CN109616276B - 一种不等间距螺线管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于螺线管技术，涉及一种能产生超均匀磁场的不等间距螺线管。本发明不等间距螺线管包括支架(1)和绕制在支架(1)上的线圈(2)，所述线圈(2)中相邻线圈之间的间距呈中心对称分布，所述线圈(2)的两端向线圈中心方向，相邻线圈之间的间距逐步增加，在线圈中心处的线圈间距最大，且相邻线圈之间的间距变化符合中心对称、且单侧递增的特定函数形式。本发明螺线管能大幅度提高静态磁场的均匀性，满足了导航级核磁共振陀螺的要求。

Description

一种不等间距螺线管
技术领域
本发明属于螺线管技术，涉及一种能产生超均匀磁场的不等间距螺线管。
背景技术
核磁共振陀螺利用检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度。该陀螺所涉及的磁场包括纵向静态磁场和横向振荡磁场，原子核自旋绕静磁场进动，振荡磁场频率与原子核进动频率相同。在进行陀螺设计时，必须保证静态磁场纵向分量在气室范围内均匀分布，横向分量近似为零。传统方案往往采用螺线管产生静态磁场，而该方案产生的静态磁场其均匀性一般仅能达到10-3，难以满足导航级核磁共振陀螺的要求。
发明内容
本发明的目的：提供一种能产生超均匀磁场的不等间距螺线管，以便大幅度提高静态磁场的均匀性，满足导航级核磁共振陀螺的要求。
本发明的技术方案：一种不等间距螺线管，包括支架1和绕制在支架1上的线圈2，所述线圈2中相邻线圈之间的间距呈中心对称分布，所述线圈2的两端向线圈中心方向，相邻线圈之间的间距逐步增加，在线圈中心处的线圈间距最大，且相邻线圈之间的间距变化符合中心对称、且单侧递增的特定函数形式。
所述特定函数包括：正弦函数、双曲正切函数、双曲正割函数、幂函数、正态分布函数和三次曲线函数。
所述螺线管的线圈2采用导线或者薄膜电缆绕制。
所述支架1可以使用聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯或聚酰亚胺制造，其上设置有线槽，用于绕制或设置线圈2，相邻线槽之间的间距值符合特定函数描述，从而使其上设置的相邻线圈2之间的间距值也符合同样的特定函数描述。
所述特定函数为正弦函数
Figure GDA0001971506700000011
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝[-(n-1)/2:(n-1)/2]，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a1为正弦函数的频率，a1≤π/(n-1)。
所述特定函数为双曲正切函数：
Figure GDA0001971506700000021
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a2为双曲正切函数的频率。
所述特定函数为双曲正割函数
Figure GDA0001971506700000022
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a3为双曲正割函数的频率。
所述特定函数为幂函数
Figure GDA0001971506700000023
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a4为幂函数的系数的倒数的一半，a4>2。
所述特定函数为正态分布函数
Figure GDA0001971506700000024
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，e为自然对数的底数，a5为正态分布函数的标准偏差。
所述特定函数为三次曲线函数
Figure GDA0001971506700000025
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a6为三次曲线函数的二次项系数，4/L(n-1)>a6>0。
本发明的优点和有益效果是：提供了一种能产生超均匀磁场的螺线管，能大幅度提高静态磁场的均匀性，满足了导航级核磁共振陀螺的要求。本发明的一个实施例，经试验证明，静态磁场的均匀性能提高到10-6。
附图说明
图1是本发明不等间距螺线管沿轴向产生磁场的示例图。
图2是常规螺线管沿轴向产生磁场的示例图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。一种不等间距螺线管，包括支架1和绕制在支架1上的线圈2，其特征在于：从线圈2的一端向线圈中心方向，相邻线圈之间的间距逐步增加，在线圈中心处的线圈间距最大；从线圈中心向线圈2的另一端，相邻线圈之间的间距逐步减小；相邻线圈之间的间距值符合特定函数。
所述特定函数包括：正弦函数、双曲正切函数、双曲正割函数、幂函数、正态分布函数和三次曲线函数。
所述螺线管的线圈2采用导线或者薄膜电缆绕制。
所述支架1可以使用聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯或聚酰亚胺制造，其上设置有线槽，用于绕制或设置线圈2，相邻线槽之间的间距值符合特定函数描述，从而使其上设置的相邻线圈2之间的间距值也符合同样的特定函数描述。不等螺线管产生的超均匀磁场位于螺线管内部。
本发明为了在获得最佳均匀磁场分布下，更为方便的实现线圈间距的分布控制，试验摸索获取了一组用于描述不等间距螺线管轴向相邻线圈之间的间距值ZC的特定函数，并给出特定函数的表达式：
·正弦函数：
Figure GDA0001971506700000031
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝[-(n-1)/2:(n-1)/2]，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a1为正弦函数的频率，a1≤π/(n-1)。
·双曲正切函数
Figure GDA0001971506700000032
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a2为双曲正切函数的频率。
·双曲正割函数
Figure GDA0001971506700000033
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a3为双曲正割函数的频率。
·幂函数
Figure GDA0001971506700000034
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a4为幂函数的系数的倒数的一半，a4>2。
·正态分布函数
Figure GDA0001971506700000041
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，e为自然对数的底数，a5为正态分布函数的标准偏差。
·三次曲线函数
Figure GDA0001971506700000042
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a6为三次曲线函数的二次项系数，4/L(n-1)>a6>0。
上述具有特定表达形式的线圈间距函数，可匹配相应尺寸螺线管，并通过大量不确定试验进行验证，确认均能得到对应螺线管的最佳磁场分布，具体见如下实施例：
实施案例1
不等间距螺线直径216mm、管长228mm、匝数20匝，线圈间距在螺线管两端为1.56mm，中心为18.74mm，间距值符合正弦函数，通电流1.5A，此时螺线管产生的磁场如图1所示，磁场均匀性达到1.08×10-6；与其相比，直径216mm、长228mm、20匝、通电流1.5A的常规螺线管产生的磁场如图2所示，磁场均匀性仅为7.78×10-4。本发明的不等间距螺线管产生磁场的均匀性是常规螺线管的1/720。
实施案例2
不等间距螺线管直径302mm、长306mm、匝数20匝，线圈间距在螺线管两端为10.90mm，中心为42.83mm，间距值符合幂函数，通电流2A，此时螺线管产生磁场的均匀性达到6.06×10-7；与其相比，直径302mm、长306mm、20匝、通电流2A的常规螺线管产生磁场的均匀性仅为1.10×10-3。本发明的不等间距螺线管产生磁场的均匀性是常规螺线管的1/1815。
实施案例3
不等间距螺线管直径230mm、长198mm、匝数20匝，线圈间距在螺线管两端为0.60mm，中心为20.68mm，间距值符合三次曲线函数，通电流1.6A，此时螺线管产生磁场的均匀性达到1.55×10-6；与其相比，直径230mm、长198mm、匝数20匝、通电流1.6A的常规螺线管产生磁场的均匀性仅为1.00×10-3。本发明的不等间距螺线管产生磁场的均匀性是常规螺线管的1/645。

Claims (3)

1.一种不等间距螺线管，包括支架(1)和绕制在支架(1)上的线圈(2)，其特征在于：所述线圈(2)中相邻线圈之间的间距呈中心对称分布，所述线圈(2)的两端向线圈中心方向，相邻线圈之间的间距逐步增加，在线圈中心处的线圈间距最大，且相邻线圈之间的间距变化符合中心对称、且单侧递增的特定函数形式；
所述特定函数为正弦函数
Figure FDA0002526812380000011
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝[-(n-1)/2:(n-1)/2]，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a1为正弦函数的频率，a1≤π/(n-1)；
或者，所述特定函数为双曲正切函数：
Figure FDA0002526812380000012
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a2为双曲正切函数的频率；
或者，所述特定函数为双曲正割函数
Figure FDA0002526812380000013
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a3为双曲正切函数的频率；
或者，所述特定函数为幂函数
Figure FDA0002526812380000014
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a4为幂函数的系数的倒数的一半，a4>2；
或者，所述特定函数为正态分布函数
Figure FDA0002526812380000015
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，e为自然对数的底数，a5为正态分布函数的标准偏差；
或者，所述特定函数为三次曲线函数
Figure FDA0002526812380000021
其中D为与线圈间距相关的计数数列，D＝-(n-1)/2,-(n+1)/2,…,(n-1)/2，L为螺线管长度，n为螺线管匝数，a6为三次曲线函数的二次项系数，4/L(n-1)>a6>0。
2.根据权利要求1所述的不等间距螺线管，其特征在于：所述螺线管的线圈(2)采用导线或者薄膜电缆绕制。
3.根据权利要求1所述的不等间距螺线管，其特征在于：所述支架(1)可以使用聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯或聚酰亚胺制造，其上设置有线槽，用于绕制或设置线圈(2)，相邻线槽之间的间距值符合特定函数描述，从而使其上设置的相邻线圈(2)之间的间距值也符合同样的特定函数描述。
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