CN110068319A - 匀场线圈优化设计、制作方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了匀场线圈的优化设计、制作方法及其结构，涉及核磁共振陀螺技术领域，设计流程包括：S1、确定待优化参数r0、L0、D、m和e；S2、建立优化模型，确定r0、L0、D、m和e；S3、根据r0、L0、D、m和e，设计满足约束条件体积最小的匀场线圈；制作方法包括：S1、确定基板；S2、选取通电导线；S3、通电导线安装在基板上；S4、连通每行通电导线；S5，连接公头与连接母头插接；通过该方法制作的匀场线圈在满足线圈磁场幅值及均匀度约束同时可控制线圈体积；通电导线电流方向与基板中心轴线垂直，减小杂散磁场；输出导线与连接线之间电流大小相同、方向相反的设置，可以抵消连接线产生的杂散磁场，保证线圈磁场精度。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振陀螺技术领域，尤其涉及一种匀场线圈优化设计、制作方法及其结构。
背景技术
核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope,NMRG)具有高精度、小体积、高环境适应性等优点，已成为各国首要发展的新一代惯性导航陀螺。NMRG基于核磁共振原理测量运动载体的角速度。其核心敏感元件是原子气室，气室中充有碱金属原子、惰性气体原子及缓冲气体，匀场线圈是核磁共振陀螺(Nuclear Magnetic ResonanceGyroscope,NMRG)的重要组件，为NMRG中的原子气室提供高均匀工作磁场，随着NMRG向小型化方向发展，现有的匀场线圈体积偏大，存在线圈磁场均匀度需求和线圈体积约束难以同时满足的问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题提出了一种匀场线圈优化设计、制作方法及其结构。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
匀场线圈优化设计，包括以下步骤：
S1、确定与线圈磁场均匀度δ及体积大小相关的待优化参数，待优化参数为线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、线径D、线圈匝数m和表征通电绕组j是否存在的状态变量e；
S2、确定优化流程，建立优化模型，利用优化模型得到满足约束条件的最优解，确定r0、L0、D、m和e的取值；
S3、根据最优解中r0、L0、D、m和e的取值，设计制作满足磁场幅值及均匀度δ约束条件的体积最小的匀场线圈。
进一步地，在S2中包括以下步骤：
S21、确定待优化线圈初始可行载流域和目标匀场区的相对位置及边界尺寸，初始可行载流域的尺寸包括径向尺寸r0和轴向尺寸L0，在目标匀场区内选择1、2、3、4个共4个目标点计算并表征目标匀场区磁场Bz的均匀度δ，Bz为沿z轴方向的目标匀场区磁场；
S22、将r0、L0、δ、Baim、Di和I导入优化模型，其中Baim为目标匀场区磁场Bz必须优化达到的最小幅值，Di为待优化线圈初始线径，I为待优化线圈通电电流；
S23、将初始可行载流域均匀划分为Ni个边长为Di×Di的正方形单元，每个正方形单元处放置一个通电绕组j，Ni和Di满足关系式Ni×Di＝L0，据此计算各通电绕组j的径向位置rj和轴向位置Lj；
S24、计算通电绕组j在目标匀场区第k个目标点上的轴向磁感应强度Bkj＝Bz(Rk,Zk)j；
S25、根据磁场线性叠加原理，计算线圈位于r轴以上的上半部分通电绕组j在目标点处的总轴向磁感应强度Bz(Rk,Zk)up；
S26、选择作目标函数，确定线圈磁场幅值及均匀度δ约束条件；
S27、剖析并确定线圈各参数对磁场均匀度δ的影响规律，确定限制线圈体积及磁场均匀度δ的主导因素，求解优化模型；
S28、输出可行载流域内表征各正方形单元内通电绕组j存在与否的状态变量e，得出待优化线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、匝数m和线径D的最优解，完成小体积高均匀场线圈优化设计。
进一步地，在S24中，位于线圈对称轴上的第1目标点和第2目标点处的轴向磁感应强度计算公式为：其他两个未处于线圈对称轴上的第3目标点和第4目标点处的轴向磁感应强度计算公式为：其中K(k(Rk,Zk)j)和E(k(Rk,Zk)j)是第一和第二类椭圆积分；
在S25中，总轴向磁感应强度的计算公式为：其中ej为只能取1或0的状态变量，代表着通电绕组j存在或者不存在，根据对称性原理，计算得到整个线圈在目标处的总轴向磁感应强度Bz(Rk,Zk)；
进一步地，在S27中，采用分支定界方法或者遗传算法求解。
进一步地，在S27中包括，分析可行载流域内各正方形单元内的状态变量e能否解出，如能解出，进入步骤S28；否则，分析线圈的线径Di是否为可取的最小线径，如果否，则取较小的线圈线径返回S22；否则，增大可行载流域的径向和轴向尺寸r0和L0返回S22，直到解算出符合要求的状态变量e。
匀场线圈制作方法，包括以下步骤；
S1、根据最优解中r0和L0的取值，确定柔性的基板长度及宽度尺寸；
S2、根据最优解中D的取值，选取相应直径的通电导线；
S3、将通电导线安装在柔性的基板上，根据最优解小红m和e的取值，确定通电导线在基板上的匝数与安装位置；
S4、输入导线与第一行通电导线的输入端连通，基板的中部设置有多条连接线，多条连接线排成一列，第n行通电导线的输出端通过一条连接线与第n+1行通电导线的输入端连通，输出导线与最后一行通电导线的输出端连通；
S5，将基板两端的连接公头与连接母头插接，并拧紧连接公头与连接母头上的紧固螺钉。
匀场线圈结构，包括：
柔性的基板，基板上设置有多行用于连接输入导线和输出导线的通电导线，输出导线与最后一行通电导线的输出端连通，输入导线与第一行通电导线的输入端连通，基板上设置有多条连接线，多条连接线排成一列，第n行通电导线的输出端通过一条连接线与第n+1行通电导线的输入端连通，通电后，每行通电导线的电流方向与基板的中心轴线方向垂直；
用于连接基板两端的连接结构，基板通过连接结构连接后，每行通电导线形成一匝通电圆环绕组。
进一步地，输出导线、输入导线、通电导线和连接线均包裹有绝缘层，输出导线紧挨着连接线设置，通电后，连接线的电流方向与基板的中心轴线方向平行，输出导线的电流与每条连接线的电流大小相等、方向相反。
进一步地，连接结构包括连接公头、连接母头和四个紧固螺钉，连接公头和连接母头分别设置在基板的两端，紧固螺钉设置在连接公头或连接母头的两端。
本发明的有益效果在于：通过本设计方法确定满足线圈磁场幅值、均匀度及线圈体积需求的最优化的线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、线径D、表征通电绕组存在与否的状态变量e和匝数m，通过r0、L0、D、m和e制作的匀场线圈在提高线圈磁场均匀度的同时可控制线圈的体积，适用于NMRG匀场线圈的研制；同时结合每行通电导线的电流方向与基板的中心轴线方向垂直，减小了杂散磁场，同时通过输出导线与连接线中电流大小相同、方向相反的设置，可以抵消连接线所产生的杂散磁场，进一步保证线圈磁场精度。
附图说明
图1是本发明匀场线圈优化设计中可行载流域及目标匀场区相对位置示意图；
图2是本发明匀场线圈优化设计的流程图；
图3是本发明匀场线圈优化设计中实施例2优化出的圆柱线圈匝数分布图；
图4是本发明匀场线圈优化设计中实施例2优化出的圆柱线圈轴向磁场均匀度δ分布图，
图5是本发明匀场线圈结构的结构示意图；
图6是本发明匀场线圈结构的装配结构示意图；
图7是本发明匀场线圈结构中A的放大图；
其中相应的附图标记为：
1-目标匀场区，2-通电绕组，3-可行载流域，4-匝数分布，5-紧固螺钉，6-连接公头，7-基板，8-连接母头，9-通电导线，10-输出导线，11-输入导线；
图1中：a-第1目标点,b-第2目标点,c-第3目标点,d-第4目标点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1，如图1、图2所示；
匀场线圈优化设计，包括以下步骤：
S1、确定与线圈磁场均匀度δ及体积大小相关的待优化参数，待优化参数为线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、线径D、线圈匝数m和表征通电绕组j是否存在的状态变量e；
S2、确定优化流程，建立优化模型，利用优化模型得到满足约束条件的最优解，确定r0、L0、D、m和e的取值；
S3、根据最优解中r0、L0、D、m和e的取值，设计制作满足磁场幅值及均匀度δ约束条件的体积最小的匀场线圈。
在S2中包括以下步骤：
S21、确定待优化线圈初始可行载流域3和目标匀场区1的相对位置及边界尺寸，初始可行载流域3的尺寸包括径向尺寸r0和轴向尺寸L0，在目标匀场区1内选择1、2、3、4个共4个目标点计算并表征目标匀场区1磁场Bz的均匀度δ，Bz为沿z轴方向的目标匀场区1磁场；
S22、将r0、L0、δ、Baim、Di和I导入优化模型，其中Baim为目标匀场区1磁场Bz必须优化达到的最小幅值，Di为待优化线圈初始线径，I为待优化线圈通电电流；
S23、将初始可行载流域3均匀划分为Ni个边长为Di×Di的正方形单元，每个正方形单元处放置一个通电绕组j，Ni和Di满足关系式Ni×Di＝L0，据此计算各通电绕组j的径向位置rj和轴向位置Lj；
S24、计算通电绕组j在目标匀场区1第k个目标点上的轴向磁感应强度Bkj＝Bz(Rk,Zk)j，位于线圈对称轴上的第1目标点和第2目标点处的轴向磁感应强度计算公式为：其他两个未处于线圈对称轴上的第3目标点和第4目标点处的轴向磁感应强度计算公式为：其中K(k(Rk,Zk)j)和E(k(Rk,Zk)j)是第一和第二类椭圆积分；
S25、根据磁场线性叠加原理，计算线圈位于r轴以上的上半部分通电绕组j在目标点处的总轴向磁感应强度Bz(Rk,Zk)up，总轴向磁感应强度的计算公式为：其中ej为只能取1或0的状态变量，代表着通电绕组j存在或者不存在，根据对称性原理，计算得到整个线圈在目标处的总轴向磁感应强度Bz(Rk,Zk)；
S26、选择作目标函数，确定线圈磁场幅值及均匀度δ约束条件；
S27、剖析并确定线圈各参数对磁场均匀度δ的影响规律，确定限制线圈体积及磁场均匀度δ的主导因素，求解优化模型，采用分支定界方法或者遗传算法求解，分析可行载流域3内各正方形单元内的状态变量e能否解出，如能解出，进入步骤S28；否则，分析线圈的线径Di是否为可取的最小线径，如果否，则取较小的线圈线径返回S22；否则，增大可行载流域3的径向和轴向尺寸r0和L0返回S22，直到解算出符合要求的状态变量e；
S28、输出可行载流域3内表征各正方形单元内通电绕组存在与否的状态变量e，得出待优化线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、匝数m和线径D的最优解，完成小体积高均匀场线圈优化设计。
实施例2，图1、图2、图3、图4所示，
根据NMRG的总体设计布局，初步确定初始可行载流域3的径向和轴向尺寸r0和L0分别为12mm和30mm，目标匀场区1为线圈中心直径4mm，长度4mm的圆柱区域。确定目标匀场区1磁场Bz所需达到的最小幅值Baim为50幅值，线圈通电电流I为100mA，目标匀场区1磁场均匀度δ为1/105，线圈的初始线径Di为1mm，优化出线圈的匝数和线径分别为82匝和0.2mm，优化出的圆柱线圈(1/4轴对称区域)匝数分布如图3所示。优化出的圆柱线圈(直径24mm，长度30mm)中心1/4圆柱区域(直径4mm，长度4mm)轴向磁场均匀度δ优于2/106，设计出的线圈能满足小型高精度NMRG对匀场线圈的要求。
实施例3，如图5、图6、图7所示，
匀场线圈制作方法，包括以下步骤；
S1、根据最优解中r0和L0的取值，确定柔性的基板7长度及宽度尺寸；
S2、根据最优解中D的取值，选取相应直径的通电导线9；
S3、将通电导线9安装在柔性的基板7上，根据最优解中m和e的取值，确定通电导线9在基板7上的匝数与安装位置；
S4、输入导线11与第一行通电导线9的输入端连通，基板7的中部设置有多条连接线，多条连接线排成一列，第n行通电导线9的输出端通过一条连接线与第n+1行通电导线9的输入端连通，输出导线10与最后一行通电导线9的输出端连通；
S5，将基板两端的连接公头6与连接母头8插接，并拧紧连接公头6与连接母头8上的紧固螺钉5。
通过本方法制作的匀场线圈在相同磁场下的体积最小，同时匀场线圈在通电时，每行通电导线9的电流方向均与基板7的中心轴线垂直，连接线和输出导线10的电流方向均与基板7的中心轴线平行，且连接线的电流与输出导线10的电流大小相同、方向相反，减小了散杂磁场，输出导线10可以抵消连接线所产生的杂散磁场，进一步保证线圈磁场精度。
实施例4，如图5、图6、图7所示，
匀场线圈结构，包括：
柔性的基板7，基板7上设置有多行用于连接输入导线11和输出导线10的通电导线9，输出导线10与最后一行通电导线9的输出端连通，输入导线11与第一行通电导线9的输入端连通，基板7上设置有多条连接线，多条连接线排成一列，第n行通电导线9的输出端通过一条连接线与第n+1行通电导线9的输入端连通，通电后，每行通电导线9的电流方向与基板7的中心轴线方向垂直；
用于连接基板7两端的连接结构，基板7通过连接结构连接后，每行通电导线9形成一匝通电圆环绕组。
输出导线10、输入导线11、通电导线9和连接线均包裹有绝缘层，输出导线10紧挨着连接线设置，通电后，连接线的电流方向与基板7的中心轴线方向平行，输出导线10的电流与每条连接线的电流大小相等、方向相反。
如图5、图6所示，连接结构包括连接公头6、连接母头8和四个紧固螺钉5，连接公头6和连接母头8分别设置在基板7的两端，四个紧固螺钉5分别设置在连接公头6或连接母头8的两端。
基板7为PCB材质。
匀场线圈在通电时，每行通电导线9的电流方向均与基板7的中心轴线垂直，减小了散杂磁场，连接线和输出导线10的电流方向均与基板7的中心轴线平行，且连接线的电流与输出导线10的电流大小相同、方向相反，输出导线10可以抵消连接线所产生的杂散磁场，进一步保证线圈磁场精度。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.匀场线圈优化设计，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定与线圈磁场均匀度δ及体积大小相关的待优化参数，待优化参数为线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、线径D、线圈匝数m和表征通电绕组j是否存在的状态变量e；
S2、确定优化流程，建立优化模型，利用优化模型得到满足约束条件的最优解，确定r0、L0、D、m和e的取值；
S3、根据最优解中r0、L0、D、m和e的取值，设计制作满足磁场幅值及均匀度δ约束条件的体积最小的匀场线圈。
2.根据权利要求1所述的匀场线圈优化设计，其特征在于，在S2中包括以下步骤：
S21、确定待优化线圈初始可行载流域和目标匀场区的相对位置及边界尺寸，初始可行载流域的尺寸包括径向尺寸r0和轴向尺寸L0，在目标匀场区内选择1、2、3、4个共4个目标点计算并表征目标匀场区磁场Bz的均匀度δ，Bz为沿z轴方向的目标匀场区磁场；
S22、将r0、L0、δ、Baim、Di和I导入优化模型，其中Baim为目标匀场区磁场Bz必须优化达到的最小幅值，Di为待优化线圈初始线径，I为待优化线圈通电电流；
S23、将初始可行载流域均匀划分为Ni个边长为Di×Di的正方形单元，每个正方形单元处放置一个通电绕组j，Ni和Di满足关系式Ni×Di＝L0，据此计算各通电绕组j的径向位置rj和轴向位置Lj；
S24、计算通电绕组j在目标匀场区第k个目标点上的轴向磁感应强度Bkj＝Bz(Rk,Zk)j；
S25、根据磁场线性叠加原理，计算线圈位于r轴以上的上半部分通电绕组j在目标点处的总轴向磁感应强度Bz(Rk,Zk)up；
S26、选择作目标函数，确定线圈磁场幅值及均匀度δ约束条件；
S27、剖析并确定线圈各参数对磁场均匀度δ的影响规律，确定限制线圈体积及磁场均匀度δ的主导因素，求解优化模型；
S28、输出可行载流域内表征各正方形单元内通电绕组j存在与否的状态变量e，得出待优化线圈径向尺寸r0、轴向尺寸L0、匝数m和线径D的最优解，完成小体积高均匀场线圈优化设计。
3.根据权利要求2所述的匀场线圈优化设计，其特征在于：
在S24中，位于线圈对称轴上的第1目标点和第2目标点处的轴向磁感应强度计算公式为：其他两个未处于线圈对称轴上的第3目标点和第4目标点处的轴向磁感应强度计算公式为：其中K(k(Rk,Zk)j)和E(k(Rk,Zk)j)是第一和第二类椭圆积分；
在S25中，总轴向磁感应强度的计算公式为：其中ej为只能取1或0的状态变量，代表着通电绕组j存在或者不存在，根据对称性原理，计算得到整个线圈在目标处的总轴向磁感应强度Bz(Rk,Zk)。
4.根据权利要求2所述的匀场线圈优化设计，其特征在于，在S27中，采用分支定界方法或者遗传算法求解。
5.根据权利要求2所述的匀场线圈优化设计，其特征在于，在S27中包括，分析可行载流域内各正方形单元内的状态变量e能否解出，如能解出，进入步骤S28；否则，分析线圈的线径Di是否为可取的最小线径，如果否，则取较小的线圈线径返回S22；否则，增大可行载流域的径向和轴向尺寸r0和L0返回S22，直到解算出符合要求的状态变量e。
6.匀场线圈制作方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1、根据最优解中r0和L0的取值，确定柔性的基板长度及宽度尺寸；
S2、根据最优解中D的取值，选取相应直径的通电导线；
S3、将通电导线安装在柔性的基板上，根据最优解中m和e的取值，确定通电导线在基板上的匝数与安装位置；
S4、输入导线与第一行通电导线的输入端连通，基板的中部设置有多条连接线，多条连接线排成一列，第n行通电导线的输出端通过一条连接线与第n+1行通电导线的输入端连通，输出导线与最后一行通电导线的输出端连通；
S5，将基板两端的连接公头与连接母头插接，并拧紧连接公头与连接母头上的紧固螺钉。
7.匀场线圈结构，其特征在于，包括：
柔性的基板，基板上设置有多行用于连接输入导线和输出导线的通电导线，输出导线与最后一行通电导线的输出端连通，输入导线与第一行通电导线的输入端连通，基板上设置有多条连接线，多条连接线排成一列，第n行通电导线的输出端通过一条连接线与第n+1行通电导线的输入端连通，通电后，每行通电导线的电流方向与基板的中心轴线方向垂直；
用于连接基板两端的连接结构，基板通过连接结构连接后，每行通电导线形成一匝通电圆环绕组。
8.根据权利要求7所述的匀场线圈结构，其特征在于：输出导线、输入导线、通电导线和连接线均包裹有绝缘层，输出导线紧挨着连接线设置，通电后，连接线的电流方向与基板的中心轴线方向平行，输出导线的电流与每条连接线的电流大小相等、方向相反。
9.根据权利要求7所述的匀场线圈结构，其特征在于：连接结构包括连接公头、连接母头和四个紧固螺钉，连接公头和连接母头分别设置在基板的两端，四个紧固螺钉分别设置在连接公头或连接母头的两端。
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