CN104299747A - 一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，解决了传统线圈存在的磁场一致性和均匀性差、方向单一等不足的问题。该线圈包括磁屏蔽筒，安装于磁屏蔽筒内的圆柱体或长方体空心骨架，以及绕制于空心骨架侧面上的线圈，所述线圈包括横向线圈和纵向线圈，所述横向线圈平行于空心骨架底面，呈圆弧形或矩形，能在Z轴方向上产生均匀的磁场，纵向线圈垂直于骨架底面，呈直线形，通过改变线圈电流的方向即可在X和Y轴方向产生均匀的磁场。本发明能在X、Y、Z三个方向上产生相互独立的均匀磁场。其中Z方向的磁场为原子陀螺仪工作所需的恒定磁场 B₀ ，X和Y方向的磁场可用于抵消外界产生的磁场扰动，非常适用于原子自旋陀螺仪中。

Description

一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈

技术领域

本发明涉及一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，该线圈能产生三维均匀磁场，配合相应的补偿措施，可以有效的抵消外界及自身剩余磁场的影响，提高原子自旋陀螺仪的精度。属于原子陀螺仪领域。

背景技术

随着惯性导航与制导技术在航空航天以及国民经济中发挥的作用不断提升，陀螺仪作为这项技术的核心部件而备受关注。近年来，基于原子自旋效应发展起来的原子陀螺仪，以其超高的理论精度、高可靠性、低成本等优势受到了世界各国的青睐。

原子自旋陀螺仪的基本原理可用式(1)表示。

ω_p＝γ_nB₀-ω   (1)

ω_p为观测到的原子进动角频率，γ_n为陀螺磁系数，B₀为恒定磁场的磁感应强度，ω为载体绕B₀旋转的角频率。其中ω_p可从光检信号中提取，γ_n和B₀为常量，由此可计算出载体转动角速度ω的值。

根据式(1)可知，受外界磁场的扰动，磁场B₀的波动将引起很大的测量误差。下面以导航级原子陀螺仪为例分析其对磁场B₀的设计要求。

导航级陀螺仪的零偏稳定度要求是0.01°/h，转化为频率的变化量为Δω_p＝7.7×10^-9Hz，假设陀螺仪检测核子选用¹²⁹Xe，其旋磁比γ_n为6.9×10⁶Hz/T，由此可计算出磁场变化率的设计要求是ΔB＝1.1×10^-15T。而在距离一段长度为5mm、电流为5nA的导线约15mm处的磁场强度就能达到10^-15T量级。另外，地磁场的大小约为5×10^-5T，即使经过多层磁磁屏蔽筒，最终到达样品室的地磁场也远大于10^-15T。

因此，对于高精度的原子自旋陀螺仪，除采用高性能的被动磁屏蔽措施外，还需要进行主动磁补偿：即产生与剩余磁场方向相反、大小相同的补偿磁场，从而抵消外界扰动磁场对原子自旋陀螺仪产生的干扰作用。

传统产生均匀磁场的方法是采用亥姆霍兹线圈(Helmhotz Coil)，它由两个半径相同、电流大小和方向相同、平行且同轴的圆形线圈串联而成，当两线圈的中心距离恰好等于线圈半径时，在中心区域即可得到近似均匀的磁场。

专利公开号CN85102592A描述了一种能产生均匀磁场的马鞍型线圈，相比于同样半径的亥姆霍兹线圈，其磁场均匀度可提高一个数量级以上。但该线圈仅能产生一个方向的磁场，而且也不能应用于原子陀螺仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，能产生三个互相垂直方向的磁场，解决了传统线圈存在的磁场一致性和均匀性差、方向单一等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，包括磁屏蔽筒，安装于磁屏蔽筒内的空心骨架，以及绕制于空心骨架侧面上的线圈，所述线圈包括横向线圈和纵向线圈，所述横向线圈平行于空心骨架底面，纵向线圈垂直于骨架底面。空心骨架内用于放置原子泡样品室，横向线圈的匝数及位置呈上下对称分布，纵向线圈的匝数及位置在空心骨架底面的垂直面上对称分布。横向线圈能在Z轴方向上产生均匀的磁场。通过改变纵线线圈的对称方式及各线圈导线的电流方向即可在X和Y轴方向产生均匀磁场。

具体地，所述空心骨架为空心的圆柱体或长方体，相应地，横向线圈呈圆弧形或矩形，纵向线圈呈直线形，且空心骨架采用非金属材料制作而成。

进一步地，纵向线圈的顶端延伸出磁屏蔽筒外，并在外部用焊接的方式实现闭合。

更进一步地，所述磁屏蔽筒顶部和底部均设有抽运光和检测光的通光孔，磁屏蔽筒顶部还设有用于纵向线圈出线的孔。

再进一步地，所述磁屏蔽筒底部还设有用于引入线圈电流的出线孔或接线柱。

再进一步地，所述横向线圈和纵向线圈采用多层挠性印制板制作而成，并将印制板粘接于空心骨架侧面。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明能在X、Y、Z三个方向上产生相互独立的均匀磁场。其中Z方向的磁场为原子陀螺仪工作所需的恒定磁场B₀，X和Y方向的磁场可用于抵消外界产生的磁场扰动；

(2)本发明纵向线圈的顶端延伸出磁屏蔽筒外，并在外部用焊接的方式实现闭合，因此，延伸在磁屏蔽筒外部的导线产生的磁场对样品室内磁场的影响可忽略不计，而垂直于圆柱体底面的那部分纵向线圈在Z方向均没有磁场分量，因此，当改变X和Y方向的磁场以补偿外界产生的磁场扰动时，Z方向的磁场大小及均匀性完全不受影响；

(3)本发明只需在空心骨架的侧面绕制横向和纵向线圈，线圈的匝数可控，绕制方法简单，采用多层挠性印制板替代绕线可在一定程度上简化设计、避免绕线误差；

(4)本发明只需在空心骨架的侧面绕制线圈，便能产生三维均匀磁场，这不仅为产品的设计提供了方便，还可在一定程度上减小线圈尺寸，更有利于产品的小型化设计。

附图说明

图1为本发明横向线圈的结构示意图。

图2为本发明用于产生X方向磁场的纵向线圈结构示意图(左边为俯视图，右边为沿X轴负向观察的侧视图)。

图3为本发明用于产生Y方向磁场的纵向线圈结构示意图。(左边为俯视图，右边为沿Y轴负方向观察的侧视图)

其中，图中附图标记对应的零部件名称为：

1-空心骨架，2-横向线圈，3-横向线圈，4-孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1-3所示，一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，包括圆柱体空心骨架1、线圈和磁屏蔽筒，空心骨架设于磁屏蔽筒内，空心骨架内用于放置原子泡样品室，线圈对称绕制于空心骨架侧面，上述线圈又分为横向线圈2和纵向线圈3。横向线圈平行于骨架的底面，呈圆弧形，且呈上下对称分布，如图1所示。横向线圈的匝数及位置分布不限于图1，具体方案需根据圆柱体空心骨架和样品室的尺寸、绕线线径、最小线间距等参数决定。纵向线圈垂直于空心骨架底面呈直线形，线圈的匝数及位置相对于X-Z或Y-Z平面呈对称分布，如图2所示的纵向线圈相对于Y-Z平面成对称分布，按图中箭头方向通以电流便可产生X方向的磁场；如图3所示的纵向线圈相对于X-Z平面成对称分布，按图中箭头方向通以电流便可产生Y方向的磁场。纵向线圈的匝数和位置也需综合考虑圆柱体空心骨架和样品室的尺寸、绕线线径、最小线间距等参数而定。

磁屏蔽筒底部设有各线圈电流的输入和输出引脚或接线柱和孔，引脚或接线柱为直插型，可直接焊接在外部的印制板上。磁屏蔽筒的顶部留有用于纵向线圈出线的孔4，即图2和图3中虚线部分均需在磁屏蔽外面焊线连接。磁屏蔽筒的顶部和底部还设有抽运光、探测光和检测光的通光孔。

本发明通过对线圈进行对称绕制，并合理设置线圈匝数和位置，使得磁场的一致性和均匀性有了不同程度的提高。

假设空心骨架为圆柱体空心骨架，直径和高度均为9mm，原子泡样品室位于线圈中央，形状为长6mm的立方体。取样品室内任意一点，用δB_Z表征该点在Z方向磁场的不一致性。

$\mathrm{\δ}{B}_Z=1-\frac{B_Z}{\left|\stackrel{\→}{B}\right|}---\left(2\right)$

其中B_Z表示该点磁场在Z方向的分量；表示该点磁场的模值。δB_Z为0表示该点只存在Z方向的磁场，磁场的一致性最好；δB_Z不为0时，其值越大表示Z方向磁场一致性越差。

若将样品室平均分成20×20×20个区域，并计算每个区域内中心点的δB_Z值。在整个样品室内，δB_Z的最小值一定是趋近于0，因此可采用样品室内8000个区域的δB_Z的最大值表征样品室内磁场不一致的程度。而对于磁场的均匀性，可采用各区域内磁场分量BZ的归一化标准方差σB_Z表征。

表1、表2分别给出了亥姆霍兹线圈和本发明所述线圈在样品室内磁场的一致性和均匀性数据。相对前者，本发明所述线圈在Z轴方向上产生的磁场具有更好的一致性和均匀性，同时，还能在X轴和Y轴方向上产生一致性和均匀性较好的磁场。

表1

表2

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，其特征在于，包括磁屏蔽筒，安装于磁屏蔽筒内的空心骨架（1），以及绕制于空心骨架侧面上的线圈，所述线圈包括横向线圈（2）和纵向线圈（3），所述横向线圈平行于空心骨架底面，纵向线圈垂直于骨架底面。

2.根据权利要求1所述的一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，其特征在于，所述空心骨架为空心的圆柱体或长方体，相应地，横向线圈呈圆弧形或矩形，纵向线圈呈直线形，且空心骨架采用非金属材料制作而成。

3.根据权利要求1所述的一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，其特征在于，纵向线圈的顶端延伸出磁屏蔽筒外，并在外部用焊接的方式实现闭合。

4. 根据权利要求3所述的一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，其特征在于，所述磁屏蔽筒顶部和底部均设有抽运光和检测光的通光孔，磁屏蔽筒顶部还设有用于纵向线圈出线的孔（4）。

5.根据权利要求4所述的一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，其特征在于，所述磁屏蔽筒底部还设有用于引入线圈电流的出线孔或接线柱。

6.根据权利要求1所述的一种适用于原子自旋陀螺仪的三轴磁场线圈，其特征在于，所述横向线圈和纵向线圈采用多层挠性印制板制作而成，并将印制板粘接于空心骨架侧面。