CN104819712A - 一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，该结构件包括芯轴支架、横向磁补偿线圈和纵向磁补偿线圈。其中，芯轴支架为圆筒形，内部放置原子气室光路结构件，且外壁上设有绕线槽和贴片槽，用于固定横向磁补偿线圈和纵向磁补偿线圈。纵向磁补偿线圈采用漆包线绕制的圆形亥姆赫兹线圈结构，除了用于补偿陀螺仪的纵向剩余磁场，同时为陀螺仪提供均匀的静磁场。横向磁补偿线圈采用鞍形线圈的结构，用于补偿陀螺仪的横向剩余磁场，每个线圈独立供电，同时印制在一块柔性电路板上，弯绕贴覆在内层芯轴支架的安装槽内。本发明与现有技术相比磁场均匀性好，结构更为紧凑，工艺性更好，易于安装、集成和维护。

Description

一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件
技术领域
本发明涉及微型核磁共振陀螺仪技术领域，特别涉及一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，用于补偿陀螺仪的三维剩余磁场并提供了均匀的纵向静磁场，可以应用于战略、战术武器装备、微小型空间飞行器。
背景技术
微型核磁共振陀螺具有小体积、低功耗、高性能、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。
核磁共振陀螺仪利用原子核自旋磁矩的拉莫尔进动感知物体转动信息，原理上需要在纵向上制备一个均匀、稳定的静磁场，同时屏蔽/补偿包括地磁场在内的所有外界磁场干扰。由于受到体积、重量等因素的限制，核磁共振陀螺仪的磁屏蔽系统的屏蔽效果很有限，进一步提高陀螺仪的性能，需要在磁屏蔽内部设计一套性能优异的三维磁补偿线圈结构，用于补偿剩余磁场并制备均匀的静磁场。
对于核磁共振陀螺仪其既要求静磁场必须是稳定的，也要求原子气室空间范围内的磁场必须是均匀的，否则会导致磁共振频率变宽，使陀螺仪的信噪比降低。而磁场的均匀性主要是由线圈的几何形态决定的，即使在电路上进行了控制反馈，也只能够保证磁场的稳定性而不能保证磁场的均匀性。
目前通常使用方形亥姆赫兹线圈作为磁补偿线圈结构，为核磁共振陀螺仪制备均匀的纵向/横向磁场。但是由于磁屏蔽通常为圆柱形，方形亥姆赫兹线圈不易安装。而且方形亥姆赫兹线圈只有在线圈间距等于1.1倍的线圈边长时磁场均匀性才最好，否则其均匀性将迅速恶化。这样的尺寸要求使得三维线圈内部空间的使用率非常低，不利于核磁共振陀螺仪的小型化设计。此外，三维方形亥姆赫兹线圈构成笼式结构，与内部光路结构干涉，拆装调试方形亥姆赫兹线圈需要破坏内部的光路结构，可维护性差。
理论上鞍形线圈也可构建均匀的磁场且结构紧凑，但是传统的漆包线绕线工艺无法精确构建鞍形线圈的圆弧段，绕制而成的线圈由于尺寸误差其磁场均匀性远不如方形亥姆赫兹线圈。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，该结构件由圆形亥姆赫兹线圈和鞍形线圈构成，用于补偿陀螺仪的三维剩余磁场并提供了均匀的纵向静磁场，该线圈结构件的结构紧凑、工艺简单、维护性好。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，包括芯轴支架1、纵向磁补偿线圈2和横向磁补偿线圈3，其中：
芯轴支架1为空心圆筒，微型核磁共振陀螺仪的原子气室光路结构件，放置所述空心圆筒内，并且所述空心圆筒的外壁上开设有绕线槽101和贴片槽102；其中，绕线槽101包括2个相同的环形凹槽，所述两个环形凹槽所在的平面彼此平行且垂直于芯轴支架1的中心轴线；贴片槽102为一个位于两个绕线槽之间的环形凹槽。
纵向磁补偿线圈2为圆形亥姆赫兹线圈，通过将漆包线绕制在绕线槽101内得到；横向磁补偿线圈3包括4个相同的鞍形线圈，所述4个鞍形线圈印制在一块柔性电路板上并均匀分布，所述柔性电路板弯绕贴覆在贴片槽102内；贴覆后的鞍形线圈直线段与芯轴支架1的中心轴线平行；其中，横向磁补偿线圈3与纵向磁补偿线圈2互不接触。
在上述的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件中，横向磁补偿线圈3的四个鞍形线圈采用单导线回路且单独供电。
在上述的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件中，在横向磁补偿线圈3中，每个鞍形线圈的圆弧段对应的圆心角为75°～85°。
在上述的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件中，在横向磁补偿线圈3中，每个鞍形线圈的长径比为1.3～1.8，其中，所述长径比为直线段的长度与圆弧段的对应的圆直径之比。
在上述的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件中，芯轴支架1选用无磁性材料，且所述材料的耐高温性能高于150℃，且导热率低于10W/(m.℃)。
在上述的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件中，芯轴支架1的材料为聚酰亚胺、陶瓷、环氧玻璃布棒或聚四氟乙烯。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明的磁补偿线圈结构件包括圆形亥姆赫兹线圈和鞍形线圈，具备这两种线圈的优点，不仅可以提供均匀的纵向静磁场，并且具备紧凑的结构；
(2)、本发明的磁补偿线圈结构件的横向磁补偿线圈采用鞍形线圈，并且用印制柔性电路的方式代替传统的漆包线绕线工艺，贴覆在芯轴支架的贴片槽内可精确控制线圈的圆弧段形状，提高了鞍形线圈的实际性能，制备工艺性更高；
(3)、本发明的磁补偿线圈结构件的纵向磁补偿线圈首先绕制在芯轴支架的绕线槽内，而后横向磁补偿线圈贴覆在芯轴支架贴片槽内，两种线圈空间上不干涉，定位方式简单可靠，装配工艺性更好；
(4)、本发明的磁补偿线圈结构件的三维磁补偿线圈装配完毕后为圆筒形，便于装入圆柱形的磁屏蔽筒内，且与原子气室光路结构件空间不干涉，安装/拆卸线圈时不用破坏光路结构，维护性更优。
附图说明
图1为本发明的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件的结构爆炸图；
图2为本发明中芯轴支架的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示的磁补偿线圈结构件的结构爆炸图，本发明的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件包括芯轴支架1、纵向磁补偿线圈2和横向磁补偿线圈3。
其中，如图2所示的芯轴支架1的结构示意图，芯轴支架1为空心圆筒，便于安装在圆柱形的磁屏蔽筒内，在实际应用中将微型核磁共振陀螺仪的原子气室光路结构件放置所述空心圆筒内，因此可以确保磁补偿线圈与内部光路结构件空间不干涉，安装/拆卸线圈时不用破坏光路结构，维护性更高。芯轴支架1的外壁上开设有绕线槽101和贴片槽102。其中，绕线槽101用于绕制纵向磁补偿线圈2，该绕线槽101包括2个相同的环形凹槽，这两个环形凹槽所在的平面彼此平行且垂直于芯轴支架1的中心轴线。贴片槽102用于固定横向磁补偿线圈3，该贴片槽为1个环形凹槽，用于环绕贴覆横向磁补偿线圈3；
在本发明中，芯轴支架1选用无磁性材料，为了确保磁补偿结构件在高温环境下稳定工作，要求芯轴支架1的材料耐高温性能高于150℃，且导热率低于10W/(m.℃)，例如聚酰亚胺、陶瓷、环氧玻璃布棒或聚四氟乙烯。在本实施例中，芯轴支架1采用聚酰亚胺材料，这种材料的加工性和力学性能优异，并且这种材料的导热率低，产生的热阻大，并且能够在250℃的高温环境下稳定工作，满足原子气室的隔热需求。
纵向磁补偿线圈2采用圆形亥姆赫兹线圈结构，具体实现方式为：将漆包线绕制在绕线槽101内，这两组线圈之间的间距与线圈的直径相等。纵向磁补偿线圈2用于补偿陀螺仪的纵向剩余磁场，同时还可以为陀螺仪提供均匀的静磁场。在本实施例中，将直径为0.1mm的漆包线绕制在芯轴支架1的绕线槽101内，每组线圈50～60匝，线圈间距等于线圈的直径，构建的纵向磁场强度均匀性优于1％。
横向磁补偿线圈3包括4个相同的鞍形线圈，这4个鞍形线圈印制在一块柔性电路板上并均匀分布，所述柔性电路板弯绕贴覆在贴片槽102内；贴覆后的鞍形线圈直线段与芯轴支架1的中心轴线平行。在工程实现时可精确控制鞍形线圈的圆弧段形状，提高了鞍形线圈的实际性能，制备工艺性更高。由于在实际工程应用中对横向磁补偿线圈3的磁感应强度需求不大，为了防止鞍形线圈对之间串联的电线在磁屏蔽筒内引入新的磁场不均匀性，每个鞍形线圈采用单导线回路并独立供电，引线直接引出磁屏蔽筒外。本实施例中，每个鞍形线圈的圆弧段对应的圆心角为75°～85°，并且每个鞍形线圈的长径比(直线段的长度与圆弧段的对应的圆直径之比)为1.3～1.8，这种横向磁补偿线圈构建的纵向磁场强度均匀性优于5％。
在工程实现时，先将纵向磁补偿线圈2绕制在芯轴支架1的绕线槽101内，然后再将横向磁补偿线圈3的柔性电路板贴覆在芯轴支架贴片槽102内，其中绕线槽101的深度比贴片槽102深，可以确保两种线圈空间上不干涉，定位方式简单可靠，装配工艺性更好。
实施例：
在本发明的用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件中，芯轴支架采用聚酰亚胺，导热率为9.2W/(m.℃)，连续耐热温度为250℃，结构为圆筒型，套在原子气室光路结构外部，不与光路结构干涉。
纵向磁补偿线圈采用圆形亥姆赫兹线圈结构，线圈直径为33mm，两个环形线圈的间距为33mm，其中，将直径0.1mm的漆包线绕制在芯轴支架的绕线槽内，每组线圈50匝，励磁电流0.01A时可以产生～13μT的纵向磁场，磁场均匀性优于1％。
横向磁补偿线圈采用4组鞍形线圈，该线圈圆弧段直径为34mm，对应的圆心角为80°，直线段长度为45mm。每组鞍形线圈均采用单导线回路并独立供电，四组印制在同一块柔性电路板上，弯绕贴覆在芯轴支架的贴片槽内。励磁电流0.5A时可以产生～15μT的横向磁场，磁场均匀性优于5％。
总装完成后的磁补偿线圈结构件的结构紧凑，便于装入圆柱形的磁屏蔽筒内，并且与内部光路结构空间不干涉，安装/拆卸线圈时不用破坏光路结构，维护性更优。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，其特征在于：包括芯轴支架(1)、纵向磁补偿线圈(2)和横向磁补偿线圈(3)，其中：
芯轴支架(1)为空心圆筒，微型核磁共振陀螺仪的原子气室光路结构件放置所述空心圆筒内，并且所述空心圆筒的外壁上开设有绕线槽(101)和贴片槽(102)；其中，绕线槽(101)包括2个相同的环形凹槽，所述两个环形凹槽所在的平面彼此平行且垂直于芯轴支架(1)的中心轴线；贴片槽(102)为一个位于两个绕线槽之间的环形凹槽；
纵向磁补偿线圈(2)为圆形亥姆赫兹线圈，通过将漆包线绕制在绕线槽(101)内得到；横向磁补偿线圈(3)包括4个相同的鞍形线圈，所述4个鞍形线圈印制在一块柔性电路板上并均匀分布，所述柔性电路板弯绕贴覆在贴片槽(102)内；贴覆后的鞍形线圈直线段与芯轴支架(1)的中心轴线平行；其中，横向磁补偿线圈(3)与纵向磁补偿线圈(2)互不接触。
2.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，其特征在于：横向磁补偿线圈(3)的四个鞍形线圈采用单导线回路且单独供电。
3.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，其特征在于：在横向磁补偿线圈(3)中，每个鞍形线圈的圆弧段对应的圆心角为75°～85°。
4.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，其特征在于：在横向磁补偿线圈(3)中，每个鞍形线圈的长径比为1.3～1.8，其中，所述长径比为直线段的长度与圆弧段的对应的圆直径之比。
5.根据权利要求1所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，其特征在于：芯轴支架(1)选用无磁性材料，且所述材料的耐高温性能高于150℃，且导热率低于10W/(m.℃)。
6.根据权利要求5所述的一种用于微型核磁共振陀螺仪的磁补偿线圈结构件，其特征在于：芯轴支架(1)的材料为聚酰亚胺、陶瓷、环氧玻璃布棒或聚四氟乙烯。
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