CN109490973B - 一种模拟地磁急变的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地磁场领域，具体地来讲为一种模拟地磁急变的装置及方法，该装置包括：上位机，用于设置发射磁场或电流参数指令；主控模块，接收所述上位机的参数指令，并根据指令传送控制信号；通过可控信号模块接收所述主控模块的控制信号，产生直流信号或直流信号和交流信号，并将直流信号和交流信号叠加，通过驱动模块驱动线圈产生磁场；通过三分量磁传感模块，采集线圈的磁场强度的变化传递至所述主控模块，通过所述主控模块传递至所述上位机以及通过所述主控模块调节当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差。本发明可以模拟地磁场长期变化时，出现的地磁急变现象，研究急变环境中是否对细胞生物学产生机理性变化。

Description

一种模拟地磁急变的装置及方法

技术领域

本发明属于地磁场领域，具体地来讲为一种模拟地磁急变的装置及方法。

背景技术

地磁场由内源场和外源场组成，内源场被视为偶极子场，能产生稳恒磁场，大约20-60μT，其外源场被视为非偶极子场，产生时变磁场和瞬变磁场。地球非偶极子场的变化磁场部分比偶极子场的稳恒磁场强度弱得多。近代空间探测表明，在静磁场条件下，磁顶层、磁尾、环电流等电流体系所产生的外源场约为10-40nT,方向基本沿偶极轴方向。磁测卫星MAGSAT提供的观测资料可用来确定外源场其大小为20nT左右。最近研究表明，地磁场的长期变化不是恒定不变的，其在大的时间尺度上变化很大，随着地磁场二阶偏导数的快速变化，其变化周期几乎是恒定不变的，其主要特征表现在地磁急变。

地磁急变，从形态上表现为地磁场年变化率的急剧变化，即地磁场对时间的一阶偏导数的突然转折变化；在地磁场对时间的二阶偏导数曲线上，地磁急变表现为阶跃变化，而在三阶偏导数曲线上，地磁急变表现为脉冲变化。目前国际上地磁学专家公认地磁场急变发生在1901、1913、1925、1969、1978、 1991、1999、2003、2014等年份，地磁场急变周期约为11年。目前，如the European Space Agency(ESA)、British GeologicalSurvey(BGS)等地球物理学研究机构，只对地磁急变现象的磁场信息进行数据分析与处理研究，构建更精准的全球地磁场模型，同时预测地磁场长期变化模型。但是，目前没有人采取硬件平台模拟地磁急变现象，可以研究地磁急变现象环境对人类生产活动的影响。

中国专利CN201975196公开了一种能在设定的大小和任意三维方向产生交直流磁场的三维亥姆霍磁线圈交直流磁场发生装置。该装置由控制装置包括电脑和驱动模块，以及三对两两相互垂直的亥姆霍磁线圈组成。本发明的圆形三维线圈设计结构简单，组装简便，但是其安装误差比较大，方形三维线圈安装更加方便且安装误差小，且具有更大的磁场均匀区。

中国专利CN102653719公开了一种能产生多种磁场的细胞培养装置及培养方法，该发明装置可以在不同激励方式作用下，能够产生单一轴向稳恒磁场、单一轴向交变磁场、平面旋转磁场以及空间旋转磁场；同时，能满足细胞培养的环境要求，如磁场感应强度、频率、温度以及CO2浓度的控制。但是该发明装置在弱磁场的情况下，不能抑制培养箱中原有磁场，受细胞培养箱中原有磁场影响严重，且细胞培养箱的空间尺寸有限。

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题之一，一方面提供一种模拟地磁急变的装置，另一方面提供了一种模拟地磁急变的方法。

本发明是这样实现的，

一种模拟地磁急变的装置，该装置包括：

上位机，用于设置发射磁场或电流参数指令；

主控模块，接收所述上位机的参数指令，并根据指令传送控制信号；

第一可控信号模块、第二可控信号模块以及第三可控信号模块，分别接收所述主控模块的控制信号，产生直流信号或直流信号和交流信号，并将直流信号和交流信号叠加，分别产生Xsignal信号、Ysignal信号以及Zsignal信号；

第一驱动模块、第二驱动模块以及第三驱动模块，分别接收所述第一可控信号模块的Xsignal信号、第二可控信号模块的Ysignal信号以及第三可控信号模块的Zsignal信号，并将信号进行放大输出驱动信号；

Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z，分别经由第一驱动模块、第二驱动模块以及第三驱动模块驱动产生磁场；

三分量磁传感模块，采集所述Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z的磁场强度的变化传递至所述主控模块，通过所述主控模块传递至所述上位机以及通过所述主控模块调节当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差；

所述主控模块还用于根据上位机设定的电流参数，计算所述电流参数对应的直流信号或叠加的直流信号和交流信号；

所述主控模块还用于根据的上位机设定的发射磁场参数计算所需要的直流信号或叠加的直流信号和交流信号；

所述主控模块还用于根据三分量磁传感模块反馈的实际磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，调整输出的直流信号；以及，

所述主控模块还用于根据三分量磁传感模块反馈的实际磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，使得线圈产生设定的磁场强度，记录此时的直流信号的大小，与设定磁场强度的直流信号进行对比，确定磁场强度与电流信号之间的电流补偿。

进一步地，所述第一可控信号模块、第二可控信号模块以及第三可控信号模块结构相同均包括信号产生单元以及信号合成单元，所述信号产生单元在主控模块的控制产生直流信号和交流信号，由信号合成单元将交流信号和直流信号叠加。

进一步地，所述主控模块包括PID控制单元、数据处理单元、数据采集单元、以及通讯单元，所述三分量磁传感模块检测到线圈中磁感应强度的变化，将其转变为电信号，经数据采集单元采集所述电信号，并转变为数字信号传送到数据处理单元，对数字信号进行数据处理，一路传送到与通讯单元并通过所述通讯单元传给上位机存储并显示；另一路接到PID控制单元作为反馈输入，调节当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，使系统闭环控制。

进一步地，所述主控模块还用于对采集的Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈 Y以及Helmholtz线圈Z的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合。

一种模拟地磁急变的方法，该方法包括：

步骤1，上位机发出设定电流参数指令给主控模块，只产生直流信号，分别驱动以及对X轴Helmholtz线圈X、Y轴Helmholtz线圈Y以及Z轴Helmholtz 线圈Z建立的磁场进行磁场强度与输入的直流信号的电流强度线性拟合；

步骤2，对三轴输入的直流信号叠加，得到磁场强度与电流强度的线性拟合用y＝Ax+d表示，其中y为磁场强度，x为电流强度，重复步骤1和2确认线性拟合系数矩阵A和d；

步骤3、分别对三轴根据设定的磁场强度经由主控模块根据步骤2的线性拟关系产生设定磁场强度的直流信号，经由线圈后产生相应轴的磁场强度大小，通过三分量磁传感模块测量传递至主控模块经由所述主控模块的PID控制单元减小当前磁场强度与设定磁场强度的稳态误差，使得线圈产生设定的磁场强度，记录此时的直流信号的大小，与设定磁场强度的直流信号进行对比，确定磁场强度与电流信号之间的电流补偿，修改磁场强度与电流强度的线性拟合为： y＝Ax+d+Δd，其中Δd为电流补偿；

步骤4、根据天文磁台站提供的当地地磁场强度，确定其X分量磁场、Y 分量磁场、Z分量磁场，根据步骤3确定各轴向所产生对应磁场分量所需的直流激励大小，并模拟当地地磁场环境；

步骤5、将各轴向确定的步骤4直流激励与交流信号叠加分别驱动 Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z产生地磁急变磁场环境。

进一步地，所述步骤1包括：上位机发出设定电流参数指令给主控模块，主控模块经数据处理后使相应的可控信号模块只产生直流信号，驱动相连的 Helmholtz线圈组工作，三分量磁传感模块测量三轴磁场强度，转变为电信号发送给主控模块，主控模块对电信号进行数据处理后，通过上位机对Helmholtz 线圈组采集的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合。

进一步地，步骤3中PID控制单元减小当前磁场强度与设定磁场强度的稳态误差包括：若当前磁场强度大于设定磁场强度，减小当前直流激励，反之，则增大当前电流激励，使Helmholtz线圈组产生设定的磁场强度。

进一步地，步骤4包括：通过上位机下达设定磁场参数指令给主控模块，主控模块经数据处理后，产生指令给第一可控信号模块、第二可控信号模块、第三可控信号模块产生直流激励，分别经驱动功率放大后驱动Helmholtz线圈组X、Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z，三分量磁传感模块测量所产生的磁场强度，将其转变为电信号传送给主控模块，主控模块经PID控制单元减小稳态误差后，在线圈结构中心位置产生精准的稳恒磁场。

进一步地，步骤5中，Helmholtz线圈X的地磁急变信号为Xsignal＝x₁+f_x(t)，其中f_x(t)通过下式表示：

式中，A为交流信号的幅度值，t为交流信号的工作时间，T为交流信号的周期；

为符号函数。

Helmholtz线圈Y的地磁急变信号为Ysignal＝x₂+f_y(t)以及Helmholtz线圈Z 的地磁急变信号为Zsignal＝x₃+f_z(t)。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明首次提出模拟地磁场的长期变化、特别是地磁急变现象。本发明装置通过设置三路可控信号模块，通过控制三轴信号的直流分量和交流分量，驱动线圈产生相应的磁场，并通过反馈对产生的磁场进行调节，从而改变叠加后产生的地磁急变信号，构建地磁场长期变化的实验环境，用于研究细胞生物学是否在地磁急变环境或快速地磁急变环境时存在细胞机理性变化，以及活体生物在快速地磁急变环境下是否对生命体征产生显著的影响。可以将细胞培养箱放置于线圈结构的中心位置，不受细胞培养箱尺寸的限制，实现细胞在地磁急变环境中培养。

本发明通过模拟地磁场长期变化时，出现的地磁急变现象，还可以研究急变环境中是否对细胞生物学产生机理性变化，是否对生物体的生命体征具有显著的影响，以及若地磁场快速急变时，对人类和其他生物体的日常生产活动是否有显著的影响。

经本发明方法可以减少稳态误差，在线圈结构中心位置产生精准的稳恒磁场，通过直流激励与交流信号叠加可以模拟地磁急变磁场环境。

附图说明

图1为一种模拟地磁急变的装置结构框图；

图2为附图1中可控信号模块的结构框图；

图3为附图1中主控模块的结构框图；

图4为信号产生单元输出的直流信号、交流信号以及信号合成单元叠加后的地磁急变信号波形图；

图5为模拟地磁急变装置应用于细胞实验的实施案例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明模拟地磁场急变的装置框图，一个模拟地磁急变装置是由主控模块1、上位机2、第一可控信号模块3、第二可控信号模块5、第三可控信号模块7、第一驱动模块4、第二驱动模块6、第三驱动模块8、Helmholtz 线圈组X、Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z、三分量磁传感模块9等 12个模块构成。上位机2经主控模块1、第一可控信号模块3、第一驱动模块4 与Helmholtz线圈组X相连。同理，主控模块1经第二可控信号模块5、第二驱动模块6与Helmholtz线圈组Y相连。主控模块1经第三可控信号模块7、第三驱动模块8与Helmholtz线圈组Z相连。Helmholtz线圈组X、Helmholtz线圈组 Y、Helmholtz线圈组Z分别与三分量磁传感模块9相连，三分量磁传感模块9 与主控模块1相连。

如图2所示，本发明中第一可控信号模块3、第二可控信号模块5、第三可控信号模块7均有相同的结构，以第一可控信号模块3为例，通过信号产生单元10与信号合成单元11相连实现的。上位机2发射磁场或电流参数指令经主控模块1数据处理后，传送到信号产生单元10，信号产生单元10产生直流信号和交流信号，由信号合成单元11将交流信号和直流信号叠加，产生Xsignal 信号，经驱动模块4放大后驱动线圈组X工作。同理，可驱动Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z。

如图3所示，本发明的主控模块1是通过PID控制单元12、数据处理单元 13、数据采集单元14、通讯单元15实现的。三分量磁传感模块9检测到线圈中磁感应强度的变化，将其转变为电信号，经与三分量磁传感模块9相连的数据采集单元14，采集其电信号，并转变为数字信号传送到与之的数据处理单元13，对数字信号进行数据处理，当前电信号转变为当前磁场强度信息，一路传送到与之相连的通讯单元15，最终传给上位机2存储并显示；另一路接到PID控制单元12作为反馈输入，调节当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，使系统闭环控制，提高系统的抗干扰性，精准调节电流信号。

上位机2对主控模块1下传磁场或电流参数指令，以及对主控模块1中数据处理后的当前磁场强度和当前驱动电流强度信息进行存储并显示。主控模块 1与第一可控信号模块3、第二可控信号模块5、第三可控信号模块7分别连接，产生三路可调节的信号Xsignal、Ysignal、Zsignal，主控模块1同时与三分量磁传感模块9连接，三分量磁传感模块9将检测磁场变化转变为电信号传送到主控模块1，主控模块1对电信号进行数据处理后，经过PID闭环系统控制后，实现磁场的精准控制。第一可控信号模块3、第二可控信号模块5、第三可控信号模块7分别于第一驱动模块4、第二驱动模块6、第三驱动模块8连接，可控信号模块产生三路可调控的信号分别是Xsignal、Ysignal、Zsignal；驱动模块将这三路信号进行功率放大，分别驱动与驱动模块相连接的Helmholtz线圈组X、 Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z。Helmholtz线圈组均采用方形线圈，方形线圈安装比较方便、安装误差小，且能建立更大的磁场均匀区。最后，通过三分量磁传感模块9测量X、Y、Z三轴向的磁场强度，从而实现模拟地磁急变的磁场强度要求。

主控模块还用于对采集的Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz 线圈Z的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合。

主控模块还用于根据上位机设定的电流参数，计算所述电流参数对应的直流信号或叠加的直流信号和交流信号，这里的直流信号指的是直流激励，叠加的直流信号和交流信号为电流激励；

主控模块还用于根据的上位机设定的发射磁场参数计算所需要的直流信号或叠加的直流信号和交流信号；

主控模块还用于根据三分量磁传感模块反馈的实际磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，调整输出的直流信号；以及，

主控模块还用于根据三分量磁传感模块反馈的实际磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，使得线圈产生设定的磁场强度，记录此时的直流信号的大小，与设定磁场强度的直流信号进行对比，确定磁场强度与电流信号之间的电流补偿。

一种模拟地磁急变的实现方法，包括以下步骤：

步骤a，为了避免外磁场的干扰，整个实验过程需要在磁场屏蔽环境中进行。首先，上位机2发出设定电流参数x₁(直流变化)指令给主控模块1，主控模块1 经数据处理后使可控信号模块3只产生直流激励x₁(直流信号)，通过驱动模块 4驱动Helmholtz线圈组X工作,三分量磁传感模块9测量三轴磁场强度 y₁₁、y₂₁、y₃₁，转变为电信号发送给主控模块1。通过主控模块的数据处理单元对Helmholtz线圈组X采集的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合有，

式中，y₁₁、y₂₁、y₃₁分别是Helmholtz线圈X在X、Y、Z方向产生的磁场强度，x₁为驱动Helmholtz线圈X的电流强度大小，A₁₁、A₂₁、A₃₁为线性拟合系数，、d₁₁、d₂₁、d₃₁为线性拟合常数；主控模块1对电信号进行数据处理后，通过上位机2进行存储并显示当前磁场强度信息。其电流参数设定范围为0-3A, 每隔10mA设定电流参数一次，重复实验步骤a。

b、同步骤a,对Y轴、Z轴线圈组建立的磁场进行磁场强度和电流强度线性拟合实验；

对Y轴有 y_i2＝A_i2x₂+d_i2(i＝1，2，3)

对Z轴有 y_i3＝A_i3x₃+d_i3(i＝1，2，3)；

如令

则三轴电流信号叠加后，得到磁场强度与电流强度的关系为：

令

有y＝Ax+d，通过重复实验步骤a、b可以确定线性拟合矩阵系数A和d。

c、由于测量仪器误差、随机误差的存在，需要对系统进行电流补偿实验。上位机2发出设定磁场强度参数指令给主控模块1，主控模块1数据处理后使可第一控信号模块3产生设定磁场强度的直流激励(直流信号)x₁(根据步骤a 可以确定通过第一驱动模块4驱动Helmholtz线圈组X工作，三分量磁传感模块9测量Helmholtz线圈组X磁场强度大小，将电信号发送给主控模块1，经主控模块1的数据采集单元14、数据处理单元13后，PID 控制单元12减小当前磁场强度与设定磁场强度的稳态误差，若当前磁场强度大于设定磁场强度，减小当前直流激励x₁，反之，则增大当前直流激励x₁，使Helmholtz线圈组X产生设定的磁场强度，最后通过主控模块1的通讯单元15 传送给上位机2储存并显示此时直流激励x₁的大小。通过与步骤a的实验比对，确定磁场强度与电流的关系之间存在的电流补偿Δd₁＝x′₁-x₁；磁场强度参数设定范围为20-60μT,每隔1μT设定磁场强度参数一次，重复实验步骤c。

d、同步骤c，对Y轴、Z轴进行电流补偿实验,确定电流补偿系数Δd,最终得到磁场强度和驱动电流强度的关系为y＝Ax+d+Δd。

e、在模拟地磁急变环境之前，首先要模拟当地地磁场环境。根据天文磁台站提供的当地地磁场强度，确定其X(北向)分量磁场、Y(东向)分量磁场、 Z(垂直)分量磁场。根据上述步骤可以确定各轴向所产生对应磁场分量所需的直流激励大小。通过上位机2下达设定磁场参数指令给主控模块1，主控模块1经数据处理后，产生指令给第一可控信号模块3、第二可控信号模块5、第三可控信号模块7产生直流激励x₁，分别经第一驱动模块4、第二驱动模块6、第三驱动模块8功率放大后驱动Helmholtz线圈组X、Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z，三分量磁传感模块9测量所产生的磁场强度y，将其转变为电信号传送给主控模块1，主控模块1经PID控制单元减小稳态误差后，在线圈结构中心位置产生精准的稳恒磁场，从而实现当地地磁场环境的模拟；

f、地磁急变的物理场是由稳恒磁场和时变磁场叠加出来的结果。时变磁场是地球外源磁场产生的，其磁场呈一定的周期性变化。故地磁急变信号是由直流信号和交流信号叠加而成，各轴向直流激励是基于步骤e模拟稳恒地磁场确定的，其任意轴的交流信号表达式为

当t≥0时，

式中，A为交流信号的幅度值，t为交流信号的工作时间，T为交流信号的周期；

为符号函数。

该交流信号对时间的一阶导数出现呈周期变化的突变现象，信号对时间的二阶导数出现多次阶梯状的变化，信号对时间的三阶导数出现等间隔的脉冲变化。则Helmholtz线圈组X的地磁急变信号为Xsignal＝x₁+f_x(t)，如图4所示。

g、当三轴线圈组联合工作时，上位机2给主控模块1发射构建地磁急变现象的磁场强度参数指令。主控模块1经通讯单元15将上位机2的指令传送给数据处理单元13确定各轴向直流激励的大小和各轴向交流信号的幅值和周期变化指令，传送给第一可控信号模块3、第二可控信号模块5、第三可控信号模块7。信号发生单元10产生各轴向的直流信号和交流信号，再经信号合成单元11叠加后产生三路地磁急变信号Xsignal、Ysignal、Zsignal，分别输出给驱动模块4、驱动模块6、驱动模块8进行功率放大驱动线圈工作。三分量磁传感模块9测量各轴向的磁场强度，转变为电信号传送给主控模块1，实现对磁场系统的闭环控制，精准调节地磁急变信号产生的地磁急变磁场环境，以此实现地磁急变的实验环境的模拟。

实施案例：

本发明可用于模拟地磁急变环境下，研究细胞生物学是否存在细胞机理性的变化。该实验是在磁场屏蔽环境中进行的，如图5所示，实验装置是由上位机、主控模块STM32单片机、可控信号发生模块FPGA、驱动模块、三轴正交方形Helmholtz线圈、磁传感模块、细胞培养箱构成。上位机与主控模块连接，主控模块与可控信号模块、磁传感模块连接，可控信号模块经驱动模块与三轴正交方形Helmholtz线圈连接。细胞培养箱放置与线圈结构的中心位置，使细胞处于地磁急变最佳的位置进行培养，细胞培养箱为了避免屏蔽磁场，细胞培养箱采用玻璃材质制作。

实现模拟地磁急变的方法，采用以下顺序和步骤：

a、为了避免外磁场的干扰，整个实验过程需要在磁场屏蔽环境中进行。首先，上位机2发出设定电流参数x₁指令给主控模块1，主控模块1经数据处理后使可控信号模块3只产生直流激励x₁，通过驱动模块4驱动Helmholtz线圈组X 工作,三分量磁传感模块9测量三轴磁场强度y₁₁、y₂₁、y₃₁，转变为电信号发送给主控模块1。主控模块1对电信号进行数据处理后，通过上位机2进行存储并显示当前磁场强度信息。通过对Helmholtz线圈组X采集的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合有，

式中，y₁₁、y₂₁、y₃₁分别是Helmholtz线圈X在X、Y、Z方向产生的磁场强度，x₁为驱动Helmholtz线圈X的电流强度大小，A₁₁、A₂₁、A₃₁为线性拟合系数，、d₁₁、d₂₁、d₃₁为线性拟合常数；电流参数设定范围为0-3A,每隔10mA设定电流参数一次，重复实验步骤a。

b、同实验步骤a,对Y轴、Z轴线圈组建立的磁场进行磁场强度和电流强度线性拟合实验；

对Y轴有 y_i2＝A_i2x₂+d_i2(i＝1，2，3)

对Z轴有 y_i3＝A_i3x₃+d_i3(i＝1，2，3)；

如令

则三轴电流信号叠加后，得到磁场强度与电流强度的关系为：

令

有y＝Ax+d；

通过重复实验步骤a、b可以确定线性拟合矩阵系数A和d；

c、由于测量仪器误差、随机误差的存在，需要对系统进行电流补偿实验。上位机2发出设定磁场强度参数指令给主控模块1，主控模块1数据处理后使可控信号模块3产生设定磁场强度的直流激励x₁(根据步骤a可以确定通过驱动模块4驱动Helmholtz线圈组X工作,三分量磁传感模块9测量Helmholtz线圈组X磁场强度大小，将电信号发送给主控模块1,经主控模块1的数据采集单元14、数据处理单元13后，PID控制单元12减小当前磁场强度与设定磁场强度的稳态误差，若当前磁场强度大于设定磁场强度，减小当前直流激励x′₁，反之，则增大当前电流激励x′₁，使Helmholtz线圈组X产生设定的磁场强度，最后通过主控模块1的通讯单元15传送给上位机2储存并显示此时直流激励x′₁的大小。通过与步骤a的实验比对，确定磁场强度与电流的关系之间存在的电流补偿Δd₁＝x′₁-x₁；磁场强度参数设定范围为20-60μT,每隔1μT设定磁场强度参数一次，重复实验步骤c。

d、同步骤c，对Y轴、Z轴进行电流补偿实验，确定电流补偿系数Δd,最终得到磁场强度和驱动电流强度的关系为y＝Ax+d+Δd。

e、在模拟地磁急变环境之前，首先要模拟长春43°52’52’N,125°18’47’E) 地磁场环境。根据天文磁台站提供的长春地磁场强度，确定其X(北向)分量磁场(25447nT)、Y(东向)分量磁场(-4501nT)、Z(垂直)分量磁场(48325nT)。根据上述实验步骤a、b、c、d可以确定各轴向所产生对应磁场分量所需的直流激励大小。通过上位机2下达设定磁场参数指令给主控模块1，主控模块1经数据处理后，产生指令给可控信号模块3、可控信号模块5、可控信号模块7产生直流激励x，分别经驱动模块4、驱动模块6、驱动模块8功率放大后驱动Helmholtz线圈组X、Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z，三分量磁传感模块9测量所产生的磁场强度y，将其转变为电信号传送给主控模块1，主控模块1经PID控制单元减小稳态误差后，在线圈结构中心位置产生精准的稳恒磁场，从而实现当地地磁场环境的模拟；

f、地磁急变的物理场是由稳恒磁场和时变磁场叠加出来的结果。时变磁场是地球外源磁场产生的，其磁场呈一定的周期性变化。故地磁急变信号是由直流信号和交流信号叠加而成，各轴向直流激励是基于步骤e模拟稳恒地磁场确定的，令X轴的交流信号为2000nT，设定其周期为48s，故A＝9,交流信号为

当t≥0时，

为符号函数。

该交流信号对时间的一阶导数出现呈周期变化的突变现象，信号对时间的二阶导数出现多次阶梯状的变化，信号对时间的三阶导数出现等间隔的脉冲变化。则Helmholtz线圈组X的地磁急变信号为Xsignal＝x₁+f_x(t)，如图4所示。

g、当三轴线圈组联合工作时，上位机2给主控模块1发射构建地磁急变现象的磁场强度参数指令。主控模块1经通讯单元15将上位机2的指令传送给数据处理单元13确定各轴向直流激励的大小和各轴向交流信号的幅值和周期变化指令，传送给可控信号模块3、可控信号模块5、可控信号模块7。信号发生单元10产生各轴向的直流信号和交流信号，再经信号合成单元11叠加后产生三路地磁急变信号Xsignal、Ysignal、Zsignal，分别输出给驱动模块4、驱动模块6、驱动模块8进行功率放大驱动线圈工作。三分量磁传感模块9测量各轴向的磁场强度，转变为电信号传送给主控模块1，实现对磁场系统的闭环控制，精准调节地磁急变信号产生的地磁急变磁场环境，以此实现地磁急变的实验环境的模拟。以此实现，模拟地磁急变的实验环境下，对细胞进行培养，如图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟地磁急变的装置，其特征在于，该装置包括：

上位机，用于设置发射磁场或电流参数的指令；

主控模块，接收所述上位机的指令，并根据指令传送控制信号；

第一可控信号模块、第二可控信号模块以及第三可控信号模块，分别接收所述主控模块的控制信号，产生直流信号或直流信号和交流信号，并将直流信号和交流信号叠加，分别产生Xsignal信号、Ysignal信号以及Zsignal信号；

第一驱动模块、第二驱动模块以及第三驱动模块，分别接收所述第一可控信号模块的Xsignal信号、第二可控信号模块的Ysignal信号以及第三可控信号模块的Zsignal信号，并将信号进行放大，输出驱动信号；

Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z，分别经由第一驱动模块、第二驱动模块以及第三驱动模块驱动产生磁场；

三分量磁传感模块，采集所述Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z的磁场强度的变化，并传递至所述主控模块，通过所述主控模块传递至所述上位机；以及通过所述主控模块调节当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差；

所述主控模块还用于根据上位机设定的电流参数，计算所述电流参数对应的直流信号或叠加的直流信号和交流信号；

所述主控模块还用于根据上位机设定的发射磁场参数，计算所需要的直流信号或叠加的直流信号和交流信号；

所述主控模块还用于根据三分量磁传感模块反馈的当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，调整输出的直流信号；以及，

所述主控模块还用于根据三分量磁传感模块反馈的当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，使得线圈产生设定的磁场强度，记录此时的直流信号的大小，与设定磁场强度的直流信号进行对比，确定磁场强度与电流信号之间的电流补偿；

所述第一可控信号模块、第二可控信号模块以及第三可控信号模块结构相同且均包括信号产生单元以及信号合成单元；所述信号产生单元在主控模块的控制下产生直流信号和交流信号，并由信号合成单元将交流信号和直流信号叠加。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控模块包括PID控制单元、数据处理单元、数据采集单元、以及通讯单元；所述三分量磁传感模块检测线圈中磁感应强度的变化，将其转变为电信号，由数据采集单元采集所述电信号，并转变为数字信号传送到数据处理单元，对数字信号进行数据处理，一路传送到通讯单元，并通过所述通讯单元传给上位机存储并显示；另一路接到PID控制单元作为反馈输入，调节当前磁场强度与设定磁场强度之间的稳态误差，使系统闭环控制。

3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控模块还用于对采集的Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合。

4.一种模拟地磁急变的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，上位机发出设定电流参数指令给主控模块，只产生直流信号，分别驱动X轴Helmholtz线圈X、Y轴Helmholtz线圈Y以及Z轴Helmholtz线圈Z建立磁场，并对建立的磁场进行磁场强度与输入的直流信号的电流强度的线性拟合；

步骤2，对三轴输入的直流信号进行叠加，将得到的磁场强度与电流强度的线性拟合用y＝Ax+d表示，其中y为磁场强度，x为电流强度，重复步骤1和2确认线性拟合系数矩阵A和d；

步骤3、经由主控模块分别对三轴通过步骤2中的线性拟合关系式产生设定磁场强度的直流信号，并经由线圈后产生相应轴的磁场强度大小，再通过三分量磁传感模块测量后传递至主控模块，并经由所述主控模块的PID控制单元减小当前磁场强度与设定磁场强度的稳态误差，使得线圈产生设定的磁场强度；记录此时的直流信号的大小，并与设定磁场强度的直流信号进行对比，确定磁场强度与电流信号之间的电流补偿，修改磁场强度与电流强度的线性拟合为：y＝Ax+d+Δd，其中Δd为电流补偿；

步骤4、根据天文磁台站提供的当地地磁场强度，确定当地地磁场强度的X分量磁场、Y分量磁场、Z分量磁场，根据步骤3确定各轴向所产生对应磁场分量所需的直流激励大小，并模拟当地地磁场环境；

步骤5、将各轴向确定的步骤4中的直流激励与交流信号叠加，分别驱动Helmholtz线圈X、Helmholtz线圈Y以及Helmholtz线圈Z产生地磁急变磁场环境。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：上位机发出设定电流参数指令给主控模块，主控模块经数据处理后使相应的可控信号模块只产生直流信号，驱动相连的Helmholtz线圈组工作，三分量磁传感模块测量三轴磁场强度，转变为电信号发送给主控模块，主控模块的数据处理单元对Helmholtz线圈组采集的磁场强度数据进行磁场强度和电流强度线性拟合。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中PID控制单元减小当前磁场强度与设定磁场强度的稳态误差包括：若当前磁场强度大于设定磁场强度，减小当前直流激励，反之，则增大当前直流激励，使Helmholtz线圈组产生设定的磁场强度。

7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4包括：通过上位机下达设定磁场参数指令给主控模块，主控模块经数据处理后，产生指令给第一可控信号模块、第二可控信号模块、第三可控信号模块产生直流激励，分别经驱动功率放大后驱动Helmholtz线圈组X、Helmholtz线圈组Y、Helmholtz线圈组Z，三分量磁传感模块测量所产生的磁场强度，将其转变为电信号传送给主控模块，主控模块经PID控制单元减小稳态误差后，在线圈结构中心位置产生精准的稳恒磁场。

8.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5中，Helmholtz线圈X的地磁急变信号为Xsignal＝x₁+f_x(t)，其中f_x(t)通过下式表示：

式中，A为交流信号的幅度值，t为交流信号的工作时间，T为交流信号的周期；

为符号函数；

Helmholtz线圈Y的地磁急变信号为Ysignal＝x₂+f_y(t)，Helmholtz线圈Z的地磁急变信号为Zsignal＝x₃+f_z(t)。