測(cè)控技術(shù)與儀器課程設(shè)計(jì)-電流環(huán)磁場(chǎng)的分布.doc

測(cè)試與光電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)測(cè)控技術(shù)與儀器系090812班學(xué)號(hào)09081209姓名王若玨課題名稱(chēng)：電流環(huán)磁場(chǎng)的分布課題要求：1.建立電流環(huán)磁場(chǎng)模型2.掌握?qǐng)D形的繪制3.編寫(xiě)圖形顯示界面4.顯示電流環(huán)磁場(chǎng)分布圖課題進(jìn)程：第一周：確定使用哪種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程；編寫(xiě)主要功能。第二周：程序的完善、運(yùn)行與調(diào)試；撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。指導(dǎo)教師：袁麗華【摘要】MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。本課程設(shè)計(jì)根據(jù)畢奧一薩伐爾定律推導(dǎo)出圓環(huán)電流磁場(chǎng)分布的積分表示，利用MATLAB的符號(hào)積分得出計(jì)算結(jié)果，并繪制磁場(chǎng)分布曲線。并通過(guò)GUI制作可交互式界面進(jìn)行仿真與演示。本課程設(shè)計(jì)選用MATLABR2008a軟件。關(guān)鍵詞：圓環(huán)電流；磁場(chǎng)；MATLAB；符號(hào)積分；GUI目錄一引言.11.1課題簡(jiǎn)介.11.2課題制作要點(diǎn).11.3MATLAB軟件.1二理論分析.22.1畢奧一薩伐爾定律.22.2電流元Idl在圓環(huán)外的磁場(chǎng).22.3電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng).32.4距離圓心z處的磁感應(yīng)強(qiáng)度.3三程序設(shè)計(jì).43.1GUI界面設(shè)計(jì).43.1.1創(chuàng)建GUI文件.43.1.2GUI布局與控件設(shè)計(jì).43.1.3GUI菜單欄設(shè)計(jì).63.2功能實(shí)現(xiàn).63.2.1菜單功能.63.2.2繪圖設(shè)置相關(guān)控件功能實(shí)現(xiàn).7四GUI運(yùn)行效果.114.1GUI初始化效果.114.2菜單欄效果.114.3繪圖效果.12五心得體會(huì).13六參考文獻(xiàn).13第1頁(yè)（共13頁(yè)）一引言1.1課題簡(jiǎn)介圓電流是一個(gè)經(jīng)典的物理模型。對(duì)圓電流內(nèi)磁場(chǎng)分布特性的研究，在宏觀上可以改善線圈繞組在電機(jī)中的應(yīng)用。微觀上?？梢越o分子電流提供理論基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步研究磁介質(zhì)的磁性特征也有重要參考價(jià)值。本課題主要著重于對(duì)電流環(huán)磁場(chǎng)進(jìn)行建模與仿真，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律通過(guò)設(shè)定電流環(huán)半徑、電流強(qiáng)度，模擬不同情況下磁場(chǎng)與磁感線的分布情況，并繪制成圖像。1.2課題制作要點(diǎn)1電流環(huán)磁場(chǎng)參數(shù)的設(shè)定2電流環(huán)磁場(chǎng)的建模與仿真3可交互式GUI界面的設(shè)計(jì)1.3MATLAB軟件簡(jiǎn)介MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶(hù)可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C+。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能，MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶(hù)界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶(hù)也可以得到滿(mǎn)足。第2頁(yè)（共13頁(yè)）二理論分析2.1畢奧一薩伐爾定律畢奧一薩伐爾定律是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)科學(xué)抽象而得到的，描述的是電流元在空間任一點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。原則上利用畢奧一薩伐爾定律并結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，可以計(jì)算任意形狀的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。畢奧薩伐爾定律指出：載流導(dǎo)線上的電流元在真空中某點(diǎn)P的磁感度dB的大小與電流元的大小成正比，與電流元和從電流元到P點(diǎn)的位矢r之間的夾角的正弦成正比，與位矢r的大小的平方成反比，即：rrIdld2004上式中，r0為位矢r的單位矢量。此即畢奧薩伐爾定律的公式表述。2.2電流元Idl在圓環(huán)外的磁場(chǎng)圖1電流元在電流環(huán)外的磁場(chǎng)如圖1所示，根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，任一電流元Idl在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度rIdld2r0e4，考慮到Rddl，Rr-xrR，Rx-xRr2coscos2222222,有d）Rxx（R)R(R-xI-dB/23220cos2cos4（1）。第3頁(yè)（共13頁(yè)）2.3電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)圖2電流元在電流環(huán)內(nèi)的磁場(chǎng)如圖2所示，電流元Idl在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度rIdld2r0e4，即d）Rxx（R)R(R-xIdB/23220cos2cos4（2）。2.4距離圓心z處的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)、外的磁場(chǎng)表達(dá)式，兩式僅相差一個(gè)負(fù)號(hào)。該負(fù)號(hào)體現(xiàn)了兩種情況下磁場(chǎng)方向正好相反。若規(guī)定垂直紙面向外為磁感應(yīng)強(qiáng)度的正方向，則電流元Idl在圓環(huán)內(nèi)、外產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度可統(tǒng)一表示為(2)式的形式。結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度疊加原理，整個(gè)圓環(huán)電流在距圓心處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：d）Rxx（R）xR（/023220cos2cos2第4頁(yè)（共13頁(yè)）三程序設(shè)計(jì)3.1GUI界面設(shè)計(jì)3.1.1創(chuàng)建GUI文件打開(kāi)MATLAB軟件后，點(diǎn)擊菜單欄中的“GUIDE”按鈕，進(jìn)入“GUIDEquick