电子束控制线圈磁场检测系统及其检测方法与流程

1.本发明涉及线圈磁场测量技术领域，特别是涉及一种电子束控制线圈磁场检测系统及其检测方法。


背景技术：

2.电子束发生装置是一种高性能的加热设备，电子束经发射后通常需要经过长距离传输，电子束中的电子带负电荷，相互之间的斥力会使得传输过程中的电子束很快发散，进而被金属组件截获导致热传递，给系统造成一定的危害。为了获得高质量的电子束，需要在电子束的传输过程中对电子束进行约束。
3.聚焦磁场线圈是实现稳定传输高质量电子束的重要途径，其性能决定了电子的聚焦性和能量稳定性。扫描线圈工作原理是利用磁场对电子的偏转作用，使电子束在电场和磁场的双重作用下发生可控偏转。因此对电子束控制磁场线圈(聚焦线圈、扫描线圈)的磁场特性测试分析有助于对电子束能量系统进行调整，为后续线圈磁场的一致性提供判断依据。
4.目前，线圈的磁场检测手段主要采用霍尔效应制成的高斯计进行测试，利用手动移动霍尔探针的方式测试聚焦线圈和扫描线圈内部的磁场值，但受限于测试点定位精度和测试效率的问题，手动测试主要适用于线圈轴向或径向方向的直线扫描，无法准确分析线圈内部整体的磁场分布情况。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的无法精确分析线圈内部整体的磁场分布情况的问题，而提供一种电子束控制线圈磁场检测系统。
6.本发明的另一方面是提供所述电子束控制线圈磁场检测系统的检测方法。
7.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
8.一种电子束控制线圈磁场检测系统，包括无磁光学平台、电子束控制线圈、设置于所述无磁光学平台上的多维电控位移模块、受所述多维电控位移模块驱动在所述电子束控制线圈产生的磁场内移动的磁场测量传感器以及与所述磁场测量传感器通讯连接的测试控制器，其中：
9.所述多维电控位移模块包括五维电控位移平台和控制五维电控位移平台中各电机移动的电机控制器，所述五维电控位移平台安装固定于无磁光学平台上，所述五维电控位移平台包括驱动所述磁场测量传感器在笛卡尔坐标系下进行x轴、y轴、z轴三维直线运动的三维电控平移台、驱动所述磁场测量传感器在笛卡尔坐标系下绕z轴旋转的电控旋转台w轴以及调整所述磁场测量传感器旋转半径的电控平移台u轴，所述磁场测量传感器固定于所述电控平移台u轴的台面上。
10.在上述技术方案中，三维电控平移台包括电控平移台x轴、电控平移台y轴和电控平移台z轴，所述电控旋转台w轴固定于所述电控平移台z轴的台面上，电控平移台u轴安装
于所述电控旋转台w轴的台面上，所述磁场测量传感器通过夹具固定于所述电控平移台u轴的台面上。
11.在上述技术方案中，所述电机控制器包括运动控制主板和步进电机驱动器，运动控制主板分别与控制模块、步进电机驱动器通讯连接。
12.在上述技术方案中，电子束控制线圈通过定位工装安装于无磁光学平台的台面上，由直流稳压电源输出稳定的dc电流驱动。
13.在上述技术方案中，所述磁场测量传感器为三轴霍尔探针，所述测试控制器为三轴高斯计。
14.在上述技术方案中，所述电子束控制线圈磁场检测系统还包括主控模块，所述主控模块分别与所述电机控制器和测试控制器通讯连接。
15.在上述技术方案中，所述电子束控制线圈包括磁场线圈以及与其电连接的磁场线圈电源，所述磁场线圈包括聚焦线圈和扫描线圈。
16.在上述技术方案中，所述电控平移台x轴包括第一步进电机、第一底板、第一传动丝杠、第一传动导轨和第一滑块，两根第一传动导轨固定于所述第一底板上，所述第一底板固定于所述无磁光学平台上，第一步进电机通过联轴器与所述第一传动丝杠连接以带动第一传动丝杠旋转，所述第一滑块通过滚珠与第一传动丝杠组成传动机构，所述第一滑块在第一传动丝杠的带动下在第一传动导轨上自由滑动，以实现在笛卡尔坐标系下沿水平面x轴方向的平移运动。
17.在上述技术方案中，所述电控平移台y轴包括第二步进电机、第二底板、第二传动丝杠、第二传动导轨和第二滑块，两根第二传动导轨固定于第二底板上，所述第二底板固定于所述第一滑块上，第二步进电机通过联轴器与第二传动丝杠连接以带动第二传动丝杠旋转，所述第二滑块通过滚珠与第二传动丝杠组成传动机构，所述第二滑块在第二传动丝杠的带动下在第二传动导轨上自由滑动，以实现在笛卡尔坐标系下沿水平面y轴方向的平移运动。
18.在上述技术方案中，所述电控平移台z轴包括第三底板、四支柱传动导轨、第三传动丝杠、第三滑块、顶板和第三步进电机装配而成，四根支柱传动导轨固定于第三底板和顶板之间，所述第三底板固定于所述第二滑块上，第三步进电机通过联轴器与第三传动丝杠连接以带动第三传动丝杠旋转，第三滑块通过滚珠与第三传动丝杠组成传动机构，所述第三滑块在第三传动丝杠的带动下在四支柱传动导轨上自由滑动，实现在笛卡尔坐标系下沿竖直面z轴方向的平移运动。
19.在上述技术方案中，所述电控旋转台w轴包括第四步进电机、涡轮蜗杆传动机构和旋转台面，所述涡轮蜗杆传动机构的定位面固定于所述第三滑块上，第四步进电机通过联轴器带动涡轮蜗杆传动机构中的蜗杆旋转，从而带动与涡轮蜗杆传动机构的涡轮连接的旋转台面转动，实现在笛卡尔坐标系下绕竖直面z轴方向的旋转运动。
20.在上述技术方案中，所述电控平移台u轴包括第五步进电机、第五底板、第五传动丝杠、第五传动导轨和第五滑块，两根第五传动导轨固定于第五底板上，所述第五底板固定于所述旋转台面上，第五步进电机通过联轴器与第五传动丝杠连接以带动第五传动丝杠旋转，第五滑块通过滚珠与第五传动丝杠组成传动机构，在第五传动丝杠的带动下第五滑块在第五传动导轨上自由滑动。
21.在上述技术方案中，当第五滑块处于u轴零点位置时，固定三轴霍尔探针的夹具轴线与电控旋转台w轴旋转轴线重合，当第五滑块处于u＝u位置时，三轴霍尔探针夹具会以w轴旋转轴线为圆心、以长度u为半径，在w轴的带动下进行圆周运动。
22.本发明的另一方面，所述电子束控制线圈磁场检测系统进行磁场分布扫描的方法，其特征在于，包括以下步骤：
23.步骤1，将所述五维电控位移平台中的各电机连接至所述电机控制器，将所述磁场测量传感器连接至所述测试控制器；
24.步骤2，测试控制器、电机控制器上电工作；
25.步骤3，运行主控模块，建立主控模块与测试控制器、电机控制器的串口通讯连接；
26.步骤4，通过主控模块，分别控制电控平移台x轴、电控平移台y轴、电控平移台z轴将磁场测量传感器移动至被测的电子束控制线圈的初始位置；
27.步骤5，根据所需的扫描维度选择合适的控制方式：
28.(1)如果进行二维扫描，进入线的扫描控制方式，根据扫描形状选择运动轴，如需进行直线扫描，则设置电控平移台x轴或电控平移台y轴或电控平移台z轴的运行参数；如需进行曲线扫描，则设置电控旋转台w轴的运行参数；
29.(2)如果进行三维扫描，进入面的扫描控制方式，根据扫描形状选择运动轴组合形式，如需进行矩形面扫描，则设置电控平移台x轴和电控平移台y轴、或电控平移台x轴和电控平移台z轴、或电控平移台y轴和电控平移台z轴的运行参数；如需进行圆平面扫描，则设置电控旋转台w轴和电控平移台u轴的运行参数；如需进行圆柱面扫描，则设置电控旋转台w轴和电控平移台z轴的运行参数；
30.步骤6，完成步骤5中参数设置后，执行自动扫描流程：主控模块会按照设定的参数自动控制五维电控位移平台执行扫描轨迹，并在扫描过程中自动保存位移坐标和对应的磁场数据；
31.步骤7，扫描流程结束，主控模块进行数据处理：
32.(1)在主控模块的数据绘图单元中，根据扫描维度进行数据绘图操作，如进行线的扫描则进行二维数据绘图；如进行面的扫描则进行三维数据绘图，绘图操作可表征磁场随位移的变化趋势，也可表征磁场在空间内的立体分布情况；
33.(2)在主控模块的数据查看单元中，可将测试数据导出至excel表格中，以进行数据的保存和进一步的分析；
34.步骤8，本次测试过程结束后，根据需要选择下一步操作：
35.(1)如需进行下一次测试，则返回至步骤4，调整磁场测量传感器初始位置后重新测试；
36.(2)如不需再进行其他的测试，则关闭控制模块，将测试控制器和电机控制器断电，结束测试。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.1.本发明的检测系统利用磁场测量设备和自动化电控位移系统，结合上位机控制软件，对不同形状区域进行自动化磁场扫描，得出较为全面的磁场测量数据和磁场空间分布图，为解决电子束能量系统的优化提供了重要理论依据，具有典型的工程实践指导意义。
39.2.本发明采用的多维电控位移系统具有空间四个平移自动度和一个旋转自由度，
一方面丰富了扫描范围，可实现直线、矩形区域、圆形区域、圆柱形区域的扫描；另一方面，通过机械结构部件选型，采用滚珠丝杠与蜗轮蜗杆减速机配合使用，提高了扫描过程中的定位精度，保证了测试数据的准确性。
40.3.本发明采用的高斯计为高精度高灵敏度三轴高斯计，一方面，可同时测量空间某点三个方向的磁场强度，相比单轴高斯计每次只能测试一个方向的磁场强度，提高了测试效率；另一方面，三轴霍尔探针体积小，直径仅为2mm，有利于提高空间狭小范围内测试的灵活度，有源区小，直径仅为0.15mm，有利于提供空间磁场测量的灵敏度。
41.4.本发明采用的主控模块(上位机中的控制软件)同时兼备磁场数据采集和位移控制功能，可实现扫描过程的自动化控制，无需人工看管，提高了测试效率；测试数据的自动化管理可实现数据的实时显示、数据绘图、数据存储、数据导出等功能，方便后期的试验数据分析。
附图说明
42.图1为电子束控制线圈磁场检测系统的结构示意图；
43.图2为电子束控制线圈磁场自动化检测的流程。
44.图中：1-无磁光学平台，2-电控平移台x轴步进电机，3-电控平移台x轴底板，4-电控平移台x轴传动丝杠，5-电控平移台x轴传动导轨，6-电控平移台x轴滑块，7-电控平移台y轴底板，8-电控平移台y轴传动导轨，9-电控平移台y轴滑块，10-电控平移台y轴传动丝杠，11-电控平移台y轴步进电机，12-电控平移台z轴底板，13-电控平移台z轴四支柱传动导轨，14-电控平移台z轴传动丝杠，15-电控平移台z轴滑块，16-电控平移台z轴顶板，17-电控平移台z轴步进电机，18-电控旋转台w轴步进电机，19-电控旋转台w轴涡轮蜗杆传动机构，20-电控旋转台w轴旋转台面，21-电控平移台u轴步进电机，22-电控平移台u轴底板，23-电控平移台u轴传动丝杠，24-电控平移台u轴传动导轨，25-电控平移台u轴滑块，26-三轴霍尔探针夹具，27-三轴霍尔探针，28-电子束控制线圈。
具体实施方式
45.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.实施例1
47.一种电子束控制线圈磁场检测系统，包括无磁光学平台1、电子束控制线圈、设置于所述无磁光学平台1上的多维电控位移模块、受所述多维电控位移模块驱动在所述电子束控制线圈产生的磁场内移动的磁场测量传感器以及与所述磁场测量传感器通讯连接的测试控制器，其中：
48.所述多维电控位移模块包括五维电控位移平台和控制五维电控位移平台中各电机移动的电机控制器，所述五维电控位移平台安装固定于无磁光学平台上，所述五维电控位移平台包括驱动所述磁场测量传感器在笛卡尔坐标系下进行x轴、y轴、z轴三维直线运动的三维电控平移台、驱动所述磁场测量传感器在笛卡尔坐标系下绕z轴旋转的电控旋转台w轴以及调整所述磁场测量传感器旋转半径的电控平移台u轴，所述磁场测量传感器固定于所述电控平移台u轴的台面上。
49.电机控制器控制五维电控位移平台中五个轴上的运动，从而调控磁场测量传感器的运动轨迹，磁场测量传感器在运动过程中将感测的信号传递给测试控制器，测试控制器计算输出数据。
50.作为优选的，三维电控平移台包括电控平移台x轴、电控平移台y轴和电控平移台z轴，所述电控旋转台w轴固定于所述电控平移台z轴的台面上，电控平移台u轴安装于所述电控旋转台w轴的台面上，所述磁场测量传感器通过夹具26固定于所述电控平移台u轴的台面上。
51.作为优选的，所述电机控制器包括运动控制主板和步进电机驱动器，运动控制主板分别与上位机、步进电机驱动器通讯连接。所述运动控制主板具有与上位机软件的串口通讯功能，所述运动控制主板接收到上位机的控制指令后发送指定个数pwm脉冲至所述步进电机驱动器，以驱动五个轴上的步进电机旋转，从而带动所述五维电控位移平台中的平移台移动或旋转台旋转。
52.作为优选的，电子束控制线圈28通过定位工装安装于无磁光学平台1的台面上，由直流稳压电源输出稳定的dc电流驱动，产生磁场。
53.作为优选的，所述磁场测量传感器为三轴霍尔探针，所述测试控制器为三轴高斯计。三轴霍尔探针采用霍尔效应原理制成，包含空间正交的三个霍尔芯片，可同时测量空间某点三个方向的磁场。所述三轴霍尔探针作为磁场测量传感器通过夹具固定于五维电控位移平台中u轴台面上，并放置于磁场线圈内部。三轴高斯计为三轴霍尔探针提供稳定的工作电流，并采集、解析三轴霍尔探针在磁场中产生的霍尔电压信号，将其转换为磁场信号，将读数显示于前面板液晶屏上。
54.具体的，三轴霍尔探针27和三轴高斯计通过屏蔽线缆连接，三轴高斯计以恒流模式为三个霍尔芯片提供2～10ma工作电流，三轴霍尔探针27的三个霍尔芯片在磁场中由霍尔效应产生与磁场强度成线性关系的霍尔电压；高斯计放大滤波电路对霍尔探头输出的原始电压信号进行放大和滤波处理，经过ad采集电路后转换为数字信号进入cpu；cpu根据每个霍尔芯片的校准数据(磁场-电压对应关系)计算各通道测量的磁场强度数据，并通过串口将三个通道的磁场数据、频率数据上传至上位机。
55.作为优选的，所述自动化检测系统还包括主控模块，所述主控模块分别与所述电机控制器和测试控制器通讯连接。电机控制器将五维电控位移平台的实时位置坐标反馈至主控模块，供主控模块显示、存储，主控模块控制五维电控位移平台带动三轴霍尔探针按照用户设置的路径进行自动化扫描运动，并在此过程中通过串口采集三轴高斯计上传的磁场数据，将磁场数据及五维电控位移平台的坐标数据结合起来进行保存、显示，并利用其进行二维、三维绘图等操作。
56.作为优选的，所述电子束控制线圈包括磁场线圈以及与其电连接的磁场线圈电源，所述磁场线圈包括聚焦线圈和扫描线圈。所述磁场线圈电源为聚焦线圈和扫描线圈提供稳定的工作电流，驱动线圈产生磁场。聚焦线圈和扫描线圈两种线圈的扫描方式均为按照圆形轨迹扫描，最终采集回来的数据，用不同的方法处理，聚焦线圈主要关注每个点数值的一致性，具体为磁感应强度大小的波动和绝对值的比例。扫描线圈主要关注磁感应强度最大值和0之间的角度，与90度比较，看差值大小。
57.实施例2
58.作为优选的，所述电控平移台x轴包括第一步进电机2、第一底板3、第一传动丝杠4、第一传动导轨5和第一滑块6，两根第一传动导轨5固定于所述第一底板3上，所述第一底板3固定于所述无磁光学平台1上，第一步进电机2通过联轴器与所述第一传动丝杠4连接以带动第一传动丝杠4旋转，所述第一滑块6通过滚珠与第一传动丝杠4组成传动机构，所述第一滑块6在第一传动丝杠4的带动下在第一传动导轨5上自由滑动，以实现在笛卡尔坐标系下沿水平面x轴方向的平移运动。电控平移台x轴的第一底板3与无磁光学平台1的台面通过螺钉固定连接。
59.所述电控平移台y轴包括第二步进电机11、第二底板7、第二传动丝杠10、第二传动导轨8和第二滑块9，两根第二传动导轨8固定于第二底板7上，所述第二底板7固定于所述第一滑块6上，第二步进电机11通过联轴器与第二传动丝杠10连接以带动第二传动丝杠10旋转，所述第二滑块9通过滚珠与第二传动丝杠10组成传动机构，所述第二滑块9在第二传动丝杠10的带动下在第二传动导轨8上自由滑动，以实现在笛卡尔坐标系下沿水平面y轴方向的平移运动。电控平移台y轴的第二底板7与电控平移台x轴的第一滑块6台面通过螺钉固定连接。
60.所述电控平移台z轴包括第三底板12、四支柱传动导轨13、第三传动丝杠14、第三滑块15、顶板16和第三步进电机17装配而成，四根支柱传动导轨13固定于第三底板12和顶板16之间，所述第三底板12固定于所述第二滑块9上，第三步进电机17通过联轴器与第三传动丝杠14连接以带动第三传动丝杠14旋转，第三滑块15通过滚珠与第三传动丝杠14组成传动机构，所述第三滑块15在第三传动丝杠14的带动下在四支柱传动导轨13上自由滑动，实现在笛卡尔坐标系下沿竖直面z轴方向的平移运动。电控平移台z轴的第三底板12与电控平移台y轴的第二滑块9台面通过螺钉固定连接。
61.所述电控旋转台w轴包括第四步进电机18、涡轮蜗杆传动机构19和旋转台面20，所述涡轮蜗杆传动机构19的定位面固定于所述第三滑块15上，第四步进电机18通过联轴器带动涡轮蜗杆传动机构19中的蜗杆旋转，从而带动与涡轮蜗杆传动机构19的涡轮连接的旋转台面20转动，实现在笛卡尔坐标系下绕竖直面z轴方向的旋转运动。电控旋转台w轴的涡轮蜗杆传动机构19通过螺钉固定于电控平移台z轴的第三滑块15伸出的延长臂上。
62.所述电控平移台u轴包括第五步进电机21、第五底板22、第五传动丝杠23、第五传动导轨24和第五滑块25，两根第五传动导轨24固定于第五底板22上，所述第五底板22固定于所述旋转台面20上，第五步进电机21通过联轴器与第五传动丝杠23连接以带动第五传动丝杠23旋转，第五滑块25通过滚珠与第五传动丝杠23组成传动机构，在第五传动丝杠23的带动下第五滑块25在第五传动导轨24上自由滑动。电控平移台u轴的第五底板22与电控旋转台w轴的旋转台面20通过螺钉固定连接。
63.所述夹具26安装固定于第五滑块25的台面上，当第五滑块25处于u轴零点位置时，固定三轴霍尔探针的夹具26轴线与电控旋转台w轴旋转轴线重合，当第五滑块25处于u＝u0位置时，三轴霍尔探针夹具会以w轴旋转轴线为圆心、以长度u0为半径，在w轴的带动下进行圆周运动。
64.实施例3
65.如图2所示，采取上述电子束控制线圈磁场检测系统进行聚焦线圈、扫描线圈磁场分布扫描的方法具体如下。
66.步骤1，将所述五维电控位移平台中的各电机连接至所述电机控制器，将所述磁场测量传感器连接至所述测试控制器
67.将电控平移台x轴步进电机2、电控平移台y轴步进电机11、电控平移台z轴步进电机17、电控旋转台w轴步进电机18、电控平移台u轴步进电机21通过屏蔽线缆连接至电机控制器；将磁场测量传感器(三轴霍尔探针27)通过屏蔽线缆连接至测试控制器(三轴高斯计)。
68.步骤2，将测试控制器(三轴高斯计)、电机控制器上电工作。
69.步骤3，运行主控模块(上位机)控制软件，建立软件与测试控制器(三轴高斯计)、电机控制器的串口通讯连接。
70.步骤4，操作主控模块(上位机)控制软件，通过分别控制电控平移台x轴、y轴、z轴将磁场测量传感器(三轴霍尔探针27)移动至被测线圈初始位置。
71.步骤5，根据所需的扫描维度选择合适的控制方式：
72.(1)如果进行二维扫描，进入线的扫描控制方式，根据扫描形状选择运动轴，如需进行直线扫描，则设置电控平移台x轴或电控平移台y轴或电控平移台z轴的运行参数；如需进行曲线扫描，则设置电控旋转台w轴的运行参数；
73.(2)如果进行三维扫描，进入面的扫描控制方式，根据扫描形状选择运动轴组合形式，如需进行矩形面扫描，则设置电控平移台x轴和电控平移台y轴(水平面)或电控平移台x轴和电控平移台z轴(竖直面)或电控平移台y轴和电控平移台z轴(竖直面)的运行参数；如需进行圆平面扫描，则设置电控旋转台w轴和电控平移台u轴的运行参数；如需进行圆柱面扫描，则设置电控旋转台w轴和电控平移台z轴的运行参数。
74.步骤6、完成扫描参数设置后，执行自动扫描流程。主控模块(上位机)会按照设定的参数自动控制五维电控位移平台执行扫描轨迹，并在扫描过程中自动保存位移坐标和对应的磁场数据。
75.步骤7、扫描流程结束后进行上位机软件数据管理界面：
76.(1)在数据绘图单元中，根据扫描维度进行数据绘图操作，如进行线的扫描则进行二维数据绘图；如进行面的扫描则进行三维数据绘图。绘图操作可表征磁场随位移的变化趋势，也可表征磁场在空间内的立体分布情况；
77.(2)在数据查看单元中，可将测试数据导出至excel表格中，方便数据的保存和进一步的分析。
78.步骤8、本次测试过程结束后，根据需要选择下一步操作：
79.(1)如需进行下一次测试，则返回至步骤4，调整磁场测量传感器(三轴霍尔探针27)初始位置后重新测试；
80.(2)如不需再进行其他的测试，则关闭控制模块(上位机)，将测试控制器(三轴高斯计)和电机控制器断电，结束测试。
81.为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位
于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
82.而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
83.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。