CN103454461B - 通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，通过在屏蔽磁场线圈外绕制特定规格的补偿绕组，通过补偿绕组改变原磁场线圈的磁力线分布，使得屏蔽磁场线圈的非均匀性成数量级的增加。补偿绕组产生的磁场与因为磁屏蔽层改变了磁场线圈内部的磁力线分布而增加非均匀部分磁场的大小相等、方向相反，以达到补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的目的。

Description

通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种屏蔽磁场线圈的非均匀性补偿技术，特别是涉及一种通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性补偿方法，属于电磁技术领域。

背景技术

在对弱磁场磁传感器进行校准测试时，为了屏蔽环境干扰磁场的影响，常常使用屏蔽装置和磁场线圈组合的方式。即将用于产生标准磁场的磁场线圈放入屏蔽装置的中心，形成屏蔽磁场线圈。此时，屏蔽装置中有稳定的标准磁场，通过该标准磁场对待检测的弱磁场磁进行校准。

但由于屏蔽装置的增加，会影响磁场线圈所产生的标准磁场的均匀性。目前使用的屏蔽磁场线圈，由于磁屏蔽层与磁场线圈的相互作用，磁屏蔽层改变了磁场线圈内部的磁力线分布，使得标准磁场的均匀度发生很大变化，磁场非均匀性会成数量级的倍数增加。以常用的加列特型螺线管磁场线圈为例，在空气中使用时，其中心20％空间的磁场非均匀性可以优于0.01％；而在屏蔽装置里使用时，相同区域的磁场非均匀性可达2％～3％，严重影响弱磁场磁传感器的校准精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，能够补偿因磁屏蔽层与磁场线圈相互作用，导致磁场线圈内部磁力线分布改变而增加的磁场非均匀性，从而有效解决屏蔽磁场线圈均匀度大幅变差的问题。

所述通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，其具体步骤为：

步骤一、在屏蔽磁场线圈中间段的轴线上选取两个以上检测点，测量所选取的检测点的线圈常数。

步骤二、以屏蔽磁场线圈中心点为坐标原点，步骤一中所测得的各检测点的线圈常数为纵坐标、相应检测点与坐标原点间距离的矢量值为横坐标，绘制线圈常数各个检测点的线圈常数与该检测点距离屏蔽磁场线圈中心点的坐标关系曲线。

步骤三、截取步骤二所绘制的坐标关系曲线中坐标原点左右两个拐点之间的部分，将该部分作为屏蔽磁场线圈的工作段，采用下述多项式(1)拟合工作段曲线：

K_B(X)＝K_B0+K_B2X²+K_B4X⁴(1)

式中：K_B(X)为线圈常数拟合式；K_B0、K_B2、K_B4为拟合公式常数；X为检测点与中心点的距离；

步骤四、设绕制在屏蔽磁场线圈外的补偿绕组的半径为r，间距为2d，匝数为2w；

采用公式(2)计算补偿绕组中心轴线上任意点的线圈常数，其中半径r为常量，d、w均为可调节量；

$k_B\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w}{2}\{\frac{1}{{\[r^2+{(x+d)}^2\]}^{3/2}}+\frac{1}{{\[r^2+{(x-d)}^2\]}^{3/2}}\}---\left(2\right)$

式中：μ₀为真空磁导率；x为补偿绕组上任意一点与中心点之间的距离；

步骤五、对公式(2)按麦克劳林公式展开，得到公式(2)的近似公式：

$k_B\left(x\right)=k_B\left(0\right)+k_B^{\′}\left(0\right)x+\frac{1}{2!}{k}_B^{\′\′}\left(0\right)x^2+\frac{1}{3!}{k}_B^{\′\′\′}\left(0\right)x^3+\frac{1}{4!}{k}_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)x^4+......\left(3\right)$

其中：

$k_B\left(0\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w}{{(r^2+d^2)}^{3/2}}$

k′_B(0)＝0

$k_B^{\′\′}\left(0\right)=3{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{5d^2}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}-\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{5/2}}\]$

k′″_B(0)＝0

$k_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)=90{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{21d^4}{{(r^2+d^2)}^{11/2}}-\frac{14d^2}{{(r^2+d^2)}^{9/2}}+\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}\]$

步骤六、为使补偿绕组与屏蔽磁场线圈产生的磁场相互作用后，最终产生的磁场的线圈常数与位置无关，则应有：

$\frac{1}{2!}{k}_B^{\′\′}\left(0\right)=\frac{1}{2!}\·3{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{5d^2}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}-\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{5/2}}\]=-K_{B2}---\left(4\right)$

$\frac{1}{4!}{k}_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)=\frac{1}{4!}\·90{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{21d^4}{{(r^2+d^2)}^{11/2}}-\frac{14d^2}{{(r^2+d^2)}^{9/2}}+\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}\]=-K_{B4}---\left(5\right)$

求解式(4)和式(5)，得到补偿绕组的绕制间距2d及匝数2w；

步骤七、按步骤六中求得的补偿绕组的绕制间距2d及匝数2w，在屏蔽磁场线圈外绕制补偿绕组，所述补偿绕组的中心、磁轴分别与屏蔽磁场线圈的中心、磁轴重合。

步骤一中所述的中间段的长度不小于屏蔽磁场线圈长度的30％。

所述补偿绕组的半径略大于屏蔽磁场线圈的半径。

所述步骤六中，当求得的匝数值2w的小数位在[0,0.3)或(0.7,1]之间时，采用四舍五入的方法近似取整；当近似取整后为正整数时，补偿绕组与屏蔽磁场线圈正向串联；当近似取整后为负整数时，补偿绕组与屏蔽磁场线圈反向串联；

当求得到的匝数值2w的小数位在[0.3,0.7]时，取进位后的整数值2w_c，然后在补偿绕组的供电电路上并联一个分流电阻；保证增加分流电阻后流过补偿绕组的电流与供电电路的总电流之间的比值η为：

有益效果

该方法通过在屏蔽磁场线圈上增加相应参数的补偿绕组，使补偿绕组产生的磁场与因为磁屏蔽层改变了磁场线圈内部的磁力线分布而增加非均匀部分磁场的大小相等、方向相反，以达到补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的目的。实验表明，采用该方法能够将屏蔽磁场线圈的磁场非均匀性由2％～3％降低到0.1％～0.2％，够能满足目前绝大多数弱磁场磁传感器的校准测试需求。

由于补偿线圈的匝数必须为整数，当计算得到的匝数不为整数时，采用传统的四舍五入的方法近似取整后会带来误差，影响补偿效果。该方法通过对计算得到的匝数进行分类处理，当近似取整误差较大时，通过串联分流电阻修正误差，能够有效的较小因近似取整带来的误差，保证补偿精度。

附图说明

图1为检测点的线圈常数与该检测点距离所述中心点的坐标关系曲线示意图；

图2为通过绕组补偿屏蔽磁场线圈的原理示意图；

图3为分流示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，以更加清楚地说明本发明的技术方案。

本实施例提供一种通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，该方法通过在屏蔽磁场线圈外增加相应的补偿绕组，将屏蔽磁场线圈的磁场非均匀性由2％～3％降低到0.1％～0.2％，以达到补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的目的，从而满足目前绝大多数弱磁场磁传感器的校准测试需求。

该方法的具体步骤为：

步骤一、将用于产生标准磁场的磁场线圈放入磁屏蔽装置，形成屏蔽磁场线圈；

步骤二、测量屏蔽磁场线圈中间段处轴线上的磁场非均匀性，所测量长度一般不少于屏蔽磁场线圈长度的30％。

所述磁场非均匀性的测量方法为：屏蔽磁场线圈所产生的标准磁场的强度B＝I*K_B，其中I为屏蔽磁场线圈中通入的电流，K_B为线圈常数。由于屏蔽磁场线圈中的I为固定值，通过在屏蔽磁场线圈中间段的轴线上选取多个检测点，然后测量这些检测点的线圈常数K_B作为磁场非均匀性的判断参数。

步骤三、画出各个检测点的线圈常数与该检测点距离屏蔽磁场线圈中心点的坐标关系曲线。其中屏蔽磁场线圈的中心点为坐标原点，线圈常数为Y轴(纵轴)，各检测点与中心点间的距离为X轴(横轴)。所述距离为矢量值，设位于屏蔽磁场线圈中心点左侧的检测点与中心点间的距离为负值，位于屏蔽磁场线圈中心点左侧的检测点与中心点间的距离为正值。

步骤四、截取步骤三所画出的坐标关系曲线中中心点左右两个拐点AB之间的部分，如图1所示，将该部分作为工作段(所述工作段为弱磁场磁传感器进行校准测试所在区域)，然后采用下述多项式(1)拟合该部分曲线：

K_B(X)＝K_B0+K_B2X²+K_B4X⁴(1)

式中：K_B(X)为线圈常数拟合式；K_B0、K_B2、K_B4为拟合公式的常数；X为检测点与中心点的距离。

步骤五、设绕制在屏蔽磁场线圈外的补偿绕组的半径为r，间距为2d，匝数为2w。其中r根据屏蔽磁场线圈的外径2R以及结构上的绕线需要确定，一般取r略大于R。

根据半径r，间距2d，匝数2w，采用公式(2)可求得补偿绕组中心轴线上任意点线圈常数与该点距离步骤三中所述中心点的坐标关系。其中r为常量，d、w为可调节量。

$k_B\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w}{2}\{\frac{1}{{\[r^2+{(x+d)}^2\]}^{3/2}}+\frac{1}{{\[r^2+{(x-d)}^2\]}^{3/2}}\}---\left(2\right)$

式中：k_B(x)为补偿绕组上任意一点的线圈常数与该点距中心点之间距离的关系式；μ₀为真空磁导率；x为补偿绕组上任意一点与中心点之间的矢量距离。

步骤六、对公式(2)按麦克劳林公式展开，得到公式(2)的近似公式：

$k_B\left(x\right)=k_B\left(0\right)+k_B^{\′}\left(0\right)x+\frac{1}{2!}{k}_B^{\′\′}\left(0\right)x^2+\frac{1}{3!}{k}_B^{\′\′\′}\left(0\right)x^3+\frac{1}{4!}{k}_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)x^4+......\left(3\right)$

其中：

$k_B\left(0\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w}{{(r^2+d^2)}^{3/2}}$

k′_B(0)＝0

$k_B^{\′\′}\left(0\right)=3{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{5d^2}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}-\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{5/2}}\]$

k″′_B(0)＝0

$k_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)=90{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{21d^4}{{(r^2+d^2)}^{11/2}}-\frac{14d^2}{{(r^2+d^2)}^{9/2}}+\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}\]$

步骤七、为使补偿绕组与屏蔽磁场线圈产生的磁场相互作用后，最终产生的磁场的线圈常数与位置无关，即式(1)加式(3)后为常数。则应有：

$\frac{1}{2!}{k}_B^{\′\′}\left(0\right)=\frac{1}{2!}\·3{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{5d^2}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}-\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{5/2}}\]=-K_{B2}---\left(4\right)$

$\frac{1}{4!}{k}_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)=\frac{1}{4!}\·90{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{21d^4}{{(r^2+d^2)}^{11/2}}-\frac{14d^2}{{(r^2+d^2)}^{9/2}}+\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}\]=-K_{B4}---\left(5\right)$

式(4)和式(5)中μ₀、r、K_B2及K_B2均为常数，求解式(4)和式(5)，便可得到补偿绕组的绕制间距2d及匝数2w。

当求解得的匝数值2w的小数位在[0,0.3)或(0.7,1]时，采用四舍五入的方法取整；当近似取整后为正整数时，补偿绕组与屏蔽磁场线圈正向串联；当近似取整后为负整数时，补偿绕组与屏蔽磁场线圈反向串联；

当求解得到的匝数值2w的小数位[0.3,0.7]时，近似取整误差较大，直接取进位后的整数值2w_c，(如2.3，则进位取3)，然后在线圈的供电电路(补偿绕组和屏蔽磁场线圈为同一供电电路上)并联一个分流电阻使其等效于理论值，如图3所示。分流系数η为：所述分流系数指增加分流电阻后流过线圈的电流与供电电路的总电流之间的比值。

步骤八、按步骤七中求得的补偿绕组的绕制间距2d及匝数2w，在磁场线圈外绕制补偿绕组，补偿绕组的中心、磁轴分别与原磁场线圈的中心、磁轴重合，补偿绕组产生的磁场与屏蔽磁场线圈中非均匀部分磁场的大小相等、方向相反，如图2所示，从而达到补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，其特征在于，

步骤一、在屏蔽磁场线圈中间段的轴线上选取两个以上检测点，测量所选取的检测点的线圈常数；

步骤二、以屏蔽磁场线圈中心点为坐标原点，步骤一中所测得的各检测点的线圈常数为纵坐标、相应检测点与坐标原点间距离的矢量值为横坐标，绘制线圈常数各个检测点的线圈常数与该检测点距离屏蔽磁场线圈中心点的坐标关系曲线；

步骤三、截取步骤二所绘制的坐标关系曲线中坐标原点左右两个拐点之间的部分，将该部分作为屏蔽磁场线圈的工作段，采用下述多项式(1)拟合工作段曲线：

K_B(X)＝K_B0+K_B2X²+K_B4X⁴(1)

式中：K_B(X)为线圈常数拟合式；K_B0、K_B2、K_B4为拟合公式常数；X为检测点与中心点的距离；

步骤四、设绕制在屏蔽磁场线圈外的补偿绕组的半径为r，间距为2d，匝数为2w；

采用公式(2)计算补偿绕组中心轴线上任意点的线圈常数，其中半径r为常量，d、w均为可调节量；

$k_B\left(x\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w}{2}\{\frac{1}{{\[r^2+{(x+d)}^2\]}^{3/2}}+\frac{1}{{\[r^2+{(x-d)}^2\]}^{3/2}}\}---\left(2\right)$

式中：μ₀为真空磁导率；x为补偿绕组上任意一点与中心点之间的距离；

步骤五、对公式(2)按麦克劳林公式展开，得到公式(2)的近似公式：

$k_B\left(x\right)=k_B\left(0\right)+k_B^{\′}\left(0\right)x+\frac{1}{2!}{k}_B^{\′\′}\left(0\right)x^2+\frac{1}{3!}{k}_B^{\′\′\′}\left(0\right)x^3+\frac{1}{4!}{K}_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)x^4+\mathrm{......}\left(3\right)$

其中：

$k_B\left(0\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w}{{(r^2+d^2)}^{3/2}}$

k′_B(0)＝0

$k_B^{\′\′}\left(0\right)=3{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{5d^2}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}-\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{5/2}}\]$

k″′_B(0)＝0

$k_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)=90{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{21d^4}{{(r^2+d^2)}^{11/2}}-\frac{14d^2}{{(r^2+d^2)}^{9/2}}+\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}\]$

步骤六、为使补偿绕组与屏蔽磁场线圈产生的磁场相互作用后，最终产生的磁场的线圈常数与位置无关，则应有：

$\frac{1}{2!}{k}_B^{\′\′}\left(0\right)=\frac{1}{2!}\·3{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{5d^2}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}-\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{5/2}}\]=-K_{B2}---\left(4\right)$

$\frac{1}{4!}{K}_B^{\′\′\′\′}\left(0\right)=\frac{1}{4!}\·90{\mathrm{\μ}}_0{r}^{2}w\[\frac{21d^4}{{(r^2+d^2)}^{11/2}}-\frac{14d^2}{{(r^2+d^2)}^{9/2}}+\frac{1}{{(r^2+d^2)}^{7/2}}\]=-K_{B4}---\left(5\right)$

求解式(4)和式(5)，得到补偿绕组的绕制间距2d及匝数2w；

步骤七、按步骤六中求得的补偿绕组的绕制间距2d及匝数2w，在屏蔽磁场线圈外绕制补偿绕组，所述补偿绕组的中心、磁轴分别与屏蔽磁场线圈的中心、磁轴重合。

2.根据权利要求1所述的通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，其特征在于，步骤一中所述的中间段的长度不小于屏蔽磁场线圈长度的30％。

3.根据权利要求1所述的通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，其特征在于，所述补偿绕组的半径大于屏蔽磁场线圈的半径。

4.根据权利要求1所述的通过绕组补偿屏蔽磁场线圈非均匀性的方法，其特征在于，所述步骤六中，当求得的匝数值2w的小数位在[0,0.3)或(0.7,1]之间时，采用四舍五入的方法近似取整；当近似取整后为正整数时，补偿绕组与屏蔽磁场线圈正向串联；当近似取整后为负整数时，补偿绕组与屏蔽磁场线圈反向串联；

当求得到的匝数值2w的小数位在[0.3,0.7]时，取进位后的整数值2w_c，然后在补偿绕组的供电电路上并联一个分流电阻；保证增加分流电阻后流过补偿绕组的电流与供电电路的总电流之间的比值η为：