CN106525018A - 一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，该装置包括线圈支撑骨架和静磁场线圈两部分结构。其中，线圈支撑骨架为圆筒形，其内部放置原子气室及加热相关结构件，线圈支撑骨架的侧壁上设置有多道对称分布的环形绕线凹槽，用来固定静磁场线圈。静磁场线圈为上下对称的多组圆形线圈，其对称面为线圈支撑骨架的中心横截面，线圈采用一根漆包铜线绕制，每组缠绕匝数相同，通过特定的位置分布控制，能为核磁共振陀螺仪的气室所在区域提供均匀性极高的高精度静磁场。本发明与现有技术相比磁场均匀性好，结构更为紧凑，易于安装和维护，易实现工程化。

Description

一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置

技术领域

本发明涉及核磁共振陀螺仪的磁场发生技术领域，特别涉及一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，用于产生陀螺仪所需的高精度、高稳定度纵向磁场。可以用于战略、战术武器装备、微小型空间飞行器等领域。

背景技术

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载体转动信息，理论上需要在纵向上制备一个均匀、稳定的高精度静磁场，如上述磁场不够稳定或均匀性不好，会导致磁共振频率变宽，使陀螺仪系统的信噪比降低。磁场的均匀性主要由产生磁场的线圈的几何形状决定，而稳定性可通过在电路上增加控制反馈进行调控。

现阶段经常使用的是一对方形亥姆赫兹线圈作为静磁场发生装置，但由于磁屏蔽设计为圆柱形具有较好的屏蔽效果，利用方形亥姆赫兹线圈不易安装且对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，且方形亥姆赫兹线圈只有在线圈间距等于1.1倍的线圈边长时才具有较好的磁场均匀性，其他尺寸的线圈均匀性极差，不利于陀螺仪内部光路结构的设计与排布。此外，还有使用圆形亥姆赫兹线圈以克服磁屏蔽内空间利用率的问题，但圆形亥姆赫兹会与横向磁场线圈构成笼式结构，与内部光路结构相干涉，拆装与调试时的可维护性较差。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，该装置由多对同轴的环形线圈按一定比例的距离排布，用于在气室所在的陀螺仪中心区域产生高稳定度、高均匀性的纵向静磁场，配合线圈支撑骨架结构整体构成了一个易于拆装的高精度静磁场发生装置。

本发明的技术解决方案为：一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，该装置包括线圈支撑骨架和N对静磁场线圈，线圈支撑骨架为空心圆筒状，沿中心轴线一端中心处开有用于探测筒内泵浦光的通光孔(108)，外侧壁开有N对环形绕线凹槽，环形绕线凹槽所在的平面彼此平行且垂直于线圈支撑骨架的中心轴线，每对环形绕线凹槽以线圈支撑骨架的中心横截面为对称面对称分布，N对静磁场线圈绕制在环形绕线凹槽内。

各环形绕线凹槽内的线圈匝数相同，每对环形绕线凹槽的间距d_i,i＝1～N，通过解算下列方程组确定：

其中，B_i(z)为第i对线圈轴线上距离线圈对称中心点z处的磁感应强度：

为B_i(z)在z＝0处的2j阶偏导数，j＝1～N，μ₀为真空磁导率，I为线圈总电流，为匝数与通电电流乘积，R为环形线圈半径。

线圈支撑骨架外侧壁上还开有与线圈支撑骨架中心轴线平行的通线槽104，N对环形线圈采用一根漆包线绕制，且各线圈绕制方向相同，线头引出线安放于通线槽内。

线圈支撑骨架下端部外侧开有对称的两个沉头孔)，用于将支撑骨架固定安装。

线圈支撑骨架底部开有限位槽，与其安装结构的凸起配合限位，防止拆装过程中部件装反。

支撑骨架的通光孔直径大于3mm。

线圈支撑骨架采用能耐高于150℃高温的无磁性材料制成。

所述无磁性材料选择为聚酰亚胺。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)、本发明采用多对环形线圈作为产生核磁共振陀螺仪纵向静磁场的线圈，不仅可以提供高稳定度、高均匀度的静磁场，并且具备紧凑的结构，拆装方便，可维护性强；

(2)、本发明多组线圈由一根漆包线绕制而成，头尾相接，其实是一组线圈，只需一个电流控制器产生控制与反馈电流即可，控制十分方便；

(3)、本发明通过控制多组线圈分布距离的不同使各对线圈产生的磁场互相作用，达到抵消单对线圈产生的磁场的非均匀性，以获得均匀性较高的纵向静磁场，这种方式控制方便、实施简单；

(4)、本发明将线圈支撑骨架与其安装结构的固定孔设计为沉头孔，这样可使定位更加精准，固定时更易找准位置；

(5)、本发明线圈支撑骨架底部设计了一个限位槽，由于结构具有高度的对称性，每次拆装时，极有可能将线圈支撑骨架装反，而对于原子的共振来说，极微小的结构差异就能引起输出结果的不同，限位槽可避免此类情况发生，这种定位方式简单可靠，装配工艺性更好；

(6)、本发明静磁场发生装置装配完毕后为圆筒形，便于装入圆柱形的磁屏蔽筒内，提高了空间的利用率，利于核磁共振陀螺仪的小型化发展，且与光路结构不干涉，安装和拆卸线圈时不会破坏光路结构，具有更强的可维护性。

(7)、本发明线圈支撑骨架采用能耐高温的无磁性材料聚酰亚胺加工而成，且包裹性很好，一方面防止了骨架对磁场的影响，另一方面具有保温作用，可保证内部气室的温度稳定性。

附图说明

图1为本发明的高精度静磁场发生装置的结构爆炸图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示的是高精度静磁场发生装置的结构爆炸图，本发明提供的用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置包括线圈支撑骨架1和静磁场线圈2。

本发明中的线圈支撑骨架1为空心圆筒形状，便于安装在圆柱形的磁屏蔽筒内，其内部空心结构用于放置核磁共振陀螺仪的气室、加热片、温度传感器以及部分光路结构零件，并通过支撑骨架1上部的两个通孔105固定在气室等相关结构件上，实现了磁场线圈与内部光路结构的分离，安装和拆卸线圈时不会对光路结构造成破坏，具有更高的可维护性。支撑骨架外侧开有多组环形绕线凹槽，如101、102和103，这些环形绕线凹槽所在的平面彼此平行且垂直于线圈支撑骨架1的中心轴线，成对的线圈均以线圈支撑骨架1的中心横截面为对称面上下对称分布；同时，侧壁上开有与线圈支撑骨架1中心轴线平行的通线槽104，用于将缠绕线圈的漆包线引出到线圈支撑骨架1上部。

本发明中的线圈支撑骨架1底部开有对称的两个沉头孔106，用于将支撑骨架1与下部结构固定；限位槽107与下部结构的凸起配合限位，防止拆装过程中部件装反；为了在外部实时观测陀螺仪泵浦光的变化，支撑骨架1上部中心处开有大于3mm的通光孔，本实施例中，所述通光孔直径为6mm。

本发明中的静磁场线圈2由多组相互平行的环形线圈构成，两个线圈组成一对，关于支撑骨架1的中心平面上下对称分布，如201、202和203，这些线圈通过将漆包线绕制在环形绕线凹槽101、102和103内得到，线头引出线安放于通线槽104内。

本发明中的线圈支撑骨架1需采用无磁性材料，为了确保其能在高温环境下工作，要求线圈支架的材料的耐高温性能要高于150℃，且由于原子气室的温度稳定性控制要求，不仅材料要具有较好的保温特性，结构设计上顶端除了必须的通光孔外也设计为封闭式，具有较好的保温性能，能满足陀螺仪工作需求。本发明中采用聚酰亚胺材料制作线圈支撑骨架1。

本发明中的静磁场线圈2为多对互相平行的环形线圈，具体实现方式为：通过将一整根漆包线绕制在环形绕线凹槽101、102和103内得到，

对于其中一对线圈，如201，由毕奥-萨伐尔定律：

式中：为磁感应强度，为电流，为位置矢量，μ₀为真空磁导率。可推知对于一对圆形线圈而言，线圈轴线上距离线圈对称中心点z处的磁感应强度B(z)为：

式中，I为线圈总电流，为匝数与通电电流乘积，R为环形线圈半径。

将B(z)围绕z＝0作泰勒级数展开，其奇次项为零，则有下式：

其中，为B(z)在z＝0处的2n阶偏导数，B(0)为常数项，由于级数的收敛特性，其高阶量随阶数增大而越来越小。若线圈之间的距离d选择合适，则有磁感应强度的二阶偏导数为零，即则二次项被抵消，那么有B(z)＝B(0)+O(z⁴)，O(z⁴)代表z的4次方以及更高次幂的小量，所以B(z)将在轴线上的相当大范围内均匀。

为进一步提高均匀区范围以及中心空间的磁场均匀度，则应该使B(z)级数的二次项以及四次项均为0，即B(z)＝B(0)+O(z⁶)，O(z⁶)代表z的6次方以及更高次幂的小量，所以B(z)将在中心轴线上具有更好的均匀度。这时就需要通过增加变量参数实现，所以施加第二组同轴环形线圈。综合考虑两组线圈产生的磁场，则有：

其中，

式中，μ₀为真空磁导率，I为线圈总电流，为匝数与通电电流乘积，R为环形线圈半径，d_i,i＝1～N为N对环形绕线凹槽的间距。

和项中包含参数d₁，和项中包含参数d₂，则有

解上述二元方程就可以得到使磁场二次项和四次项均为零的参数d₁、d₂，从而确定两组线圈的线圈间距。

对于磁场均匀性更高的三组线圈，其磁场有：

其中，和项中包含参数d₁，和项中包含参数d₂，和项中包含参数d₃，则有：

解这个三元方程就可以得到使磁场二次项、四次项和六次项均为零的参数d₁、d₂、d₃，从而确定三组线圈的线圈间距。

利用这种方式，通过调整合适的线圈间距，再通过数值仿真配比合适的匝数比，就可实现最优的磁场均匀性和最大的磁场均匀范围。同理可施加第四、第五组环形线圈，使磁场表达式的八次项和十次项为零，线圈组数越多，增加的变量参数就越多，通过合适的配比，就可实现气室区域更高的磁场均匀性。

对于N对线圈解如下方程组即可得到N组线圈的间距：

其中，

z为线圈轴线上任一点距线圈对称中心点的距离，为B_i(z)在z＝0处的2j阶偏导数，j＝1～N，μ₀为真空磁导率，I为线圈总电流，为匝数与通电电流乘积，R为环形线圈半径。

实施例：

本发明实施时，线圈支撑骨架1开有3对环形绕线凹槽，以线圈支撑骨架1的中心横截面为中心，由内向外分别为第一对环形绕线凹槽101、第二对环形绕线凹槽102、第三对环形绕线凹槽103，第一对环形绕线凹槽101的径向距离为其半径的0.3倍，第二对环形绕线凹槽102的径向距离为其半径的1.5倍，第三对环形绕线凹槽103的径向距离为其半径的2倍，各凹槽内的线圈匝数相同，均为12圈，仿真及实验结果表明构建的纵向静磁场强度均匀性优于0.1％。

本发明中采用多对环形线圈作为产生核磁共振陀螺仪纵向静磁场的线圈，不仅可以提供高稳定度、高均匀度的静磁场，并且具备紧凑的结构，不与光路结构相干涉，拆装方便，可维护性强。

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 (8)

1.一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于：包括线圈支撑骨架(1)和N对静磁场线圈(2)，线圈支撑骨架(1)为空心圆筒状，沿中心轴线一端中心处开有用于探测筒内泵浦光的通光孔(108)，外侧壁开有N对环形绕线凹槽，环形绕线凹槽所在的平面彼此平行且垂直于线圈支撑骨架(1)的中心轴线，每对环形绕线凹槽以线圈支撑骨架(1)的中心横截面为对称面对称分布，N对静磁场线圈(2)绕制在环形绕线凹槽内。

2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于：各环形绕线凹槽内的线圈匝数相同，每对环形绕线凹槽的间距d_i,i＝1～N，通过解算下列方程组确定：

$\left\{\begin{array}{c}{(\frac{{\∂}^2{B}_1\left(z\right)}{\∂z^2}+\frac{{\∂}^2{B}_2\left(z\right)}{\∂z^2}+\frac{{\∂}^2{B}_3\left(z\right)}{\∂z^2}+\mathrm{...}+\frac{{\∂}^2{B}_N\left(z\right)}{\∂z^2})}_{z=0}=0\\ {(\frac{{\∂}^2{B}_1\left(z\right)}{\∂z^2}+\frac{{\∂}^4{B}_2\left(z\right)}{\∂z^4}+\frac{{\∂}^4{B}_3\left(z\right)}{\∂z^4}+\mathrm{...}+\frac{{\∂}^4{B}_N\left(z\right)}{\∂z^4})}_{z=0}=0\\ {(\frac{{\∂}^6{B}_1\left(z\right)}{\∂z^6}+\frac{{\∂}^6{B}_2\left(z\right)}{\∂z^6}+\frac{{\∂}^6{B}_3\left(z\right)}{\∂z^6}+\mathrm{...}+\frac{{\∂}^6{B}_N\left(z\right)}{\∂z^6})}_{z=0}=0\\ \mathrm{......}\\ {(\frac{{\∂}^{2N}{B}_1\left(z\right)}{\∂z^{2N}}+\frac{{\∂}^{2N}{B}_2\left(z\right)}{\∂z^{2N}}+\frac{{\∂}^{2N}{B}_3\left(z\right)}{\∂z^{2N}}+\mathrm{...}+\frac{{\∂}^{2N}{B}_N\left(z\right)}{\∂z^{2N}})}_{z=0}=0\end{array}\right.$

其中，B_i(z)为第i对线圈轴线上距离线圈对称中心点z处的磁感应强度：

为B_i(z)在z＝0处的2j阶偏导数，j＝1～N，μ₀为真空磁导率，I为线圈总电流，为匝数与通电电流乘积，R为环形线圈半径。

3.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于：线圈支撑骨架外侧壁上还开有与线圈支撑骨架(1)中心轴线平行的通线槽(104)，N对环形线圈(2)采用一根漆包线绕制，且各线圈绕制方向相同，线头引出线安放于通线槽(104)内。

4.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于线圈支撑骨架(1)下端部外侧开有对称的两个沉头孔(106)，用于将支撑骨架(1)固定安装。

5.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于线圈支撑骨架(1)底部开有限位槽(107)，与其安装结构的凸起配合限位，防止拆装过程中部件装反。

6.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于支撑骨架(1)的通光孔(108)直径大于3mm。

7.一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于：线圈支撑骨架(1)采用能耐高于150℃高温的无磁性材料制成。

8.一种用于核磁共振陀螺仪的高精度静磁场发生装置，其特征在于：所述无磁性材料选择为聚酰亚胺。