CN106024260B - 一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构 - Google Patents

一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构 Download PDF

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Abstract

一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，该结构采用一个骨架固定密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈。静磁场采用密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈共同发生。整套结构置于多层磁屏蔽筒中，通过多层磁屏蔽筒可屏蔽一部分地磁场；密绕螺线管线圈用于生成稳定的强磁场，其磁场均匀度较高，适用于粗略调节静磁场；亥姆核磁线圈用于补偿磁屏蔽筒内的剩余磁场，生成磁场强度较小，其均匀度较差，但调节精度较高。采用两组线圈配合，可减小装置体积，解决数控电子系统控制精度不足的问题。通过采用此种双线圈结构，可将控制精度提高75倍。

Description

一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构
技术领域
本发明涉及核磁共振陀螺仪的磁场发生领域，特别是一种高精度磁场补偿结构。
背景技术
微型核磁共振陀螺仪具有小体积、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。核磁共振陀螺仪的性能静磁场强度的稳定性影响，当静磁场强度波动时，陀螺输出也随之波动，因此为了实现高精度的核磁共振陀螺仪，必须实现静磁场强度的稳定控制。
为了实现静磁场强度高精度稳定控制，必须通过电子系统闭环反馈的方式进行控制。传统的单线圈结构，D/A控制精度有限，磁场控制的最小精度不高，不能实现高精度静磁场控制。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，解决在核磁共振陀螺中静磁场强度控制精度不足的问题，实现静磁场强度的高精度稳定控制。
本发明的技术解决方案为：一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，包括：亥姆赫兹线圈、密绕螺线管线圈、线圈骨架、多层磁屏蔽筒；
线圈骨架为中空结构，线圈骨架的外表面上设置两组环形凹槽；在线圈骨架的两组环形凹槽内缠绕线圈，且两组环形凹槽内缠绕的线圈相连，组成亥姆赫兹线圈；线圈骨架的外表面上设置的两组环形凹槽将线圈骨架的外表面分成三部分，在每部分外表面密绕线圈，三部分密绕线圈依次相连，组成密绕螺线管线圈；将线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中；
密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈通入电流后分别产生静磁场，线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中，屏蔽一部分地磁场；密绕螺线管线圈通电流后生成稳定的强磁场，通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场强度，亥姆核磁线圈通电流后产生弱磁场，通过调节亥姆核磁线圈的电流，细调静磁场强度；调节亥姆核磁线圈，精确抵消剩余地磁场。
所述线圈骨架为圆柱形，线圈骨架上设置两组环形凹槽为圆环形，两组凹槽与线圈骨架同轴。
所述密绕螺线管线圈产生磁场强度为-30uT～30uT,控制分辨率为16bit，控制精度为0.9nT。
所述亥姆赫兹线圈产生的磁场强度为-100nT～100nT，控制分辨率为16bit，控制精度为3pT。
所述多层磁屏蔽筒为4层，能够将地磁场屏蔽在20nT以内。
所述密绕螺线管线圈的半径和长度L的比值为1：2.5～1：3.5。
所述两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈的半径和两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈中心的间距的比例为1：0.9～1：1.1。
所述每组环形凹槽宽度为2～3mm，深度为1～2mm。
所述通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场的方法为：加大密绕螺线管线圈的电流，提高静磁场的磁场强度，减小密绕螺线管线圈的电流，降低静磁场的磁场强度。
双线圈结构还包括原子气室，原子气室位于线圈骨架的中心，原子气室为一个全封闭的玻璃泡，玻璃泡内充入碱金属和惰性气体，双线圈结构提供均匀磁场驱动原子气室实现核磁共振效应。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供了一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，密绕螺线管线圈可以产生低精度高强度的磁场，亥姆赫兹线圈可产生高精度低强度的磁场，两种线圈组合使用，可解决数控电子系统控制精度不足的问题。
(2)本发明为增加一组精度较高的亥姆赫兹线圈，通过高精度线圈和低精度线圈组合，实现高精度静磁场稳定控制，解决单线圈控制精度不足的问题。
(3)本发明所述的线圈骨架为圆柱形，线圈骨架上设置两组环形凹槽为圆环形，两组凹槽与线圈骨架同轴，此设计可限制线圈在凹槽内缠绕，避免机械振动导致线圈发生位移，使得线圈产生的磁场发生变化，并且同轴设计可使得两组线圈产生的均匀磁场重合，磁场均匀度提高。
(4)本发明所述密绕螺线管线圈产生磁场强度为-30uT～30uT,控制分辨率为16bit，控制精度为0.9nT；亥姆赫兹线圈产生的磁场强度为-100nT～100nT，控制分辨率为16bit，控制精度为3pT。由于核磁共振陀螺需工作在高精度的强磁场环境下，密绕螺线管可产生的磁场强度较高，但控制精度低，亥姆赫兹线圈产生的磁场强度低但控制精度高，通过两种线圈的组合，实现生成-30uT～30uT之间，精度为3pT的均匀磁场。
(5)本发明的多层磁屏蔽筒为4层，采用1层磁屏蔽不能有效的屏蔽地磁场，只能屏蔽到1uT～5uT以内，采用多层磁屏蔽，可提高屏蔽效果，能够将地磁场屏蔽在20nT以内。
(6)本发明所述密绕螺线管线圈的半径和长度L的比值为1：2.5～1：3.5，此比例下，密绕螺线管线圈产生的磁场均匀度较高，体积较小。
(7)本发明所述的两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈的半径和两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈中心的间距的比例为1：0.9～1：1.1，此比例下，密绕螺线管线圈产生的磁场均匀度较高，体积较小。
(8)本发明所述的每组环形凹槽宽度为2～3mm，深度为1～2mm。通过设置凹槽宽度和深度，导线可在凹槽内紧密缠绕，避免导线上下堆叠，影响产生磁场的均匀性。
(9)本发明所述的加大密绕螺线管线圈的电流，提高静磁场的磁场强度，减小密绕螺线管线圈的电流，降低静磁场的磁场强度。采用此方案，可通过外接D/A和控制器精确控制生成磁场的强度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图A；
图2为本发明的线圈骨架示意图。
图3为本发明的电控系统示意图。
图4为本发明的整体结构示意图B。
具体实施方式
本发明的基本思路为：本发明的静磁场采用密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈共同发生；整套结构置于多层磁屏蔽筒中，通过多层磁屏蔽筒可屏蔽一部分地磁场；密绕螺线管线圈用于生成稳定的强磁场，其磁场均匀度较高，适用于粗略调节静磁场；亥姆核磁线圈用于补偿磁屏蔽筒内的剩余磁场，其均匀度较差，但调节精度较高。
线圈骨架上设计两组凹槽，凹槽内部用于缠绕亥姆赫兹线圈，凹槽周围用于缠绕密绕螺线管线圈。凹槽的间距和凹槽的半径相同，实现标准亥姆赫兹线圈设计。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，包括：亥姆赫兹线圈、密绕螺线管线圈、线圈骨架、多层磁屏蔽筒；
线圈骨架为中空结构，线圈骨架的外表面上设置两组环形凹槽；在线圈骨架的两组环形凹槽内缠绕线圈，且两组环形凹槽内缠绕的线圈相连，组成亥姆赫兹线圈；线圈骨架的外表面上设置的两组环形凹槽将线圈骨架的外表面分成三部分，在每部分外表面密绕线圈，三部分密绕线圈依次相连，组成密绕螺线管线圈；将线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中；
所述线圈骨架为圆柱形，线圈骨架上设置两组环形凹槽为圆环形，两组凹槽与线圈骨架同轴。圆柱形骨架方便缠绕导线，并且体积小。两组凹槽与线圈骨架同轴，此设计可限制线圈在凹槽内缠绕，避免机械振动导致线圈发生位移，使得线圈产生的磁场发生变化，并且同轴设计可使得两组线圈产生的均匀磁场重合，磁场均匀度提高。线圈采用单层密绕的方法缠绕，即导线和导线之间紧密排列，没有缝隙，并且只缠绕一层导线，单层密绕便于工艺实现，并且均匀度高，使得最后生成的磁场的均匀度提高。
所述密绕螺线管线圈产生磁场强度为-30uT～30uT,控制分辨率为16bit，控制精度为0.9nT；亥姆赫兹线圈产生的磁场强度为-100nT～100nT，控制分辨率为16bit，控制精度为3pT。由于核磁共振陀螺需工作在高精度的强磁场环境下，密绕螺线管可产生的磁场强度较高，但控制精度低，亥姆赫兹线圈产生的磁场强度低但控制精度高，通过两种线圈的组合，实现生成-30uT～30uT之间，精度为3pT的均匀磁场。
所述的多层磁屏蔽筒为4层，采用1层磁屏蔽不能有效的屏蔽地磁场，只能屏蔽到1uT～5uT以内，采用多层磁屏蔽，可提高屏蔽效果，能够将地磁场屏蔽在20nT以内。
所述密绕螺线管线圈的半径和长度L的比值为1：2.5～1：3.5，此比例下，密绕螺线管线圈产生的磁场均匀度较高，体积较小。
所述的两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈的半径和两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈中心的间距的比例为1：0.9～1：1.1，此比例下，密绕螺线管线圈产生的磁场均匀度较高，体积较小。
所述的每组环形凹槽宽度为2～3mm，深度为1～2mm。通过设置凹槽宽度和深度，导线可在凹槽内紧密缠绕，避免导线上下堆叠，影响产生磁场的均匀性。
密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈通入电流后分别产生静磁场，线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中，屏蔽一部分地磁场；密绕螺线管线圈通电流后生成稳定的强磁场，通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场强度，亥姆核磁线圈通电流后产生弱磁场，通过调节亥姆核磁线圈的电流，细调静磁场强度；调节亥姆核磁线圈，精确抵消剩余地磁场。
图1和图4中密绕螺线管线圈4和亥姆赫兹线圈3均缠绕在线圈骨架5上，用于敏感核磁共振效应的原子气室1放置在线圈骨架内部中间磁场均匀度最高的位置。
图2中，线圈骨架5上加工出两组突起的凹槽6，凹槽的中心间距等于凹槽的半径，凹槽内部缠绕亥姆赫兹线圈3，凹槽周围缠绕密绕螺线管线圈4。
图1中将线管骨架5置于多层磁屏蔽筒2中，用于屏蔽地磁场。
图3中密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈通入电流后分别产生静磁场，线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中，屏蔽一部分地磁场；密绕螺线管线圈通电流后生成稳定的强磁场，通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场强度，每调节一个档位，增大或减小0.9nT磁场强度；通过调节亥姆核磁线圈电流细调静磁场强度，每调节一个档位，增大或减小3pT磁场强度。
调节亥姆核磁线圈，精确抵消剩余地磁场的实现装置，包括控制器、一个16bit精度的数模转换器D/A、密绕螺线管线圈、另一个16bit精度的数模转换器D/A、亥姆核磁线圈；采用控制器控制16bit精度的数模转换器D/A产生驱动线圈的电流。一个D/A用于驱动密绕螺线管线圈4，另一个D/A用于驱动亥姆赫兹线圈3。当D/A产生最大电流时，密绕螺线管线圈4最大能够产生的磁场强度为-30uT～30uT，亥姆赫兹线圈3最大能够产生的磁场强度为-100nT～100nT。通过计算，最小磁场控制精度由0.9nT提高到3pT，控制精度提高75倍。
所述密绕螺线管线圈为缠绕后的每圈螺线管线圈紧密贴合。线圈采用单层密绕的方法缠绕，即导线和导线之间紧密排列，没有缝隙，并且只缠绕一层导线，单层密绕便于工艺实现，并且均匀度高，使得最后生成的磁场的均匀度提高。所述两组环形凹槽内缠绕的线圈和线圈骨架的外表面的三部分密绕的线圈为漆包线。漆包线表面有一层绝缘层，使得导线紧密贴合时不短路导通。
所述4层磁屏蔽外壳采用高磁导率坡莫合金制成，彼此不接触，且层与层之间留有1mm～2mm的间隙。设计空隙为了放置磁屏蔽不接触，当磁屏蔽接触时，会极大的降低磁屏蔽的屏蔽效果。因此为了提高磁屏蔽的屏蔽效果，必须保证磁屏蔽层与层之间保持1mm～2mm，保证层与层之间不接触。
为了保持原子了保持原子气室感受的静磁场恒定，需要调节亥姆核磁线圈，精确补偿剩余地磁场，由于亥姆赫兹线圈所能产生的磁场最大为200nT，为了实现磁场抵消补偿，磁屏蔽必须将地磁场屏蔽在200nT以内，这样，无论陀螺如何旋转，总可以保证被屏蔽的地磁场强度在-200nT～200nT以内，此时通过亥姆赫兹线圈对剩余的地磁场进行补偿，可保持磁屏蔽内部的总磁场强度不变。
基于上述结构的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构调节静磁场强度的方法，步骤如下：
(1)线圈骨架为中空结构，在线圈骨架的外表面上设置两组环形凹槽；
(2)在线圈骨架的两组环形凹槽内缠绕线圈，且两组环形凹槽内缠绕的线圈相连，组成亥姆赫兹线圈；
(3)在线圈骨架的外表面上设置的两组环形凹槽将线圈骨架的外表面分成三部分，在每部分外表面密绕线圈，三部分密绕线圈依次相连，组成密绕螺线管线圈；
(4)将线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中；
(5)密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈通入电流后分别产生静磁场，线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中，屏蔽一部分地磁场；
(6)密绕螺线管线圈通电流后生成稳定的强磁场，通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场强度；
(7)亥姆核磁线圈通电流后产生弱磁场，通过调节亥姆核磁线圈的电流，细调静磁场强度；
(8)调节亥姆核磁线圈，精确抵消剩余地磁场。
本发明提供了一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，密绕螺线管线圈可以产生低精度高强度的磁场，亥姆赫兹线圈可产生高精度低强度的磁场，两种线圈组合使用，可解决数控电子系统控制精度不足的问题。本发明经过仿真，最大能够产生的磁场强度为-30uT～30uT，最小磁场控制精度由0.9nT提高到3pT，最小控制精度提高75倍。

Claims (10)

1.一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于包括：亥姆赫兹线圈、密绕螺线管线圈、线圈骨架、多层磁屏蔽筒；
线圈骨架为中空结构，线圈骨架的外表面上设置两组环形凹槽；在线圈骨架的两组环形凹槽内缠绕线圈，且两组环形凹槽内缠绕的线圈相连，组成亥姆赫兹线圈；线圈骨架的外表面上设置的两组环形凹槽将线圈骨架的外表面分成三部分，在每部分外表面密绕线圈，三部分密绕线圈依次相连，组成密绕螺线管线圈；将线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中；
密绕螺线管线圈和亥姆赫兹线圈通入电流后分别产生静磁场，线圈骨架置于多层磁屏蔽筒中，屏蔽一部分地磁场；密绕螺线管线圈通电流后生成稳定的强磁场，通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场强度，亥姆核磁线圈通电流后产生弱磁场，通过调节亥姆核磁线圈的电流，细调静磁场强度；调节亥姆核磁线圈，精确抵消剩余地磁场。
2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述线圈骨架为圆柱形，线圈骨架上设置两组环形凹槽为圆环形，两组凹槽与线圈骨架同轴。
3.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述密绕螺线管线圈产生磁场强度为-30uT～30uT,控制分辨率为16bit，控制精度为0.9nT。
4.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述亥姆赫兹线圈产生的磁场强度为-100nT～100nT，控制分辨率为16bit，控制精度为3pT。
5.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述多层磁屏蔽筒为4层，能够将地磁场屏蔽在20nT以内。
6.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述密绕螺线管线圈的半径和长度L的比值为1：2.5～1：3.5。
7.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈的半径和两组环形凹槽内亥姆赫兹线圈中心的间距的比例为1：0.9～1：1.1。
8.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述每组环形凹槽宽度为2～3mm，深度为1～2mm。
9.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：所述通过调节密绕螺线管线圈的电流粗调静磁场的方法为：加大密绕螺线管线圈的电流，提高静磁场的磁场强度，减小密绕螺线管线圈的电流，降低静磁场的磁场强度。
10.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺高精度磁场控制的双线圈结构，其特征在于：还包括原子气室，原子气室位于线圈骨架的中心，原子气室为一个全封闭的玻璃泡，玻璃泡内充入碱金属和惰性气体，双线圈结构提供均匀磁场驱动原子气室实现核磁共振效应。
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