CN109579813A - 一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈 - Google Patents

一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，包括球形线圈骨架和正交线圈，球形线圈骨架的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，正交线圈绕制在线圈骨架环槽中。本发明是在气室外围设计球形正交磁场线圈，线圈骨架采用球形结构设计，零件外表面设计三组正交环槽用于布置线圈。每组线圈采用球面三对环形、一定电流×匝数比设计，绕制在线圈骨架环槽中，实现正交均匀磁场需求。本发明所设计的球形正交磁场线圈结构设计紧凑，工艺实施方便，提供正交均匀磁场精密可控，适用于核磁共振陀螺仪等系统。

Description

一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈
技术领域
本发明涉及惯性测量传感器技术领域，尤其是一种高精度、小体积、低成本、对加速度不敏感的核磁共振陀螺仪，是对现有惯性测量技术装备的升级换代。
背景技术
利用原子核磁共振原理工作的陀螺仪称为核磁共振陀螺仪，迄今人们已发展出多种类型的核磁共振陀螺仪。早在1952年通用电气公司的Leete和Hansen就提出了核磁共振陀螺的设想。Singer-Kearfott公司和Litton公司从20世纪60年代开始了相关研究工作。1979年这两个公司利用泵浦光使核子极化，通过光电探测器提取核磁共振陀螺信号，分别研制出核磁共振陀螺的原理样机，并取得专利，陀螺的精度达到导航级别。
核磁共振陀螺仪工作原理为：极化碱金属原子与稀有气体原子之间的碰撞，可以实现对稀有气体原子核自旋的极化，核磁共振陀螺仪利用稀有气体原子核的横向极化分量在外场中进动频率的频移来感知外部的转动情况，实现载体角速度的测量。
核磁共振陀螺仪原理验证系统组成部分如图1所示。图1是基于自旋碰撞极化的核磁共振陀螺仪方案示意图，可以清晰的看出核磁共振陀螺仪的组成可分为：光路部分、角速度传感器部分和信号检测部分。角速度传感器部分由交变磁场线圈、加热恒温装置、气室等组成。
核磁共振信号的探测过程分为三个步骤：第一步：施加一稳定的静磁场B0以及一束圆偏的泵浦光，气室中碱金属原子在磁场及泵浦光的作用下极化，然后再通过与工作物质自由碰撞，将极化传递给工作物质，最终产生一宏观磁矩M。第二步：在横向施加一射频场，射频场的频率ω为原子核的拉莫尔进动频率。这时原子核的磁矩M偏离B0轴，并绕着B0轴旋转。第三步:在射频场方向施加一束线偏振的探测光，然后在另一端探测接收。如载体不动，测量到的进动频率为ω＝γB0，其中γ为自旋粒子的旋磁比；当载体以ωr转动时，测量到的进动频率为ω＝γB0+ωr，则可计算出载体ωr＝ω-γB0。
此原理验证系统所需的静磁场B0和射频场由三组互相正交的磁场线圈产生，其中一组线圈产生碱金属原子在磁场及泵浦光的作用下极化所需的静磁场B0；另两组线圈产生原子核共振所需的射频磁场B1cos(ωat)，其中ωa为原子的拉莫尔进动频率。高均匀的磁场有利于降低核自旋的弛豫率，提高陀螺精度。如果原子工作区域磁场均匀度较差，会使得气室中原子感受到的磁场不一致，而且检测部分也无法分辨这一部分误差的来源，所以实验要排除掉磁场不均匀梯度带来的不确定度。
目前常用的能产生均匀磁场的线圈如表1所示。Helmholtz线圈、Lee-Whiting线圈、Barker线圈、Merritt et al.线圈、Alldred and Scollar线圈、Rubens线圈等等。Helmholtz线圈最为著名，最常用，但只是一对线圈，均匀区较小。Lee-Whiting线圈是两对直径相同的圆形线圈，无法用于球形结构。Barker线圈是三对直径相同的圆形线圈，无法用于球形结构。Merritt et al.等线圈均为方形，无法用于球形结构。
表1常用的能产生均匀磁场的线圈参数
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，为核磁共振陀螺仪核心气室部分提供正交均匀磁场。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的：
一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：包括球形线圈骨架和正交线圈，球形线圈骨架的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，正交线圈绕制在线圈骨架环槽中。
而且，所述的球形线圈骨架包括球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座，球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座采用止口定位结构连接成一个球体，在球体的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，用于布置正交线圈；在球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座的连接处设计出两路十字相交通光孔；在球体底部内外分别设计出与正交线圈和其它部件安装的插入式定位结构。
而且，所述的球形线圈骨架选用无磁、加工性好、不易变形的PPS塑料制成。
而且，所述的正交线圈是沿三个正交轴方向的三组，所有线圈均分布在同一球面上，并与球形线圈骨架表面所制三组环槽的位置及形状相吻合，三组线圈分别绕制在线圈骨架的三组环槽中。
而且，所述的每组线圈均包括三对采用对称布局设计的环形线圈。
而且，所述的每个环形线圈对应一定圆心角，沿轴向从中心到两端圆心角分别为：70°、35°、22°。
而且，所述的每组三对环形线圈的匝数，沿轴向从中心到两端按照一定比例减少，线圈电流×匝数比为21∶9∶2。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明的球形正交均匀磁场线圈由球形线圈骨架部分和正交线圈部分组成，可满足核磁共振陀螺仪核心气室部分对三维正交均匀磁场的需求。
2、本发明所设计的线圈骨架采用球形结构设计，零件外表面设计三组正交环槽用于布置线圈，零件材料选用无磁、加工性好、不易变形的PPS塑料。每组线圈采用球面三对环形、一定电流×匝数比设计，绕制在线圈骨架环槽中，实现正交均匀磁场需求，有利于降低核自旋的弛豫率，提高陀螺精度。
3、本发明所设计的球形正交磁场线圈结构设计紧凑，工艺实施方便，提供正交均匀磁场精密可控，适用于核磁共振陀螺仪等系统。
附图说明
图1是基于自旋碰撞极化的核磁共振陀螺仪方案示意图；
图2是球形正交均匀磁场线圈整体三维爆炸视图；
图3是球形线圈骨架三维爆炸视图；
图4是球形线圈骨架的三个轴其中X轴方向上的三对环形线圈环槽示意图，Y轴和Z轴方向线圈环槽与X轴方向正交；
图5是三轴正交环形线圈示意图；
图6是三轴正交环形线圈三个轴其中X轴方向上的三对环形线圈示意图；
图7是三轴正交环形线圈三个轴其中X轴方向上的三对环形线圈剖面图，显示各线圈角度位置及线圈中所通电流方向。
图中：
1.球形线圈骨架上盖；11、12.X轴方向布线环槽；13.通光孔；
2.球形线圈骨架底座；21.插入式定位结构；
3.X轴方向三对环形线圈；311、321.X轴方向X1大环形线圈；312、322.X轴方向X2中环形线圈；313、323.X轴方向X3小环形线圈；
4.Y轴方向三对环形线圈；
5.Z轴方向三对环形线圈；
α1.X1大环形线圈对应的圆心角；α2.X2中环形线圈对应的圆心角；α3.X3小环形线圈对应的圆心角。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，包括球形线圈骨架和正交线圈，球形线圈骨架的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，正交线圈绕制在线圈骨架环槽中，为气室中的各原子提供三维正交均匀磁场。下面结合附图3、4、5、6、7，通过具体实施，对本发明一套应用于核磁共振陀螺仪核心气室部分提供正交均匀磁场的球形正交磁场线圈作进一步详述。
图2是本发明提出的球形正交均匀磁场线圈整体三维爆炸视图，可看出整体结构设计紧凑，工艺实施方便。
图3为本发明提出的球形线圈骨架三维爆炸视图，球形线圈骨架包括球形线圈骨架上盖1和球形线圈骨架底座2，球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座采用止口定位结构连接成一个球体，在球体的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，用于布置正交线圈；在球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座的连接处设计出两路十字相交通光孔13；在球体底部内外分别设计出与正交线圈和其它部件安装的插入式定位结构21。球形线圈骨架选用无磁、加工性好、不易变形的PPS塑料制成。
图4是本发明提出的球形线圈骨架的三个轴其中X轴方向上的三对环形线圈环槽示意图，三对环槽11、12用于缠绕X轴方向磁场线圈。为便于说明，图4中只显示出X轴方向的一组线圈环槽，Y轴和Z轴方向线圈环槽与X轴方向正交。
图5是本发明提出的三轴正交环形线圈示意图，X轴方向三对环形线圈3、Y轴方向三对环形线圈4、Z轴方向三对环形线圈5，三轴线圈分层进行绕制。正交线圈是沿三个正交轴方向的三组(正交线圈共三轴)，所有线圈均分布在同一球面上，并与球形线圈骨架表面所制三组环槽的位置及形状相吻合，三组线圈分别绕制在线圈骨架的三组环槽中。每组线圈均包括三对采用对称布局设计的环形线圈，三对环形线圈的直径不同，每个环形线圈对应一定圆心角，沿轴向从中心到两端圆心角分别为：70°、35°、22°。每组三对环形线圈的匝数，沿轴向从中心到两端按照一定比例减少，线圈电流×匝数比为21∶9∶2，线圈各参数如表2所示。
表2本发明产生均匀磁场的球形线圈参数
图6是本发明提出的三轴正交环形线圈三个轴其中X轴方向上的三对环形线圈示意图，采用对称布局设计，X轴方向X1大环形线圈311、321；X轴方向X2中环形线圈312、322；X轴方向X3小环形线圈313、323。所有线圈全部分布在同一球面上，各线圈电流×匝数比为X1∶X2∶X3＝21∶9∶2。
图7是本发明提出的三轴正交环形线圈三个轴其中X轴方向上的三对环形线圈剖面图，每个环形线圈对应一定圆心角。大环形线圈X1对应圆心角α1为70°；中环形线圈X2对应圆心角α2为35°；小环形线圈X3对应圆心角α3为22°。
本发明是在气室外围设计球形正交磁场线圈，可以产生三维正交均匀磁场，其中一个方向磁场为碱金属原子极化所需的静磁场B0；另两个方向为原子核共振所需的射频磁场B1cos(ωat)。线圈骨架采用球形结构设计，零件外表面设计三组正交环槽用于布置线圈，零件材料选用无磁、加工性好、不易变形的PPS塑料。每组线圈采用球面三对环形、一定电流×匝数比设计，绕制在线圈骨架环槽中，实现正交均匀磁场需求。采用此设计，满足原子气室工作时对三维磁场的要求，有利于降低核自旋的弛豫率，提高陀螺精度。

Claims (7)

1.一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：包括球形线圈骨架和正交线圈，球形线圈骨架的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，正交线圈绕制在线圈骨架环槽中。
2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：所述的球形线圈骨架包括球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座，球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座采用止口定位结构连接成一个球体，在球体的外表面沿三个正交轴方向设计出三组环槽，用于布置正交线圈；在球形线圈骨架上盖和球形线圈骨架底座的连接处设计出两路十字相交通光孔；在球体底部内外分别设计出与正交线圈和其它部件安装的插入式定位结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：所述的球形线圈骨架选用无磁、加工性好、不易变形的PPS塑料制成。
4.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：所述的正交线圈是沿三个正交轴方向的三组，所有线圈均分布在同一球面上，并与球形线圈骨架表面所制三组环槽的位置及形状相吻合，三组线圈分别绕制在线圈骨架的三组环槽中。
5.根据权利要求4所述的一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：所述的每组线圈均包括三对采用对称布局设计的环形线圈。
6.根据权利要求4所述的一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：所述的每个环形线圈对应一定圆心角，沿轴向从中心到两端圆心角分别为：70°、35°、22°。
7.根据权利要求4所述的一种用于核磁共振陀螺仪的球形正交均匀磁场线圈，其特征在于：所述的每组三对环形线圈的匝数，沿轴向从中心到两端按照一定比例减少，线圈电流×匝数比为21∶9∶2。
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