一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置

摘要

本发明涉及磁场方向切换技术，具体是一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置。本发明解决了现有磁场方向切换技术切换速度慢、操作安全性差的问题。一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置，包括主体部分和控制部分；所述主体部分包括矩形基板、第一至第四绝缘条板、第一至第六导电条板、第一至第八场效应管、第一至第十六导电条片；所述控制部分包括第一BNC接头、隔离电路、第五电阻、开关电路、第二至第五BNC接头、第一电容、第二电容、三端稳压器。本发明适用于磁场方向切换。

说明书

技术领域

本发明涉及磁场方向切换技术，具体是一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置。

背景技术

亥姆霍兹线圈是一种制造小范围区域均匀磁场的器件，其广泛应用于材料、制造、医疗、工程、航空航天和精密测量等领域。在诸多应用场合，往往需要对亥姆霍兹线圈产生的磁场方向进行切换。对此，人们普遍通过手动操作的方式将直流励磁电源的正、负极进行反接，由此改变亥姆霍兹线圈中的电流方向，从而切换亥姆霍兹线圈产生的磁场方向。此种磁场方向切换技术由于自身原理所限，存在如下问题：其一，在手动操作过程中，必需关闭直流励磁电源，由此导致切换速度慢。其二，由于亥姆霍兹线圈中的电流通常为大电流，导致手动操作过程中存在触电隐患，由此导致操作安全性差。基于此，有必要发明一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置，以解决现有磁场方向切换技术切换速度慢、操作安全性差的问题。

发明内容

本发明为了解决现有磁场方向切换技术切换速度慢、操作安全性差的问题，提供了一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置，包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括矩形基板、第一至第四绝缘条板、第一至第六导电条板、第一至第八场效应管、第一至第十六导电条片；

第一至第四绝缘条板均沿横向贴附于矩形基板的上板面，且第一至第四绝缘条板呈平行排列；第一至第四绝缘条板的左端均与矩形基板的左边缘齐平；第一至第四绝缘条板的右端均与矩形基板的右边缘齐平；第一至第四绝缘条板的上板面各沿横向开设有一道左右贯通的沉槽；

第一导电条板沿横向贴附于第一绝缘条板上的沉槽内，且第一导电条板的左端超出第一绝缘条板的左端；第二导电条板沿横向贴附于第一绝缘条板上的沉槽内，且第二导电条板的右端超出第一绝缘条板的右端；第一导电条板的右端和第二导电条板的左端之间留有绝缘距离；第三导电条板沿横向贴附于第二绝缘条板上的沉槽内；第三导电条板的左端超出第二绝缘条板的左端；第三导电条板的右端与第二绝缘条板的右端齐平；第四导电条板沿横向贴附于第三绝缘条板上的沉槽内；第四导电条板的左端超出第三绝缘条板的左端；第四导电条板的右端与第三绝缘条板的右端齐平；第五导电条板沿横向贴附于第四绝缘条板上的沉槽内，且第五导电条板的左端超出第四绝缘条板的左端；第六导电条板沿横向贴附于第四绝缘条板上的沉槽内，且第六导电条板的右端超出第四绝缘条板的右端；第五导电条板的右端和第六导电条板的左端之间留有绝缘距离；

第一至第四场效应管由左向右固定于矩形基板的上板面，且第一至第四场效应管均位于第一绝缘条板和第二绝缘条板之间；第五至第八场效应管由左向右固定于矩形基板的上板面，且第五至第八场效应管均位于第三绝缘条板和第四绝缘条板之间；

第一导电条片的两端分别与第一导电条板、第一场效应管的漏极连接；第二导电条片的两端分别与第一导电条板、第二场效应管的漏极连接；第三导电条片的两端分别与第二导电条板、第三场效应管的源极连接；第四导电条片的两端分别与第二导电条板、第四场效应管的源极连接；第五导电条片的两端分别与第一场效应管的源极、第三导电条板连接；第六导电条片的两端分别与第二场效应管的源极、第三导电条板连接；第七导电条片的两端分别与第三场效应管的漏极、第三导电条板连接；第八导电条片的两端分别与第四场效应管的漏极、第三导电条板连接；第九导电条片的两端分别与第四导电条板、第五场效应管的源极连接；第十导电条片的两端分别与第四导电条板、第六场效应管的源极连接；第十一导电条片的两端分别与第四导电条板、第七场效应管的漏极连接；第十二导电条片的两端分别与第四导电条板、第八场效应管的漏极连接；第十三导电条片的两端分别与第五场效应管的漏极、第五导电条板连接；第十四导电条片的两端分别与第六场效应管的漏极、第五导电条板连接；第十五导电条片的两端分别与第七场效应管的源极、第六导电条板连接；第十六导电条片的两端分别与第八场效应管的源极、第六导电条板连接；

所述控制部分包括第一BNC接头、隔离电路、第五电阻、开关电路、第二至第五BNC接头、第一电容、第二电容、三端稳压器；

所述隔离电路包括第一至第四电阻、放大器；

所述开关电路包括第六至第十三电阻、第一至第四模拟开关芯片；

第一BNC接头的正极通过第一电阻与放大器的正输入端连接；第二电阻的一端接地，另一端与放大器的正输入端连接；第一BNC接头的负极通过第三电阻与放大器的负输入端连接；第四电阻的一端接地，另一端与放大器的负输入端连接；

放大器的正供电端与+15V电源端连接；放大器的负供电端与-15V电源端连接；放大器的输出端通过第五电阻分别与第一至第四模拟开关芯片的输入端连接；

第一模拟开关芯片的接地端通过第六电阻接地；第一模拟开关芯片的常开端与+15V电源端连接；第一模拟开关芯片的常闭端接地；第一模拟开关芯片的正供电端与+15V电源端连接；第一模拟开关芯片的负供电端与-15V电源端连接；第一模拟开关芯片的输出端与第二BNC接头的正极连接；第二BNC接头的正极分别与第一场效应管的栅极、第二场效应管的栅极连接；第二BNC接头的负极一方面通过第七电阻接地，另一方面分别与第一场效应管的源极、第二场效应管的源极连接；

第二模拟开关芯片的接地端通过第八电阻接地；第二模拟开关芯片的常开端与+15V电源端连接；第二模拟开关芯片的常闭端接地；第二模拟开关芯片的正供电端与+15V电源端连接；第二模拟开关芯片的负供电端与-15V电源端连接；第二模拟开关芯片的输出端与第三BNC接头的正极连接；第三BNC接头的正极分别与第七场效应管的栅极、第八场效应管的栅极连接；第三BNC接头的负极一方面通过第九电阻接地，另一方面分别与第七场效应管的源极、第八场效应管的源极连接；

第三模拟开关芯片的接地端通过第十电阻接地；第三模拟开关芯片的常开端接地；第三模拟开关芯片的常闭端与+15V电源端连接；第三模拟开关芯片的正供电端与+15V电源端连接；第三模拟开关芯片的负供电端与-15V电源端连接；第三模拟开关芯片的输出端与第四BNC接头的正极连接；第四BNC接头的正极分别与第五场效应管的栅极、第六场效应管的栅极连接；第四BNC接头的负极一方面通过第十一电阻接地，另一方面分别与第五场效应管的源极、第六场效应管的源极连接；

第四模拟开关芯片的接地端通过第十二电阻接地；第四模拟开关芯片的常开端接地；第四模拟开关芯片的常闭端与+15V电源端连接；第四模拟开关芯片的正供电端与+15V电源端连接；第四模拟开关芯片的负供电端与-15V电源端连接；第四模拟开关芯片的输出端与第五BNC接头的正极连接；第五BNC接头的正极分别与第三场效应管的栅极、第四场效应管的栅极连接；第五BNC接头的负极一方面通过第十三电阻接地，另一方面分别与第三场效应管的源极、第四场效应管的源极连接；

三端稳压器的输入端与+15V电源端连接；三端稳压器的输出端分别与第一至第四模拟开关芯片的参考电压端连接；三端稳压器的公共端接地；第一电容的一端接地，另一端与三端稳压器的输入端连接；第二电容的一端接地，另一端与三端稳压器的输出端连接。

矩形基板的内部开设有水冷通道；水冷通道的两端均贯通矩形基板的右端面，且水冷通道的两端各安装有一个水冷接口。

所述矩形基板采用铝制成；所述第一至第四绝缘条板均采用环氧树脂制成；所述第一至第六导电条板、第一至第十六导电条片均采用紫铜制成。

所述放大器为INA114型放大器；所述第一至第四模拟开关芯片均为MAX319型模拟开关芯片；所述三端稳压器为LM7805型三端稳压器。

工作时，第一导电条板的左端、第五导电条板的左端均与直流励磁电源的正极连接。第二导电条板的右端、第六导电条板的右端均与直流励磁电源的负极连接。第三导电条板的左端、第四导电条板的左端分别与亥姆霍兹线圈的两端连接。第一BNC接头与信号发生器的输出端连接。信号发生器输出的控制信号依次经第一BNC接头、隔离电路、第五电阻传输至开关电路。

具体工作过程如下：一、当控制信号为高电平时：第一模拟开关芯片的常开端与输出端接通，使得第一模拟开关芯片的输出端为高电平，由此使得第一场效应管、第二场效应管均导通。第二模拟开关芯片的常开端与输出端接通，使得第二模拟开关芯片的输出端为高电平，由此使得第七场效应管、第八场效应管均导通。第三模拟开关芯片的常开端与输出端接通，使得第三模拟开关芯片的输出端为低电平，由此使得第五场效应管、第六场效应管均截止。第四模拟开关芯片的常开端与输出端接通，使得第四模拟开关芯片的输出端为低电平，由此使得第三场效应管、第四场效应管均截止。此时，电流从直流励磁电源的正极出发，依次流经第一导电条板、第一导电条片（第二导电条片）、第一场效应管（第二场效应管）、第五导电条片（第六导电条片）、第三导电条板、亥姆霍兹线圈、第四导电条板、第十一导电条片（第十二导电条片）、第七场效应管（第八场效应管）、第十五导电条片（第十六导电条片）、第六导电条板，然后回到直流励磁电源的负极，由此使得亥姆霍兹线圈产生正向磁场。二、当控制信号为低电平时：第一模拟开关芯片的常闭端与输出端接通，使得第一模拟开关芯片的输出端为低电平，由此使得第一场效应管、第二场效应管均截止。第二模拟开关芯片的常闭端与输出端接通，使得第二模拟开关芯片的输出端为低电平，由此使得第七场效应管、第八场效应管均截止。第三模拟开关芯片的常闭端与输出端接通，使得第三模拟开关芯片的输出端为高电平，由此使得第五场效应管、第六场效应管均导通。第四模拟开关芯片的常闭端与输出端接通，使得第四模拟开关芯片的输出端为高电平，由此使得第三场效应管、第四场效应管均导通。此时，电流从直流励磁电源的正极出发，依次流经第五导电条板、第十三导电条片（第十四导电条片）、第五场效应管（第六场效应管）、第九导电条片（第十导电条片）、第四导电条板、亥姆霍兹线圈、第三导电条板、第七导电条片（第八导电条片）、第三场效应管（第四场效应管）、第三导电条片（第四导电条片）、第二导电条板，然后回到直流励磁电源的负极，由此使得亥姆霍兹线圈产生反向磁场。因此，只需改变控制信号的电平，即可快速改变亥姆霍兹线圈中的电流方向，由此快速切换亥姆霍兹线圈产生的磁场方向。在上述过程中，冷却水依次流经第一个水冷接口、水冷通道、第二个水冷接口，由此对第一至第八场效应管进行散热。

基于上述过程，与现有磁场方向切换技术相比，本发明所述的一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置基于全新原理，实现了在不关闭直流励磁电源的前提下快速切换亥姆霍兹线圈产生的磁场方向，由此具备了如下优点：其一，本发明无需关闭直流励磁电源，即可切换亥姆霍兹线圈产生的磁场方向，由此显著提高了切换速度。其二，本发明省去了手动操作过程，由此消除了触电隐患，从而显著提高了操作安全性。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有磁场方向切换技术切换速度慢、操作安全性差的问题，适用于磁场方向切换。

附图说明

图1是本发明中主体部分的结构示意图。

图2是本发明中控制部分的电路原理图。

图中：1-矩形基板，201-第一绝缘条板，202-第二绝缘条板，203-第三绝缘条板，204-第四绝缘条板，301-第一导电条板，302-第二导电条板，303-第三导电条板，304-第四导电条板，305-第五导电条板，306-第六导电条板，401-第一场效应管，402-第二场效应管，403-第三场效应管，404-第四场效应管，405-第五场效应管，406-第六场效应管，407-第七场效应管，408-第八场效应管，501-第一导电条片，502-第二导电条片，503-第三导电条片，504-第四导电条片，505-第五导电条片，506-第六导电条片，507-第七导电条片，508-第八导电条片，509-第九导电条片，510-第十导电条片，511-第十一导电条片，512-第十二导电条片，513-第十三导电条片，514-第十四导电条片，515-第十五导电条片，516-第十六导电条片，6-水冷接口。

具体实施方式

一种适用于亥姆霍兹线圈的磁场方向快速切换装置，包括主体部分和控制部分；

所述主体部分包括矩形基板1、第一至第四绝缘条板201~204、第一至第六导电条板301~306、第一至第八场效应管401~408、第一至第十六导电条片501~516；

第一至第四绝缘条板201~204均沿横向贴附于矩形基板1的上板面，且第一至第四绝缘条板201~204呈平行排列；第一至第四绝缘条板201~204的左端均与矩形基板1的左边缘齐平；第一至第四绝缘条板201~204的右端均与矩形基板1的右边缘齐平；第一至第四绝缘条板201~204的上板面各沿横向开设有一道左右贯通的沉槽；

第一导电条板301沿横向贴附于第一绝缘条板201上的沉槽内，且第一导电条板301的左端超出第一绝缘条板201的左端；第二导电条板302沿横向贴附于第一绝缘条板201上的沉槽内，且第二导电条板302的右端超出第一绝缘条板201的右端；第一导电条板301的右端和第二导电条板302的左端之间留有绝缘距离；第三导电条板303沿横向贴附于第二绝缘条板202上的沉槽内；第三导电条板303的左端超出第二绝缘条板202的左端；第三导电条板303的右端与第二绝缘条板202的右端齐平；第四导电条板304沿横向贴附于第三绝缘条板203上的沉槽内；第四导电条板304的左端超出第三绝缘条板203的左端；第四导电条板304的右端与第三绝缘条板203的右端齐平；第五导电条板305沿横向贴附于第四绝缘条板204上的沉槽内，且第五导电条板305的左端超出第四绝缘条板204的左端；第六导电条板306沿横向贴附于第四绝缘条板204上的沉槽内，且第六导电条板306的右端超出第四绝缘条板204的右端；第五导电条板305的右端和第六导电条板306的左端之间留有绝缘距离；

第一至第四场效应管401~404由左向右固定于矩形基板1的上板面，且第一至第四场效应管401~404均位于第一绝缘条板201和第二绝缘条板202之间；第五至第八场效应管405~408由左向右固定于矩形基板1的上板面，且第五至第八场效应管405~408均位于第三绝缘条板203和第四绝缘条板204之间；

第一导电条片501的两端分别与第一导电条板301、第一场效应管401的漏极连接；第二导电条片502的两端分别与第一导电条板301、第二场效应管402的漏极连接；第三导电条片503的两端分别与第二导电条板302、第三场效应管403的源极连接；第四导电条片504的两端分别与第二导电条板302、第四场效应管404的源极连接；第五导电条片505的两端分别与第一场效应管401的源极、第三导电条板303连接；第六导电条片506的两端分别与第二场效应管402的源极、第三导电条板303连接；第七导电条片507的两端分别与第三场效应管403的漏极、第三导电条板303连接；第八导电条片508的两端分别与第四场效应管404的漏极、第三导电条板303连接；第九导电条片509的两端分别与第四导电条板304、第五场效应管405的源极连接；第十导电条片510的两端分别与第四导电条板304、第六场效应管406的源极连接；第十一导电条片511的两端分别与第四导电条板304、第七场效应管407的漏极连接；第十二导电条片512的两端分别与第四导电条板304、第八场效应管408的漏极连接；第十三导电条片513的两端分别与第五场效应管405的漏极、第五导电条板305连接；第十四导电条片514的两端分别与第六场效应管406的漏极、第五导电条板305连接；第十五导电条片515的两端分别与第七场效应管407的源极、第六导电条板306连接；第十六导电条片516的两端分别与第八场效应管408的源极、第六导电条板306连接；

所述控制部分包括第一BNC接头J1、隔离电路、第五电阻R5、开关电路、第二至第五BNC接头J2~J5、第一电容C1、第二电容C2、三端稳压器H；

所述隔离电路包括第一至第四电阻R1~R4、放大器U；

所述开关电路包括第六至第十三电阻R6~R13、第一至第四模拟开关芯片T1~T4；

第一BNC接头J1的正极通过第一电阻R1与放大器U的正输入端连接；第二电阻R2的一端接地，另一端与放大器U的正输入端连接；第一BNC接头J1的负极通过第三电阻R3与放大器U的负输入端连接；第四电阻R4的一端接地，另一端与放大器U的负输入端连接；

放大器U的正供电端与+15V电源端连接；放大器U的负供电端与-15V电源端连接；放大器U的输出端通过第五电阻R5分别与第一至第四模拟开关芯片T1~T4的输入端连接；

第一模拟开关芯片T1的接地端通过第六电阻R6接地；第一模拟开关芯片T1的常开端与+15V电源端连接；第一模拟开关芯片T1的常闭端接地；第一模拟开关芯片T1的正供电端与+15V电源端连接；第一模拟开关芯片T1的负供电端与-15V电源端连接；第一模拟开关芯片T1的输出端与第二BNC接头J2的正极连接；第二BNC接头J2的正极分别与第一场效应管401的栅极、第二场效应管402的栅极连接；第二BNC接头J2的负极一方面通过第七电阻R7接地，另一方面分别与第一场效应管401的源极、第二场效应管402的源极连接；

第二模拟开关芯片T2的接地端通过第八电阻R8接地；第二模拟开关芯片T2的常开端与+15V电源端连接；第二模拟开关芯片T2的常闭端接地；第二模拟开关芯片T2的正供电端与+15V电源端连接；第二模拟开关芯片T2的负供电端与-15V电源端连接；第二模拟开关芯片T2的输出端与第三BNC接头J3的正极连接；第三BNC接头J3的正极分别与第七场效应管407的栅极、第八场效应管408的栅极连接；第三BNC接头J3的负极一方面通过第九电阻R9接地，另一方面分别与第七场效应管407的源极、第八场效应管408的源极连接；

第三模拟开关芯片T3的接地端通过第十电阻R10接地；第三模拟开关芯片T3的常开端接地；第三模拟开关芯片T3的常闭端与+15V电源端连接；第三模拟开关芯片T3的正供电端与+15V电源端连接；第三模拟开关芯片T3的负供电端与-15V电源端连接；第三模拟开关芯片T3的输出端与第四BNC接头J4的正极连接；第四BNC接头J4的正极分别与第五场效应管405的栅极、第六场效应管406的栅极连接；第四BNC接头J4的负极一方面通过第十一电阻R11接地，另一方面分别与第五场效应管405的源极、第六场效应管406的源极连接；

第四模拟开关芯片T4的接地端通过第十二电阻R12接地；第四模拟开关芯片T4的常开端接地；第四模拟开关芯片T4的常闭端与+15V电源端连接；第四模拟开关芯片T4的正供电端与+15V电源端连接；第四模拟开关芯片T4的负供电端与-15V电源端连接；第四模拟开关芯片T4的输出端与第五BNC接头J5的正极连接；第五BNC接头J5的正极分别与第三场效应管403的栅极、第四场效应管404的栅极连接；第五BNC接头J5的负极一方面通过第十三电阻R13接地，另一方面分别与第三场效应管403的源极、第四场效应管404的源极连接；

三端稳压器H的输入端与+15V电源端连接；三端稳压器H的输出端分别与第一至第四模拟开关芯片T1~T4的参考电压端连接；三端稳压器H的公共端接地；第一电容C1的一端接地，另一端与三端稳压器H的输入端连接；第二电容C2的一端接地，另一端与三端稳压器H的输出端连接。

矩形基板1的内部开设有水冷通道；水冷通道的两端均贯通矩形基板1的右端面，且水冷通道的两端各安装有一个水冷接口6。

所述矩形基板1采用铝制成；所述第一至第四绝缘条板201~204均采用环氧树脂制成；所述第一至第六导电条板301~306、第一至第十六导电条片501~516均采用紫铜制成。

所述放大器U为INA114型放大器；所述第一至第四模拟开关芯片T1~T4均为MAX319型模拟开关芯片；所述三端稳压器H为LM7805型三端稳压器。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。