非常荣幸参加得捷创客大赛，本次设计一个三维磁场发生装置，主要应用于磁传感器开发测试、地磁屏蔽系统、磁场检测、磁传感器频响测试、软磁材料退磁（需修改设计参数）。本人从事磁传感器设计，经常手搓一些小装置，用于日常测试。本文增加部分计算及应用拓展，如有错误，欢迎指正。
本三维磁场发生装置主要由一个三通道恒流源、一个三维赫尔姆茨线圈及一个用于磁场检测的传感器构成。本项目主要分为四个阶段，分别为计算与评估阶段、选型及设计阶段、安装调试阶段、验收测试阶段。下文将按照以上阶段顺序展开。
一、计算与评估
首先，在磁应用领域，产生磁场的方式主要有两类：一类是使用强磁物质，主要为铁磁体（四氧化三铁）或钕磁铁（强磁）；另一种是利用电流产生的感应磁场，通过绕制长直螺线管（螺线管长度＞＞直径）或绕制赫尔姆茨线圈。而要产生三维可控的磁场，赫尔姆茨线圈无疑成为最佳的方案。
那么赫尔姆茨线圈是如何工作与设计呢？简单来说，当两个平行线圈满足 线圈间距＝线圈半径时，即满足赫尔姆茨条件，两线圈中心区域磁场为同向均匀的。线圈通常设计为环形线圈，计算简易且均匀区更大，也有部分矩形的（比如本次设计的，根据经费选择的合适方案），通常体积巨大，常用于地磁屏蔽系统。
下图给出环形线圈磁场仿真效果图（来源仿真社区），当两个线圈规格一致并且串联时，两线圈中央磁场几乎是均匀分布的。
那么产生磁场应该如何计算呢？使用赫尔姆茨线圈来计算或者仿真，工作量巨大，计算原理就是两个线圈磁场的叠加，但磁场随距离衰减为3次方关系。
简化版计算如我，只是按照计算螺线管的方式计算单个线圈，再进行叠加。不过注意按照螺线管计算的话需保留充分的裕量，需要数倍甚至十倍的裕量，必要时可借助第三方工具进行辅助计算。
线圈支架设计每个轴向两个线圈，这样的话需要6个矩形线圈就可以实现三维磁场控制了。那么先计算一下需要使用的材料，比如最外层使用40cm的矩形外框，那么中间层需要36cmm、内层32cm刚好足够，框架共需材料8.64m，绕制的漆包线，初步按照20匝来算，约168米，加上接头及设计误差，预计200米漆包线，再加上底板、固定件、粘接剂，差不多就够用了。
恒流源部分，采样运放反馈方式控制mos管来实现恒流设计，通过两个双刀双掷继电器控制通断及方向变更。通过电位器分压输入控制信号来调节输出电流值，并设计电流三档独立可调。有过应用案例，此处简略说明，电路图见设计部分。
磁场传感器部分，用于检测纳特斯拉级，本想找市面上的磁传感器进行后续检验，但数字磁罗盘、TMR、AMR传感器性能指标均不满足要求，磁通门价格又过于昂贵，将采用自行设计的0.2nT（P-P值）级磁传感器进行测试（仅用于验收部分，非公开项目，仅作测试）
二、选型及设计
三维线圈设计：采样H型铝合金两端切角45°高度2cm采用胶带初步固定、固化胶补强、扎带辅助实现结构固定
漆包线采用0.8mm漆包线1000g（长度约220m），采用木制底板，尽量采用无磁材料设计，减小干扰。下图为设计初期三维示意图
恒流电路部分
采用运放+MOS管，采用电阻采样反馈电路，基本原理如下图所示。R4\R3电阻分压给运放同相输入端，通过比较同相输入电压和反向的反馈电压值来控制输出，进而控制mos管栅极来实现输出电流控制。其中恒流电流
I=V同相/R1
那么应用的时候在电阻分压后增加一个电压跟随其，降低因电源波动引起的变化。通过调节电位器分压来实现电流设定值就可以了。
实现恒流后，那么再通过两个继电器实现开关和正反向调节，使用钮子开关控制开关，并串入信号指示灯。
实现电路：
要实现高精度恒流源，选择前级使用线性稳压器，为了保留升级及应用部分，在稳压器前级增加一个升压芯片，可将低电压升压至35V，这样恒流源输出的电压可达30V以上，对阻值较高的负载也使用。
电源部分电路：
看一下预览效果图，按键、灯都需要放置于前面板。预留数字控制接口，预留12V风扇接口。
三、安装调试
线圈安装：
先将线圈支支架安装，再进行绕线
绕线尽量均匀、绕线区域宽度需要远小于磁场线圈（当前为1：32），绕制匝数20匝再进行组装（注意使用绝缘材料隔绝外框与漆包线，防止因剐蹭导致漆皮脱落造成局部短路）
绕线完成后进行组装，使满足两平行线圈之间距离等于线圈半径。
恒流源安装:
将电路板元器件焊接完成后，将连接线逐步连接，装入外壳中。
四、验收测试
测试设备:电源，手持万用表，单轴磁传感器
测试方法：设置电流最大档，将传感器平行于磁场方向，分别测试并记录磁场电压值。磁传感器灵敏度21000nT/V
X轴正向：7.3V
X轴反向：-8.46V
ΔV/2=165μT（1.65Gs）
Y轴正向：8.22V
Y轴反向：-6.61V
ΔV/2=155.715μT（1.56Gs）
Z轴正向：10.4V
Z轴反向：-5.46V
ΔV/2=166.53μT（1.67Gs）
输出磁场满足≥±100μT指标
最大档位输出电流约1.8A，计算电流磁场换算系数，当电流变化达到0.011mA时，磁场变化量为1nT，也就是当电流控制波动量≤0.11mA时，磁场变化量≤10nT，达到nT级门槛
恒流源输出端串联1Ω采样电阻，测量采样电阻两端电压值，若稳定输出时电压变化量＜0.1mV，即可判定为nT级。
设定高电流档输出电流至100mA，采样电阻两端电压波动＜0.1mV，可达纳特级及以上。
测试视频：
