1.本發(fā)明涉及地磁場水平分量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置及方法。

背景技術(shù)：

2.地磁場與人類的生活緊密相連，在軍事、航空、航海、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、探礦等領(lǐng)域均有重要的用途，因此地磁場的測量意義重大。迄今常用的地磁場測量方法主要有霍爾效應(yīng)法、磁聚焦法、磁阻效應(yīng)法以及磁共振法等。這些地磁場測量方法都具有一定的復(fù)雜性，或者對相關(guān)測量裝置的要求較高，測量成本較高，測量過程也很容易受到附近環(huán)境中其他磁場或鐵磁質(zhì)的影響，測量誤差大，因此難以在普通教學(xué)實驗中進(jìn)行推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

3.本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種測量簡單易行、操作性較強的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置及方法。

4.為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

5.一種利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，包括底座、固設(shè)在底座上的立柱、固設(shè)在立柱頂部的支架以及通過絲線懸掛在支架下方p點的條形磁鐵；所述底座的前側(cè)還設(shè)置有弧形的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上滑動設(shè)置有滑塊，滑塊的頂部豎直固設(shè)有線圈支桿，線圈支桿的頂部設(shè)置有卡爪，卡爪中設(shè)置有方形的載流線圈；所述條形磁鐵的橫截面為長方形；所述底座、立柱、支架、導(dǎo)軌、滑塊、線圈支桿和卡爪均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。

6.進(jìn)一步的，所述導(dǎo)軌的兩端分別通過連桿與底座固定連接；所述導(dǎo)軌的底部和底座的底部位于同一平面上，并且導(dǎo)軌位于以絲線為中心的圓上。

7.進(jìn)一步的，所述線圈支桿為長度可調(diào)的伸縮桿。

8.進(jìn)一步的，所述卡爪轉(zhuǎn)動設(shè)置在線圈支桿的頂部。

9.進(jìn)一步的，所述立柱為圓柱形，立柱上且與p點相平齊的位置轉(zhuǎn)動設(shè)置有轉(zhuǎn)動環(huán)，轉(zhuǎn)動環(huán)的外壁上固設(shè)有手機支桿，并且手機支桿的外端頭部固設(shè)有手機吸盤；所述轉(zhuǎn)動環(huán)和手機支桿均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。

10.進(jìn)一步的，所述手機支桿為長度可調(diào)的伸縮桿。

11.一種基于上述裝置的測量方法，包括以下步驟：

12.s1.將橫截面為長方形的條形磁鐵懸掛在木質(zhì)支架下方的p點，并在與p點水平相距x的位置放置方形的載流線圈；然后調(diào)整載流線圈的方向，使載流線圈產(chǎn)生的磁場方向與地磁場水平分量的方向相同，同時使p點處在載流線圈的中心軸線上；

13.s2.另取一塊磁鐵靠近安裝有phyphox軟件的智能手機，并變換磁鐵與智能手機的相對位置，找到phyphox的磁力計偏轉(zhuǎn)角度最大的地方，即為磁力計在該智能手機中的大概位置；

14.s3.利用智能手機中的phyphox軟件測量得到當(dāng)載流線圈中的通電電流為i時p點

的磁感應(yīng)強度曲線，并且測量時使得磁力計位于載流線圈的中心軸線上，然后由測得的磁感應(yīng)強度曲線得到磁鐵的擺動周期t；變化通電電流i，得到多個擺動周期t；

15.s4.以為橫軸、i為縱軸作圖，并采用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，由擬合后的曲線斜率和截距即可得出磁鐵的磁矩μ和地磁場水平分量b∥。

16.進(jìn)一步的，所述步驟s3中，磁鐵的擺動周期t與p點的磁感應(yīng)強度b的關(guān)系為：

[0017][0018]

其中，l和w為磁鐵的長度和寬度，m為磁鐵的質(zhì)量，μ為磁鐵的磁矩。

[0019]

進(jìn)一步的，所述步驟s3中，通電電流i的變化范圍為0.1～0.5a，測量通電電流i每變化0.05a時p點的磁感應(yīng)強度曲線。

[0020]

進(jìn)一步的，所述步驟s4中，通電電流i與磁鐵擺動周期t的關(guān)系為：

[0021][0022]

其中，k為載流線圈系數(shù)，i為條形磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量，μ為磁鐵的磁矩，b∥為地磁場水平分量。

[0023]

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

[0024]

本發(fā)明的測量裝置簡單易行，操作性較強，非常適用于普通物理實驗或者設(shè)計性物理實驗，有助于加深學(xué)生對于地磁場和簡諧振動的認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和實驗積極性，提高學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新思維。此外，借助智能手機中磁傳感器功能完成簡諧振動周期的測量，不僅提高了實驗精度，也可充分調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，促進(jìn)智能手機在實驗課程教學(xué)中的多元化應(yīng)用；利用作圖法處理數(shù)據(jù)還有助于學(xué)生將問題具象化，提高軟件處理數(shù)據(jù)的能力。

[0025]

本發(fā)明首先借助內(nèi)置有磁傳感器的智能手機測量地磁場與載流線圈組合磁場中的磁鐵簡諧振動的周期，然后采用曲線擬合完成地磁場水平分量的測量和計算。該測量方法操作性較強且精確度較高，測量結(jié)果與中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所網(wǎng)站的實時觀測數(shù)據(jù)相比，誤差在2％以內(nèi)。

附圖說明

[0026]

圖1是本發(fā)明測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

[0027]

圖2是本發(fā)明測量裝置的側(cè)視圖；

[0028]

圖3是本發(fā)明測量方法示意圖；

[0029]

圖4是不同電流下phyphox軟件x方向磁場變化測量結(jié)果圖；

[0030]

圖5是數(shù)據(jù)擬合結(jié)果圖；

[0031]

圖6是中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的實時觀測數(shù)據(jù)圖。

具體實施方式

[0032]

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

[0033]

如圖1、2所示，本發(fā)明提供了一種利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，包括底座1、固設(shè)在底座1上的立柱2、固設(shè)在立柱2頂部的支架3以及通過絲線4懸掛在支架3下方p點的條形磁鐵5；底座1的前側(cè)還設(shè)置有弧形的導(dǎo)軌6，導(dǎo)軌6上滑動設(shè)置有滑塊7，滑塊7的頂部豎直固設(shè)有線圈支桿8，線圈支桿8為長度可調(diào)的伸縮桿。并且線圈支桿8的頂部設(shè)置有卡爪9，卡爪9轉(zhuǎn)動設(shè)置在線圈支桿8的頂部，卡爪9中設(shè)置有方形的載流線圈10；條形磁鐵5的橫截面為長方形；底座1、立柱2、支架3、導(dǎo)軌6、滑塊7、線圈支桿8和卡爪9均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。

[0034]

導(dǎo)軌6的兩端分別通過連桿11與底座1固定連接；導(dǎo)軌6的底部和底座1的底部位于同一平面上，并且導(dǎo)軌6位于以絲線4為中心的圓上，該圓的半徑為x。沿著導(dǎo)軌6可以調(diào)整載流線圈10的方向，使載流線圈產(chǎn)生的磁場方向與地磁場水平分量的方向相同，同時調(diào)整線圈支桿8的長度可使載流線圈10的中心軸線經(jīng)過p點。

[0035]

立柱2為圓柱形，立柱2上且與p點相平齊的位置轉(zhuǎn)動設(shè)置有轉(zhuǎn)動環(huán)12，轉(zhuǎn)動環(huán)12的外壁上固設(shè)有手機支桿13，并且手機支桿13為長度可調(diào)的伸縮桿。手機支桿13的外端頭部固設(shè)有手機吸盤14；所述轉(zhuǎn)動環(huán)12和手機支桿13均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。將安裝有phyphox軟件的智能手機中吸附在手機吸盤14上，調(diào)整轉(zhuǎn)動環(huán)12以使手機支桿13轉(zhuǎn)動的合適位置，以測量得到當(dāng)載流線圈中的通電電流為i時p點的磁感應(yīng)強度曲線。

[0036]

本發(fā)明還提供了一種基于上述裝置利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的測量方法，該測量方法包括以下步驟：

[0037]

s1.將橫截面為長方形的條形釹鐵硼永磁鐵懸掛在木質(zhì)支架下方的p點，并在與p點水平相距x的位置放置方形的載流線圈；然后調(diào)整載流線圈的方向，使載流線圈產(chǎn)生的磁場方向與地磁場水平分量的方向相同，同時使p點處在載流線圈的中心軸線上。

[0038]

s2.另取一塊磁鐵靠近安裝有phyphox軟件的智能手機，并變換磁鐵與智能手機的相對位置，找到phyphox的磁力計偏轉(zhuǎn)角度最大的地方，即為磁力計在該智能手機中的大概位置。

[0039]

s3.利用智能手機中的phyphox軟件測量得到當(dāng)載流線圈中的通電電流為i時p點的磁感應(yīng)強度曲線，并且測量時使得磁力計位于載流線圈的中心軸線上，然后由測得的磁感應(yīng)強度曲線得到磁鐵的擺動周期t；變化通電電流i，得到多個擺動周期t。

[0040]

s4.以為橫軸、i為縱軸作圖，并采用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，由擬合后的曲線斜率和截距即可得出磁鐵的磁矩μ和地磁場水平分量b∥。

[0041]

本發(fā)明的工作原理是：

[0042]

如圖3所示，當(dāng)線圈中無電流時，若磁鐵保持靜止?fàn)顟B(tài)，此時磁鐵的磁化方向和地磁子午面取向一致。若將磁鐵轉(zhuǎn)動微小角度，由于地磁場產(chǎn)生的恢復(fù)力矩，磁鐵將會發(fā)生小角度擺動。

[0043]

磁場產(chǎn)生的恢復(fù)力矩為：j＝-μbsinθ。

[0044]

其中，μ為磁鐵的磁矩，b為p點的磁感應(yīng)強度。因為磁鐵的擺動角度θ較小，所以有sinθ≈θ，因此有j＝-μbθ。

[0045]

由轉(zhuǎn)動定律可知，

[0046]

其中，i為磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量，β為角加速度。

[0047]

因此，

[0048]

磁鐵的擺動角度θ符合簡諧振動規(guī)律，該振動的角頻率

[0049]

由于磁鐵為規(guī)則的條形體，當(dāng)在水平方向轉(zhuǎn)動時，其轉(zhuǎn)動慣量為：

[0050][0051]

其中，l和w為磁鐵的長度和寬度，m為磁鐵的質(zhì)量，則磁鐵的擺動周期t與p點的磁感應(yīng)強度b的關(guān)系為：

[0052][0053]

其中，l和w為磁鐵的長度和寬度，m為磁鐵的質(zhì)量，μ為磁鐵的磁矩。

[0054]

若線圈不通電，此p點的磁感應(yīng)強度b即地磁場的水平分量，用b

∥

表示；若線圈通電，則此處b為地磁場水平分量b

∥

與線圈在p點產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度bc之和。

[0055]

通過測量不同外加磁場(即在線圈中通以不同大小的電流i)情況下磁鐵的擺動周期t，再采用作圖法即可測定磁鐵的磁矩及地磁場水平分量的數(shù)值。原理如下：當(dāng)線圈的通電電流為i時，處于方形線圈中心軸線上距離為x位置的p點磁感應(yīng)強度為：

[0056][0057]

將其代入(1)式，得出磁鐵的擺動周期為：

[0058][0059]

該式變形，可得通電電流i與磁鐵擺動周期t的關(guān)系為：

[0060][0061]

其中，系數(shù)k和轉(zhuǎn)動慣量i可通過測量載流線圈和條形磁鐵的相關(guān)參數(shù)求出。因此以為橫軸，i為縱軸作圖，則曲線斜率為截距為因此由曲線斜率和截距即可得出磁鐵的磁矩μ和地磁場水平分量b∥。

[0062]

本發(fā)明中的智能手機上安裝有phyphox軟件，利用phyphox軟件內(nèi)置的magnetometer(磁力計)功能測量磁鐵擺動時周圍磁場磁感應(yīng)強度的變化，以此得到磁鐵在磁場中發(fā)生簡諧振動時的擺動周期t。

[0063]

首先測試智能手機中磁傳感器(磁力計)的位置：打開手機“指南針”功能，另取一塊磁鐵緩慢靠近手機，此時“指南針”會受到影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，變換該磁鐵與手機的相對位置，觀察并尋找偏轉(zhuǎn)角度最大的地方，即磁場傳感器在智能手機中的大概位置，將該位置標(biāo)記出來。

[0064]

然后合適放置智能手機使磁傳感器通過通電線圈的中心軸線，phyphox軟件可以得出xyz三個方向的磁感應(yīng)強度的變化；其中以p點為坐標(biāo)原點o，載流線圈的中心軸線為x軸，懸掛磁鐵的絲線為y軸，z軸滿足右手法則。由于磁鐵在xoy平面發(fā)生擺動幅度較大，z方向擺動幅度較小，因此可采用x和y任意方向磁感應(yīng)強度的變化曲線得出磁鐵的擺動周期。

[0065]

利用游標(biāo)卡尺及電子天平測得的條形磁鐵的基本參數(shù)為：

[0066]

l＝30.04mm，w＝10.01mm，m＝8.800g

[0067]

由此計算得到磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量為：

[0068][0069]

由實驗過程中其他參量x＝12cm，a＝15cm，n＝50，可計算得出：

[0070][0071]

利用智能手機上的phyphox軟件測量當(dāng)通電電流i為0.1～0.5a范圍中，通電電流i每變化0.05a時磁鐵周圍磁感應(yīng)強度的變化，并且為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次均測量20多個周期，測量結(jié)果如圖4所示。從圖4上明顯可以看出磁鐵周圍的磁場由于磁鐵的擺動呈現(xiàn)穩(wěn)定的周期性變化規(guī)律。

[0072]

由圖4得到的通電電流i對應(yīng)的磁鐵擺動周期t以及進(jìn)一步計算得出的見表1所示。

[0073]

表1磁場擺動周期及相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果

[0074][0075][0076]

以為橫軸，電流i為縱軸，將表1中的數(shù)據(jù)作圖，并采用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬

合，如圖5所示，得到曲線的斜率和截距分別為：

[0077]

(1)

[0078]

代入i和k值，即可計算出條形磁鐵的磁矩為：

[0079]

μ＝1.0399a·m2[0080]

(2)

[0081]

代入k值，即可計算出地磁場的水平分量b∥為：

[0082]b∥＝2.8718×10-5t

[0083]

如圖6所示為中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所網(wǎng)站實驗當(dāng)日的實時觀測數(shù)據(jù)，與實驗地點天津相近緯度的北京地區(qū)地磁場水平分量的范圍在2.8161～2.8201×10-5t之間。本發(fā)明所測試結(jié)果與該數(shù)據(jù)在一個數(shù)量級，經(jīng)計算，相對誤差僅為1.83～1.98％。另外，與目前實驗室應(yīng)用較為廣泛的光泵磁共振測地磁場水平分量結(jié)果相比，侯清潤等人所測得北京地區(qū)的地球磁場水平分量為2.3×10-5t，吳奕初等人測得武漢地區(qū)數(shù)值為2.8×10-5t，張玉霞等人測得廣州地區(qū)數(shù)值為3.39×10-5t，表明本發(fā)明方法測量的地磁場水平分量數(shù)值具有較高的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。技術(shù)特征：

1.一種利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，其特征在于：包括底座、固設(shè)在底座上的立柱、固設(shè)在立柱頂部的支架以及通過絲線懸掛在支架下方p點的條形磁鐵；所述底座的前側(cè)還設(shè)置有弧形的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上滑動設(shè)置有滑塊，滑塊的頂部豎直固設(shè)有線圈支桿，線圈支桿的頂部設(shè)置有卡爪，卡爪中設(shè)置有方形的載流線圈；所述條形磁鐵的橫截面為長方形；所述底座、立柱、支架、導(dǎo)軌、滑塊、線圈支桿和卡爪均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，其特征在于：所述導(dǎo)軌的兩端分別通過連桿與底座固定連接；所述導(dǎo)軌的底部和底座的底部位于同一平面上，并且導(dǎo)軌位于以絲線為中心的圓上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，其特征在于：所述線圈支桿為長度可調(diào)的伸縮桿。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，其特征在于：所述卡爪轉(zhuǎn)動設(shè)置在線圈支桿的頂部。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，其特征在于：所述立柱為圓柱形，立柱上且與p點相平齊的位置轉(zhuǎn)動設(shè)置有轉(zhuǎn)動環(huán)，轉(zhuǎn)動環(huán)的外壁上固設(shè)有手機支桿，并且手機支桿的外端頭部固設(shè)有手機吸盤；所述轉(zhuǎn)動環(huán)和手機支桿均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置，其特征在于：所述手機支桿為長度可調(diào)的伸縮桿。7.基于權(quán)利要求1-6任一所述裝置的測量方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：s1.將橫截面為長方形的條形磁鐵懸掛在木質(zhì)支架下方的p點，并在與p點水平相距x的位置放置方形的載流線圈；然后調(diào)整載流線圈的方向，使載流線圈產(chǎn)生的磁場方向與地磁場水平分量的方向相同，同時使p點處在載流線圈的中心軸線上；s2.另取一塊磁鐵靠近安裝有phyphox軟件的智能手機，并變換磁鐵與智能手機的相對位置，找到phyphox的磁力計偏轉(zhuǎn)角度最大的地方，即為磁力計在該智能手機中的大概位置；s3.利用智能手機中的phyphox軟件測量得到當(dāng)載流線圈中的通電電流為i時p點的磁感應(yīng)強度曲線，并且測量時使得磁力計位于載流線圈的中心軸線上，然后由測得的磁感應(yīng)強度曲線得到磁鐵的擺動周期t；變化通電電流i，得到多個擺動周期t；s4.以為橫軸、i為縱軸作圖，并采用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，由擬合后的曲線斜率和截距即可得出磁鐵的磁矩μ和地磁場水平分量b∥。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的方法，其特征在于：所述步驟s3中，磁鐵的擺動周期t與p點的磁感應(yīng)強度b的關(guān)系為：其中，l和w為磁鐵的長度和寬度，m為磁鐵的質(zhì)量，μ為磁鐵的磁矩。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的方法，其特征在于：

所述步驟s3中，通電電流i的變化范圍為0.1～0.5a，測量通電電流i每變化0.05a時p點的磁感應(yīng)強度曲線。10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的方法，其特征在于：所述步驟s4中，通電電流i與磁鐵擺動周期t的關(guān)系為：其中，k為載流線圈的系數(shù)，i為條形磁鐵的轉(zhuǎn)動慣量，μ為磁鐵的磁矩，b∥為地磁場水平分量。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種操作性較強且精確度較高的利用智能手機輔助測量地磁場水平分量的裝置及方法，裝置包括底座、固設(shè)在底座上的立柱、固設(shè)在立柱頂部的支架以及通過絲線懸掛在支架下方P點的條形磁鐵；所述底座的前側(cè)還設(shè)置有弧形的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上滑動設(shè)置有滑塊，滑塊的頂部豎直固設(shè)有線圈支桿，線圈支桿的頂部設(shè)置有卡爪，卡爪中設(shè)置有方形的載流線圈；所述條形磁鐵的橫截面為長方形；所述底座、立柱、支架、導(dǎo)軌、滑塊、線圈支桿和卡爪均為塑料材質(zhì)或者木質(zhì)。本發(fā)明測量簡單易行、可操作性較強，非常適用于普通物理實驗或者設(shè)計性物理實驗。常適用于普通物理實驗或者設(shè)計性物理實驗。

技術(shù)研發(fā)人員：趙丹丹 姜鍇 嚴(yán)旭陽 李凱嘯 李鎣皓 潘一夫

受保護的技術(shù)使用者：天津商業(yè)大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.03.08

技術(shù)公布日：2022/4/20