基于Arduino的多种磁场综合测试仪的制作方法

基于arduino的多种磁场综合测试仪
技术领域
1.本发明涉及物理测试技术领域，更具体的说是涉及一种基于arduino的多种磁场综合测试仪。


背景技术：

2.目前，现代科技的进步，使得新工艺、新技术、新材料不断推陈出新。在新环境下，物理实验可以帮助学生了解现代科学的发展离不开基础物理学的支撑，物理实验以小见大、真实地反应了现代科学技术渐进的理论原由。目前出现的很多科技产品、改良新产品等，集中表现了现代科技的变化力量。然而，一些反应现代科技的实验不仅仅是使用天平、弹簧称、温度计、学生电源、电压、电流表、灵敏电流计等这么简单就能解释、验证的，现代工业或科技发展，在精度、性能方面已经有了大的进步和变化，传统的物理实验仪器很难表现、表达好这些科学技术的关键内容。所以，使用新的实验仪器，代替陈旧、老化的物理实验仪器迫在眉睫。
3.磁场在很多领域都有广泛的应用，为了深入了解磁场的特性，同时为了更好地利用磁场，对磁场的测量得到了越来越多的重视。当前众多院校关于磁场的测量方法主要有霍尔效应测螺线管磁场和电磁感应法测交变磁场等，其本质都是对磁感应强度的测量，而在实验设备上却是完全分离的两套设备，这为实验的空间布置和实验经费增加了不必要的负担。
4.因此，如何实现磁场测量设备的整合是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于arduino的多种磁场综合测试仪，采用arduino单片机以及霍尔传感器，研制出能测量多种磁场综合实验仪，基于对不同磁场测量方法的理解及相关实验设备的整合，将恒定磁场、交变磁场和地磁场的测量实验结合，体现恒定磁场、交变磁场和地磁场在电磁效应中的差异，测量磁场的大小和方向，有利于帮助学生认识和理解载流圆形线圈与亥姆霍兹线圈的磁场的分布情况，以及地磁场关于平行地面的分量大小。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于arduino的多种磁场综合测试仪，包括底板，以及设置在底板上的arduino单片机、可调线圈组、万向球、探测线圈、指南针、丝杆滑轨、磁感应强度显示屏、电流电压显示屏、单双线圈开关、直流交流转换开关、接线柱和线圈间距刻度尺；
8.所述arduino单片机电连接所述万向球、所述磁感应强度显示屏和所述电流电压显示屏；
9.所述万向球通过固定在所述丝杆滑轨上，并伸入所述可调线圈组之间，实现x轴方向、y轴方向和z轴方向滑动；
10.所述探测线圈通过所述丝杆滑轨在所述可调线圈组之间滑动，实现x轴方向和y轴
方向滑动；
11.所述指南针可移动固定在所述底板上；
12.所述接线柱通过所述交流直流转换开关连接所述可调线圈组；
13.所述线圈间距刻度尺固定在所述可调线圈组一侧；
14.所述单双线圈开关连接所述可调线圈组、所述电流电压显示屏和所述磁感应强度显示屏；实现单线圈或双线圈接通切换；
15.所述交流直流转换开关连接所述所述可调线圈组、所述电流电压显示屏和所述磁感应强度显示屏。
16.优选的，所述交流直流转换开关为一组开关，同时拨动实现交流或直流的切换，通直流电时接通所述电流电压显示屏和所述磁感应强度显示屏，同交流电时进行交变磁场测量。
17.优选的，所述接线柱包括直流接线柱和交流接线柱，分别连接直流电和交流电，使得可调线圈组分别产生稳恒磁场和交变磁场，直流接线柱红色接正极，黑色接负极，交变接线柱则正负皆可。
18.优选的，所述万向球内设置有霍尔片，所述霍尔片电连接所述arduino单片机。
19.优选的，所述万向球包括固定半环、旋转圆环和球体；所述球体可旋转固定在所述旋转圆环圆心处，所述旋转圆环上与所述球体旋转方向相同的两端可旋转固定在所述固定半环的两端。
20.优选的，所述万向球通过碳棒延伸固定在所述丝杆滑轨上，所述万向球的所述固定半环的圆弧顶端与所述碳棒固定连接；所述丝杠滑轨包括x轴滑轨、y轴滑轨和z轴滑轨，所述z轴滑轨与所述y轴滑轨垂直且滑动连接，所述x轴滑轨与所述y轴滑轨平面垂直放置且滑动连接；所述碳棒一端滑动连接在z轴滑轨上，所述碳棒另一端固定连接所述万向球。
21.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于arduino的多种磁场综合测试仪，将亥姆霍兹线圈、arduino单片机、霍尔传感器、指南针和感应线圈等器件进行集成，获得可测量地磁场、稳恒磁场、交变磁场等磁场的大小方向的可定量研究的磁场综合实验仪。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
23.图1附图为本发明提供的基于arduino的多种磁场综合测试仪结构示意图；
24.图2附图为本发明提供的测试仪另一个角度结构示意图；
25.图3附图为本发明提供的仪器俯视图；
26.图4附图为本发明提供的万向球结构示意图；
27.图5附图为本发明提供的线圈电路图；
28.图6附图为本发明提供的亥姆霍兹线圈x轴感应电流大小与位置关系示意图；
29.图7附图为本发明提供的亥姆霍兹线圈x轴感应电流大小与位置关系示意图；
30.图8附图为本发明提供的测量感应电动势和磁场线圈夹角的关系示意图；
31.图9附图为本发明提供的测量圆线圈x轴向的稳恒磁场示意图；
32.图10附图为本发明提供的测量圆线圈y轴向的稳恒磁场示意图；
33.图11附图为本发明提供的亥姆霍兹线圈x轴向的稳恒磁场示意图；
34.图12附图为本发明提供的亥姆霍兹线圈y轴向的稳恒磁场分布情况示意图；
35.图13附图为本发明提供的双线圈x轴向的稳恒磁场分布情况示意图；
36.图14附图为本发明提供的双线圈y轴向的稳恒磁场分布情况示意图；
37.图15附图为本发明提供的地磁场理论值和实验值比较示意图；
38.图16附图为本发明提供的亥姆霍兹线圈示意图；
39.图17附图为本发明提供的单个圆线圈轴外某点的磁场示意图；
40.图18附图为本发明提供的亥姆霍兹线圈磁场示意图。
41.附图中：1-底板，2-可调线圈组，3-万向球，31-固定半环，32-旋转圆环，33-球体，34-碳棒，4-探测线圈，5-指南针，6-丝杠滑轨，7-磁场强度显示屏，8-电流电压显示屏，9-直流交流转换开关10-单双线圈开关，11-接线柱，12-线圈间距刻度尺。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.本发明实施例公开了一种基于arduino的多种磁场综合测试仪，包括底板1，以及设置在底板1上的arduino单片机、可调线圈组2、万向球3、探测线圈4、指南针5、丝杆滑轨6、磁感应强度显示屏7、电流电压显示屏8、直流交流转换开关9、单双线圈开关10、接线柱11和线圈间距刻度尺12；
44.arduino单片机电连接万向球3、磁感应强度显示屏7和电流电压显示屏8；
45.万向球3通过固定在丝杆滑轨6上，并伸入可调线圈组2之间，实现x轴方向、y轴方向和z轴方向滑动；
46.探测线圈4通过丝杆滑轨6在可调线圈组2之间滑动，实现x轴方向和y轴方向滑动；
47.指南针5可移动固定在底板1上；
48.接线柱11通过交流直流转换开关9连接可调线圈组2；
49.线圈间距刻度尺12固定在可调线圈组2一侧；
50.单双线圈开关10连接可调线圈组2、电流电压显示屏8和磁感应强度显示屏7；实现单线圈或双线圈接通切换；
51.交流直流转换开关9连接可调线圈组2、电流电压显示屏8和磁感应强度显示屏7。
52.为了进一步优化上述技术方案，交流直流转换开关为一组开关，同时拨动实现交流或直流的切换，通直流电时接通电流电压显示屏和磁感应强度显示屏，同交流电时进行交变磁场测量。
53.为了进一步优化上述技术方案，接线柱11包括直流接线柱和交流接线柱，分别连接直流电和交流电，使得可调线圈组分别产生稳恒磁场和交变磁场，直流接线柱红色接正
极，黑色接负极，交变接线柱则正负皆可。
54.为了进一步优化上述技术方案，万向球3内设置有霍尔片，霍尔片电连接arduino单片机。实现稳恒磁场的测量。
55.为了进一步优化上述技术方案，万向球3包括固定半环31、旋转圆环32和球体33；球体33可旋转固定在旋转圆环32圆心处，旋转圆环32上与球体33旋转方向相同的两端可旋转固定在固定半环31的两端。
56.为了进一步优化上述技术方案，万向球33通过碳棒34延伸固定在丝杆滑轨6上，万向球33的固定半环31的圆弧顶端与碳棒34固定连接；丝杠滑轨6包括x轴滑轨、y轴滑轨和z轴滑轨，z轴滑轨与y轴滑轨垂直且滑动连接，x轴滑轨与y轴滑轨平面垂直放置且滑动连接；碳棒34一端滑动连接在z轴滑轨上，碳棒34另一端固定连接万向球。
57.为了进一步优化上述技术方案，采用专用的交变磁场测试仪提供励磁电流由。
58.为了进一步优化上述技术方案，arduino单片机设置有usb接口，可连接充电宝为arduino单片机供电。
59.为了进一步优化上述技术方案，可调线圈组连接有单双线圈开关，可控制接通可调线圈组单个线圈或双线圈。
60.为了一步优化上述技术方案，本发明通过程序控制arduino单片机将霍尔元件接收到的磁信号转化为电信号并输出。可调线圈组、直流交流转换开关、单双线圈开关和电流电压显示屏的连接电路设计如图5所示，电流电压显示屏采用四位双显表。单双线圈开关引脚分别连接可调线圈组的两个线圈和四位双显表连接，直流交流转换开关为两组开关，一组开关引脚分别连接一个线圈、四位双显表和一组接线柱中的一个接线柱，另一组开关引脚分别连接另一个线圈和一组接线柱中的另一个接线柱。一组接线柱可为直流接线柱或交流接线柱。
61.实施例
62.(1)当直流电源或交流电源与仪器面板左侧接线柱相连，可调线圈组即产生磁场，其中的霍尔传感器即可输出磁场大小在左侧液晶屏上显示；改变电源电压即可改变磁场大小。
63.(2)切换单双线圈开关可将可调线圈组切换为单圈线圈或双圈线圈。只给其中的任何一个线圈通电即切换为单线圈；给两个线圈通电，如果这两个线圈间距可以移动，即切换为双线圈；如果通电的两个线圈之间间距等于线圈半径，那么这对线圈则为亥姆霍兹线圈，为特殊的双线圈结构。
64.(3)线框及电源与面板右侧接线柱连接，改变电源电压大小即可改变线框中电流大小，电流在右侧显示屏显示。
65.载流圆形线圈与亥姆霍兹线圈的磁场：
66.亥姆霍兹线圈轴线上磁场分布将一对匝数相同、绕行方式一致、等大的圆形线圈共轴放置，并通以相同方向的电流。当两线圈的间距等于圆环半径时，这种组合称为亥姆霍兹线圈。如图16所示。
67.根据毕奥
·
萨伐尔定律，电流元在空间任意点产生的磁感应强度为：
[0068][0069]
式中，μ0为真空磁导率，μ0＝4π
×
10－7n/a2；n为线圈匝数，r为电流元到空间点的矢径，则对于半径为r的单个圆线圈，在中心轴线上产生的磁场大小为:
[0070][0071]
那么
[0072][0073]
当时，正好为磁感应强度的两个拐点。分析由两个这种圆线圈组合而成的亥姆霍兹线圈，设其磁场为b(x)，在不需要余项精确表达式时，将b(x)按(x-x0)的幂展开的带有皮亚诺余项的2n阶泰勒公式如式(4)所示，其中x0＝0，n为正整数。
[0074][0075]
在亥姆霍兹线圈中，两线圈的间距为r，又根据前面单个线圈的分析结果，得到中心点o恰为磁场在轴线上的拐点，所以b(x)展开式中第3项系数由于到磁场的对称性，有b(x)＝b(－x)，则上式中奇次项导数系数
…
均为0，进而得出
[0076][0077]
由(5)式看出，亥姆霍兹线圈轴线上形成的磁场b(x)在范围内是比较均匀的。
[0078]
亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度为
[0079][0080]
如图17所示，为单个圆线圈轴外点的磁场示意图。考虑到通电圆线圈产生的磁场具有对称性，那么只要研究位于xoy平面内的任意点p(x，y，0)，即可知道亥姆霍兹线圈产生的整个空间的磁场分布情况。
[0081]
根据图17，有则
[0082][0083]
由矢量叉乘的运算法则，得
[0084][0085]
那么通电圆线圈产生的在p点的磁感应强度为
[0086][0087]
而
[0088][0089]
所以，bz＝0。
[0090]
令按照泰勒级数展开，得
[0091][0092]
可近似得出磁感应强度的x和y方向的分量为:
[0093][0094][0095]
在单个通电圆线圈分析的基础上，构造如图18所示的亥姆霍兹线圈。
[0096]
在新的坐标系下，轴外点相对于两个线圈的坐标分别为据磁感应强度矢量叠加原理，得到亥姆霍兹线圈轴外点磁场分布为
[0097][0098]
其中，b
1x
、b
2x
、b
1y
、b
2y
分别表示两个圆线圈在空间点的轴向和纵向分量；θ表示磁场的方向夹角。
[0099]
用电磁感应法测磁场的原理：
[0100]
设均匀交变磁场为(由通交变电流的线圈产生)
[0101]
b＝bmsinωt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0102]
磁场中一探测线圈的磁通量为
[0103][0104]
式中:n为探测线圈的匝数，s为该线圈的截面积，θ为与线圈法线夹角。
[0105]
线圈产生的感应电动势为
[0106][0107]
式中εm＝nsωbmcosθ是线圈法线和磁场成θ角时，感应电动势的幅值。当θ＝0，已εm＝nsωbm，这时的感应电动势的幅值最大。如果用数字式毫伏表测量此时,线圈的电动势，则毫伏表的示值(有效值)u
max
应为则
[0108][0109]
可算出bm来。
[0110]
地磁场定量测量实验原理：
[0111]
将精密指南针放置于两线圈中心轴的中间位置。在电源断开的情况下，待指针偏转稳定后(指向地磁场方向)，读出磁针的初始度数θ1。打开学生电源，在地磁场垂直的方向加上一个磁场b0，待指针再次稳定后，读出磁针偏转后的度数θ2，根据式(19)就可以计算出地磁场b。
[0112][0113]
一个质点的各方向磁场强度的测量方法：
[0114]
在测量磁场强度上大多数装置只能测量x轴方向上的磁场强度，于是通过地球仪的转动方法，我们将霍尔片重新焊接并用3d打印机打造了如图4所示的微型地球仪。使得霍尔片能在微型地球仪进行旋转，从而在霍尔线圈的一个质点的各个方向的磁场强度得以测量。
[0115]
实施例1
[0116]
利用本发明的基于arduino的多种磁场综合测试仪能够进行单线圈、亥姆霍兹线圈、可移动双线圈的磁场测量，实现交变磁场和地磁场的测量。
[0117]
线圈测量步骤：
[0118]
s11：调整单双线圈开关，调至单线圈档，只给其中的一个线圈通电；将万向球连接的丝杆滑轨xyz三轴坐标归于零点，将充电宝接通仪器上的usb接口为arduino单片机供电，并且用学生电源接通直流接线柱，打开学生电源调节至合适电流(电流不可过大，以免烧坏双位电表)；保持控制万向球位置的丝杆滑轨中的zy两轴恒定为0，移动x轴每隔1cm记录一个数据共十二组；
[0119]
s12：调至双线圈档；调节可调线圈组的线圈间距至d＝10cm处；将万向球连接的丝杆滑轨xyz三轴坐标归于零点，保持控制万向球位置的丝杆滑轨中的zy两轴恒定为0，移动x轴每隔1cm记录一个数据共十二组；
[0120]
s13：调至双线圈档；调节线圈间距为12cm、16cm或20cm；将万向球连接的丝杆滑轨xyz三轴坐标归于零点，保持控制万向球位置的丝杆滑轨中的zy两轴恒定为0，移动x轴每隔1cm记录一个数据共十二组。
[0121]
交变磁场测量步骤：
[0122]
s21：去除万向球，采用探测线圈测量，探测线圈采用通电螺线管；
[0123]
s22：测量可调线圈组构成亥姆霍兹线圈时不同方向上磁场的分布，使励磁电流有效值为i＝0.800a，以圆电流线圈中心为坐标原点，每隔10
°
测量一个umax值，测量过程中注意保持励磁电流值不变；
[0124]
s23：测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布，把多种磁场综合测试仪的可调线圈组串联起来(注意极性不能接反)，将接线柱改接到交流接线柱，使励磁电流有效值仍然为i＝0.800a，以两个圆形线圈轴线上的中心点为坐标原点，每隔1cm测量一个umax值，记录数据并作出磁场分布曲线图。
[0125]
地磁场测量步骤：
[0126]
s31：多种磁场综合测试仪的指南针放置于两线圈正中央；指南针采用精密指南针；
[0127]
s32：断开电源，待指针偏转稳定后(指向地磁场方向)，转动多种磁场综合测试仪，调整方向使得亥姆霍兹线圈产生的磁场方向与精密指南针方向正交；
[0128]
s33：打开学生电源叠加亥姆霍兹线圈磁场，待指针再次稳定后读出磁针偏转角度，通过亥姆霍兹线圈产生的磁场以及精密指南针偏转的角度计算出平行于地面的地磁场的大小。
[0129]
实施例2
[0130]
基于实施例1提供的试验步骤，获得交变磁场的测量数据。
[0131]
1)测量亥姆霍兹线圈x轴向交变磁场
[0132]
通以交变电流，测量其在轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，交变电流的频率是50hz，电流有效值是800ma；在轴线上改变x位置，利用公式bm＝0.103u
max
×
10-3
(t)来计算实验值；利用公式(12)来计算理论值。表1所示亥姆霍兹线圈x轴向交变磁场是本实验的测量数据；图6是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示x轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0133]
表1亥姆霍兹线圈x轴向交变磁场
[0134][0135][0136]
由以上数据可知亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布情况：在亥姆霍兹线圈内部磁场在x轴线上基本均匀，在亥姆霍兹线圈外部磁感应强度逐渐减小。并且磁场关于中心对称镜像分布。
[0137]
2)测量亥姆霍兹线圈y轴向交变磁场
[0138]
通以交变电流，测量其在y轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，交变电流的频率是50hz，电流有效值是800ma；在轴线上改变y位置，表2是本实验的测量数据；图7是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验
值，横坐标表示y轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0139]
表2亥姆霍兹线圈x轴向交变磁场
[0140][0141]
由上述数据可知，本实验测量值和理论值吻合比较好，螺线管在y轴上的磁场几乎不随其在y轴的距离改变而变化。
[0142]
3)测量感应电动势和磁场线圈夹角的关系
[0143]
由式(17)可知，感应电动势的大小除了和磁感应强度大小有关之外，还和磁场和线圈法线夹角有关。接下来我们改变一下磁场和线圈法线夹角有关，分析感应电动势的大小情况。表3和图8分别是相应的数据和测量图，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示线圈与磁场方向夹角，纵坐标表示磁场大小。
[0144]
表3测量感应电动势和磁场线圈夹角的关系
[0145][0146]
由图可知，感应电动势在夹角为零或180度的时候最大，在夹角90的时候最小。
[0147]
实施例3
[0148]
基于实施例1提供的试验步骤，获得稳恒磁场的测量数据。
[0149]
1)测量圆线圈x轴向的稳恒磁场
[0150]
通以稳恒直流电流，测量其在x轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，电流值是250ma；在轴线上改变x位置，表4是本实验的测量数据；图9是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示x轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0151]
表4测量圆线圈x轴向的稳恒磁场
[0152][0153]
由图9和表4可知载流圆线圈轴线上磁场的分布大致与理论值相符，其轴线中心处磁场强度最大，向两边逐渐减弱。单个圈轴线上圆心的地方，磁感应强度的数值是最大的，而且轴线上的磁感应强度随与圆心间隔的增大而缓慢减小，圆心两边的磁场呈对称性分布，各点磁感应强度实验值和理论值都很接近，说明实验值和理论值吻合度较高。
[0154]
2)测量圆线圈y轴向的稳恒磁场
[0155]
通以稳恒直流电流，测量其在y轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，电流值是250ma；在轴线上改变x位置，表5是本实验的测量数据；图10是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示y轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0156]
表5测量圆线圈y轴向的稳恒磁场
[0157]
稳恒电流/max轴/cmz轴/cmy轴/cm磁场实验值/gs磁场理论值/gs误差250.000.000.00-2.506.226.170.81％250.000.000.00-2.006.166.091.15％250.000.000.00-1.506.096.021.16％250.000.000.00-1.006.025.970.84％250.000.000.00-0.505.975.940.51％250.000.000.000.005.955.930.34％250.000.000.000.505.975.940.51％
250.000.000.001.006.005.970.50％250.000.000.001.506.076.020.83％250.000.000.002.006.156.090.99％250.000.000.002.506.206.170.49％
[0158]
载流圆线圈横轴上磁场的分布大致与理论值相符，其横轴中心处磁场强度最小，向两边逐渐增强。单个圈横轴上圆心的地方，磁感应强度的数值是最小的，而且横轴线上的磁感应强度随与圆心间隔的增大而缓慢增大。圆心两边的磁场呈对称性分布，各点磁感应强度实验值和理论值都很接近，说明实验值和理论值吻合度较高。
[0159]
3)测量亥姆霍兹线圈x轴向的稳恒磁场
[0160]
给亥姆霍兹线圈通以稳恒直流电流，测量其在x轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，电流值是250ma；在轴线上改变x位置，表6是本实验的测量数据；图11是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示x轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0161]
表6测量亥姆霍兹线圈x轴向的稳恒磁场
[0162][0163]
从图中可以看出，无论是实验还是理论上都表明在中间较大范围内，磁场大小基本上不变，说明磁场在该区域的分布较均匀，在中间轴线附近能产生一定范围的均匀磁场，且实验值与理论计算结果比较吻合。
[0164]
4)测量亥姆霍兹线圈y轴向的稳恒磁场
[0165]
给亥姆霍兹线圈通以稳恒直流电流，测量其在y轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，电流值是250ma；在轴线上改变y位置，表7是本实验的测量数据；图12是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示y轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0166]
表7亥姆霍兹线圈y轴向的稳恒磁场分布情况
[0167][0168][0169]
由图可知，y轴方向双线圈中心磁场最大，两端减小。
[0170]
5)测量双线圈x轴向的稳恒磁场
[0171]
给双线圈通以稳恒直流电流，测量其在x轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，线圈间距是12cm，电流值是250ma；在轴线上改变x位置，表8是本实验的测量数据；图13是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示x轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0172]
表8双线圈x轴向的稳恒磁场分布情况
[0173]
[0174][0175]
双线圈横轴上磁场分布大致与理论值相符，其轴中心处磁场强度相对单个线圈中心较小，向两边逐渐增强，而单个线圈向外侧快速减小，圆心两边的磁场呈对称性分布，各点磁感应强度实验值和理论值都很接近，说明实验值和理论值吻合度较高。
[0176]
6)测量双线圈y轴向的稳恒磁场
[0177]
给双线圈通以稳恒直流电流，测量其在y轴线上的磁场分布情况，并和理论值比较。本实验中，线圈间距是12cm，电流值是250ma；在轴线上改变x位置，表9是本实验的测量数据；图14是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色曲线为磁场实验值，横坐标表示y轴移动距离，纵坐标表示磁场大小。
[0178]
表9双线圈y轴向的稳恒磁场分布情况
[0179][0180][0181]
双线圈y轴上磁场分布大致与理论值相符，y轴方向双线圈中心磁场最大，两端减小。
[0182]
7)测量磁场的大小
[0183]
给亥姆霍兹线圈通以稳恒直流电流，利用2.3.1可以测量地磁场的大小，并和理论值比较。本实验中，线圈间距是10.60cm，电流值是250ma；在轴线上改变x位置，表10是本实验的测量数据；图15是本实验的理论值和实验值的对比曲线，蓝色曲线为磁场理论值，红色
曲线为磁场实验值，横坐标表示小磁针偏转角度，纵坐标表示磁场大小。
[0184]
表10测量地磁场的数据
[0185][0186]
地磁场测量值和理论值如图所示，由于仪器的误差和周边环境的影响，所测地磁场大小有些许误差，各角度换算后磁感应强度实验值和理论值都很接近，说明实验值和理论值吻合度较高。
[0187]
本发明的有益效果：
[0188]
(1)多功能性：装置具有独立性和可重组的特点，应用广泛；通过设备的整合和磁场环境的统一实现交变与恒定磁场测量设备的融合，可以用于恒磁专题实验的开设；
[0189]
(2)磁场测量方法多样性：利用电磁感应法实现交变磁场的测量；利用霍尔效应实现恒定磁场的测量；利用小磁针法测量地磁场；
[0190]
(3)先进技术和产品的引入：采用arduino单片机、霍尔传感器等软硬件可进行磁场大小的直接测量；
[0191]
(4)利用小磁针偏转角测量地磁场大小。小磁针偏转角测量磁场无需外界供电、实验装置简单﹐测量准确，能运用最简单的方法获得较难的实验数据，具有很大教学价值；
[0192]
(5)装置可三维测量亥姆霍兹线圈内外的磁场大小并得出实时数据，快捷方便准确；实验综合知识点多，有助于培养学生的发散思维及解决复杂问题的能力，应用广泛。
[0193]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0194]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。