мер магнитной индукции с высокой степенью однородности магнитного поля. Разработанный экспресс-калькулятор может применяться для анализа неоднородности магнитного поля в любой точке пространства внутри систем круглых катушек при их проектировании.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использованы при выполнении следующих НИР:
• Грант РНФ № 17-79-10083 «Планарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера», 2017-2019 гг.
• Грант ФЦП № 14.578.21.0232 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микро- электромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг.
• Грант РФФИ № 20-57-S52001 «Формирование и исследование «фотонных крючков» с помощью компонент микрооптики для задач перспективных информационных технологий», 2020-2021 гг.
• Грант РФФИ № 21-57-10001 «3И-печать светоизгибающих фотонных переключателей в оптическом и терагерцовом спектральных диапазонах», 2021-2022 гг.
Результаты работы также используются: в ООО «Эксперт» (г. Томск) при реализации проекта по созданию системы калибровки датчиков магнитного поля и магнитометров; в учебном процессе в отделении Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложенные универсальные выражения позволяют проводить расчеты магнитной индукции и неоднородности магнитного поля в любой точке пространства внутри систем круглых катушек независимо от их количества.
2. Реализованный трехдиапазонный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, обеспечивает питание систем катушек в диапазоне токов от 0,1 мкА до 100 мА при напряжениях на входе от 0,02 В до 2 В с относительной погрешностью коэффициента преобразования менее 0,2 % в диапазоне от 0,1 до 0,2 мкА и менее 0,1 % в остальном диапазоне.
3. Разработанные конструкции систем из десяти круглых катушек радиусом 50 мм позволяют воспроизводить магнитную индукцию с неоднородностью магнитного поля менее 0,02 % в объеме 30 % от радиуса.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• IV Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2016 г.;
• V Международный молодёжный форум «Инженерия для освоения космоса», г. Томск, 2017 г.;
• VIII International Scientific and Practical Conference Information and Measuring Equipment and Technologies (IME&T 2017), г. Томск, 2017 г.;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2018), г. Новосибирск, 2018 г.;
• International Conference on Electrical Engineering, Control and Robotics (EECR 2018), г. Чэнду, Китай, 2018 г.
• International Scientific Conference Energy Management of Municipal Facilities and Sustainable Energy Technologies (EMMFT 2019), г. Воронеж, 2019 г.;
• XV Международная конференция по импульсным лазерам и применениям лазеров - AMPL-2021, г. Томск, 2021 г.;
• XVI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2022), г. Томск, 2022 г.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 13 публикациях: 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, из них две статьи проиндексированы в базах данных WoS и Scopus; 6 статей в трудах международных и российских конференций, проиндексированных в WoS и Scopus; 1 патент РФ на изобретение и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ; 3 статьи в рецензируемых научных сборниках трудов международных и российских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименования и приложений. Работа содержит 154 страницы основного текста, включая 109 рисунков и 28 таблиц.
В первой главе приведен анализ метрологического обеспечения измерений магнитной индукции слабых постоянных магнитных полей в Российской Федерации. Приводятся основные метрологические характеристики магнитометров для измерения и мер магнитной индукции для воспроизведения слабых магнитных полей, включенных в Г осударственный реестр средств измерений. Рассматриваются общие принципы воспроизведения магнитной индукции постоянного магнитного поля, сравниваются круглые системы катушек Г ельмгольца, Максвелла, Браунбека, Бэкера, МакКихана, Г аррета, квадратные Гельмгольца, Меррита и Рубена др. с точки зрения создания объема однородного магнитного поля, сложности расчета и изготовления. Предлагается проектировать многокатушечные системы одинакового радиуса, как наиболее простые в изготовление и расчете, для воспроизведения слабого магнитного поля с высокой степенью однородности по объему системы.
Во второй главе описаны методы расчёта магнитного поля систем катушек на основе закона Био-Савара-Лапласа, методик Симпсона, Макдональда и Джексона. Для анализа магнитной индукции систем катушек, создающих однородное магнитное поле, предлагается использовать методику на основе закона Био-Савара-Лапласа, так как данная методика позволяет рассчитать магнитную индукцию в любой точке рассматриваемой системы с одинаковой точностью независимо от геометрии конструкции. На основе итерационной методики расчёта многокатушечных систем для генерации однородного магнитного поля приводятся расчёты параметров для четырехкатушечной, шестикатушечной, восьмикатушечной и трех вариантов десятикатушечной систем. Для каждой рассчитанной системы катушек проводится анализ однородности магнитного поля. Для подтверждения результатов анализа однородности проводится конечно-элементное моделирование конструкции катушек.
В третьей главе приводится описание разработки управляемого источника постоянного тока, работающего преимущественно на индуктивную нагрузку для питания систем катушек. Приводится краткий обзор схем построения источников тока. На основе схемного решения компании Texas Instruments по реализации управляемого преобразователя напряжения в ток для заземленной нагрузки спроектирован трехкаскадный прецизионный регулируемый источник тока, управляемый напряжением в диапазоне воспроизведения токов от 0,1 мкА до 100 мА при напряжениях на входе от 0,02 В до 2 В. Проведена оценка влияния разброса номинальных значений сопротивлений резисторов в схеме преобразователя методом Монте-Карло. На основе результатов моделирования подобранны резисторы для практической реализации преобразователя напряжения в ток, изготовлен преобразователь напряжения в ток и проведена оценка его погрешности преобразования.
В четвертой главе описан процесс изготовления десятикатушечных аксиальных систем для создания однородного магнитного поля на основе технологии SD-печати методом послойного наплавления, и приведены результаты экспериментальных исследований однородности магнитного поля изготовленных систем. Для автоматизированной оценки однородности магнитного поля, создаваемого десятикатушечными системами, собран экспериментальный стенд на основе шестиосевого робота-манипулятора Kuka KR4 R600, обеспечивающий линейное перемещение с заданным шагом датчика магнитного поля внутри объема системы катушек.
✅ Заключение
1. Разработаны универсальные аналитические выражения для анализа однородности магнитного поля, создаваемого системами круглых катушек и на их основе написан экспресс-калькулятор, позволяющий рассчитать магнитную индукцию и неоднородность магнитного поля в любой точки пространства внутри системы катушек.
2. На основе итерационной методики были рассчитаны параметры десятикатушечных систем круглых катушек с высокой степенью однородности магнитного поля и проведен конечно-элементный анализ конструкцией этих катушек, который позволил подтвердить правильность расчетов с учесть влияние геометрически размеров на однородность магнитного поля.
3. Реализован и экспериментально исследован трехдиапазонный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, который обеспечивает питание систем катушек в диапазоне токов от 0,1 мкА до 100 мА при напряжениях на входе от 0,02 В до 2 В с относительной погрешностью коэффициента преобразования менее 0,2 % в диапазоне от 0,1 до 0,2 мкА, менее 0,1 % в остальном диапазоне.
4. Экспериментально показано, что разработанные конструкции систем из десяти круглых катушек радиусом 50 мм позволяют воспроизводить магнитную индукцию с неоднородностью магнитного поля менее 0,02 % в объеме 30 % от радиуса.
5. Разработанная программа, реализующая анализ магнитной индукции и неоднородности магнитного поля рассчитанных систем катушек, методика конечно-элементного анализа систем катушек и созданные конечноэлементные модели многокатушечных систем были использованы при выполнении гранта РНФ 17-79-10083 «Планарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера».
6. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР: грант ФЦП № 14.578.21.0232 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг; грант РФФИ № 20-57- S52001 «Формирование и исследование «фотонных крючков» с помощью компонент микрооптики для задач перспективных информационных технологий», 2020-2021 гг; грант РФФИ № 21-57-10001 «SD-печать светоизгибающих фотонных переключателей в оптическом и терагерцовом спектральных диапазонах», 2021-2022 гг.
7. Разработанные десятикатушечные системы, источник тока, экспериментальный стенд на основе шестиосевого робота-манипулятора Kuka используются для исследования и калибровки датчиков магнитного поля и магнитометров в ООО «Эксперт», а также в учебном процессе отделения электронной инженерии Томского политехнического университета, что подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.
2. На основе итерационной методики были рассчитаны параметры десятикатушечных систем круглых катушек с высокой степенью однородности магнитного поля и проведен конечно-элементный анализ конструкцией этих катушек, который позволил подтвердить правильность расчетов с учесть влияние геометрически размеров на однородность магнитного поля.
3. Реализован и экспериментально исследован трехдиапазонный регулируемый источник тока, управляемый напряжением, который обеспечивает питание систем катушек в диапазоне токов от 0,1 мкА до 100 мА при напряжениях на входе от 0,02 В до 2 В с относительной погрешностью коэффициента преобразования менее 0,2 % в диапазоне от 0,1 до 0,2 мкА, менее 0,1 % в остальном диапазоне.
4. Экспериментально показано, что разработанные конструкции систем из десяти круглых катушек радиусом 50 мм позволяют воспроизводить магнитную индукцию с неоднородностью магнитного поля менее 0,02 % в объеме 30 % от радиуса.
5. Разработанная программа, реализующая анализ магнитной индукции и неоднородности магнитного поля рассчитанных систем катушек, методика конечно-элементного анализа систем катушек и созданные конечноэлементные модели многокатушечных систем были использованы при выполнении гранта РНФ 17-79-10083 «Планарный феррозондовый преобразователь для системы магнитного вакуума квантового компьютера».
6. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР: грант ФЦП № 14.578.21.0232 «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России», «Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации, и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением», 2017-2020 гг; грант РФФИ № 20-57- S52001 «Формирование и исследование «фотонных крючков» с помощью компонент микрооптики для задач перспективных информационных технологий», 2020-2021 гг; грант РФФИ № 21-57-10001 «SD-печать светоизгибающих фотонных переключателей в оптическом и терагерцовом спектральных диапазонах», 2021-2022 гг.
7. Разработанные десятикатушечные системы, источник тока, экспериментальный стенд на основе шестиосевого робота-манипулятора Kuka используются для исследования и калибровки датчиков магнитного поля и магнитометров в ООО «Эксперт», а также в учебном процессе отделения электронной инженерии Томского политехнического университета, что подтверждено актами внедрения результатов диссертационной работы.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.