CN110928359B - 一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置 - Google Patents

一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及补偿空间磁场技术，具体是一种可以同时补偿均匀磁场及梯度磁场的装置。本发明解决了现阶段被广泛采用的亥姆霍兹补偿磁场线圈在消除空间剩余均匀磁场时无法补偿非零梯度磁场的问题。同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的方法与装置，包括：由电源、补偿线圈、采样电阻和场效应管依次串联而成的电流回路及实现对每个补偿线圈电流单独控制的反馈电路。本发明适用于受到空间剩余均匀磁场和梯度磁场严重影响的精密测量、产品校准和冷原子科学实验。

Description

一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置
技术领域
本发明涉及磁场补偿技术领域，具体是一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置。
背景技术
在地球近地空间内的任意一点都具有地磁场，即地球周围空间分布的磁场，其强度和方向会随着不同的经纬度和高度而不同。除此以外，弱磁性的金属器件和通电设备也会在周围产生杂散磁场，且随着空间位置变化。这些磁场均可被看作空间剩余磁场，对于原子干涉仪提供的频率标准、精密测量产品的校准和新型材料的研发等形成了巨大的干扰。为了补偿空间中某一方向的剩余磁场，通常采用一对通有大小相等、方向相同的亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场来消除空间剩余磁场。特别是，通过调节补偿线圈中电流的大小，可以改变线圈对称中心处沿线圈轴线方向的磁场大小，从而能补偿由于位置或地点不一样导致不同的空间剩余磁场。冷原子技术中，需要三对满足亥姆霍兹要求的补偿线圈对空间中某一点三个方向上的剩余磁场进行有效补偿。
然而，空间剩余磁场的分布会形成非零的梯度磁场，尤其在磁性器件和带电设备附近，剩余磁场随空间位置的剧烈变化会产生不可忽略的梯度磁场。由于空间剩余梯度磁场的存在，使置于空间中的产品或样品感受到不均匀的磁场或磁力的作用。为了补偿剩余的梯度磁场，通常需要采用一对反亥姆霍兹线圈在线圈中心处产生一个与剩余梯度磁场方向相反、大小相等的补偿梯度磁场。实际上，同时使用两对补偿线圈往往增加了装置的复杂性，而且两对线圈的中心也不可能完全重合，所以一般只能通过选择合适的空间位置以尽可能避开磁性材料和通电设备来减小空间剩余的梯度磁场。为此，急需发明一种可以同时补偿空间任一点的剩余均匀磁场和梯度磁场的方法和装置。
发明内容
本发明旨在解决现阶段无法利用补偿线圈同时消除空间均匀磁场和梯度磁场的问题，提出了一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：提供一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置，包括：电源、补偿线圈、采样电阻、场效应管和反馈电路；其中，电源包括第一电源和第二电源，补偿线圈包括第一补偿线圈和第二补偿线圈，采样电阻包括第一采样电阻和第二采样电阻，场效应管包括第一场效应管和第二场效应管；第一电源的正极连接到第一补偿线圈的电流输入端，第一补偿线圈的电流输出端连接到第一采样电阻的一端，第一采样电阻的另一端与第一场效应管的漏极相连接，第一场效应管的源极则连接到第一电源1的负极；设置第一BNC接头与第一采样电阻3并联，且第一BNC接头的正极与第一采样电阻的电流输入端连接，设置第二BNC接头的正极与第一场效应管的栅极连接，其负极与第一场效应管的源极连接；同时，利用导线将第二电源的正极连接到第二补偿线圈的电流输入端，第二补偿线圈的电流输出端连接到第二采样电阻的一端，第二采样电阻的另一端和第二场效应管的漏极相连接，第二场效应管的源极则连接到第二电源的负极，设置第三BNC接头与第二采样电阻并联，且第三BNC接头的正极与第二采样电阻的电流输入端连接，设置第四BNC接头的正极与第二场效应管的栅极连接，其负极与第二场效应管的源极连接；第一BNC头和第三BNC头连接到反馈电路，通过反馈电路调控，使第一补偿线圈和第二补偿线圈中产生电流，进而同时产生均匀磁场和梯度磁场。
其中，所述反馈电路中包括第五-第八BNC头，第五BNC头连接第一BNC头，第八BNC头连接第三BNC头，第六BNC头和第七BNC头分别施加第一控制电压和第二控制电压，通过施加及调节第一控制电压，以产生及调节均匀磁场，通过施加和调节第二控制电压，以产生及调节梯度磁场。
其中，对于第一补偿线圈2中的电流I1，通过电阻值为r1的第一采样电阻两端的压降Vr1获得，即I1=Vr1/r1；第一BNC头连接到反馈电路中作为Vr1电压探测端口的第五BNC头，第一采样电阻的压降Vr1经第一隔离器INA114反相并放大，第一控制电压VPC经第二隔离器U2后同向输出，第二控制电压ΔVPC经第三隔离器U3后同向输出；经过同向隔离的第一控制电压VPC、第二控制电压ΔVPC与经反向隔离、放大后的采样电压-10 Vr1通过第一加法器产生U6误差信号Ve1，即Ve1 = - (VPC + ΔVPC - 10 Vr1)；产生的误差信号Ve1通过第一电位器R21后，使误差信号Ve1按一定比例输入到由电阻R22、第二电位器R23、电容C1和C2及运放U7构成的第一可调积分电路，第一可调积分电路输出端口VO1连接至第一补偿线圈的电流回路中的第二BNC接头，将反馈信号加载到第一场效应管4的栅极-源极端口，通过改变第一场效应管的有效电阻，对第一线圈2的电流进行精确控制；反馈电路中的第一可调积分电路正常工作后，使得误差信号Ve1为零，第一补偿线圈2中的电流为I1 = 0.1 (VPC + ΔVPC) / r1。
其中，通过设定第一积分电容C1及第一积分电容C1串联的第二电位器R23，以提高第一补偿线圈的反馈带宽。
其中，对于第二补偿线圈中的电流I2，通过电阻值为r2的第二采样电阻两端的压降Vr2获得，即I2=Vr2/r2；第三BNC头连接到作为Vr2电压探测端口反馈电路的第八BNC头，第二采样电阻的压降Vr2经第五隔离器INA114反相并放大，第一控制电压VPC经第二隔离器U2后同向输出，第二控制电压ΔVPC经第四隔离器U4后反向输出；经过同向隔离的第一控制电压VPC、经反相隔离的第二控制电压-ΔVPC与经反向隔离、放大后的采样电压-10 Vr2通过第二加法器产生U8误差信号Ve2，即Ve2 = - (VPC - ΔVPC - 10 Vr1)；产生的误差信号Ve2通过第三电位器R27后，使误差信号Ve2按一定比例输入到由电阻R28、第二电位器R29、电容C3和C4及运放U9构成的第二可调积分电路；反馈电路中第二可调积分电路输出端口VO2连接至第二补偿线圈的电流回路中的第四BNC接头，将反馈信号加载到第二场效应管的栅极-源极端口，通过改变第二场效应管的有效电阻可对第二线圈的电流进行精确控制；反馈电路中的第二可调积分电路正常工作后，使得误差信号Ve2为零，此时第二补偿线圈中的电流为I2 =0.1 (VPC - ΔVPC) / r2。
其中，通过设定第三积分电容C3及与第三积分电容C3串联的第四电位器R29，提高第二补偿线圈的反馈带宽。
本发明有效解决了当前无法利用补偿线圈同时消除空间均匀磁场和梯度磁场的问题，常用的补偿线圈只能抵消空间均匀磁场，采用本发明对每个线圈单独控制，在不改变线圈空间结构的基础上通过本发明中的反馈电路就可解决上述问题。
附图说明
图1是本发明的地磁补偿磁线圈电路及连接示意图。
图2是本发明的反馈电路示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置，包括：电源、补偿线圈、采样电阻、场效应管和反馈电路；其中，电源包括第一电源1和第二电源7，补偿线圈包括第一补偿线圈2和第二补偿线圈8，采样电阻包括第一采样电阻3和第二采样电阻9，场效应管包括第一场效应管4和第二场效应管10；第一电源1的正极连接到第一补偿线圈2的电流输入端，第一补偿线圈2的电流输出端连接到第一采样电阻3的一端，第一采样电阻3的另一端与第一场效应管4的漏极相连接，第一场效应管4的源极则连接到第一电源1的负极；设置第一BNC接头5与第一采样电阻3并联，且第一BNC接头5的正极与第一采样电阻3的电流输入端连接，设置第二BNC接头6的正极与第一场效应管4的栅极连接，其负极与第一场效应管4的源极连接；同时，利用导线将第二电源7的正极连接到第二补偿线圈8的电流输入端，第二补偿线圈8的电流输出端连接到第二采样电阻9的一端，第二采样电阻9的另一端和第二场效应管10的漏极相连接，第二场效应管10的源极则连接到第二电源7的负极，设置第三BNC接头11与第二采样电阻9并联，且第三BNC接头11的正极与第二采样电阻9的电流输入端连接，设置第四BNC接头12的正极与第二场效应管10的栅极连接，其负极与第二场效应管10的源极连接；第一BNC头5和第三BNC头11连接到反馈电路，通过反馈电路调控，使第一补偿线圈2和第二补偿线圈8中产生电流，进而同时产生均匀磁场和梯度磁场。
反馈电路的结构如图2所示。其中包括第五-第八BNC头，标号标识为101-104。第五-第八BNC头分别连接隔离器U1、U2、U4和U5，隔离器的型号为INA114。隔离器的正负极均连接正负15V电压，U1和U5的接口1和8之间连接5.5KΩ的电阻，标识为R5和R17；第五-第八BNC头中每一个的正负极分别连接隔离器的接口2和接口3，第五BNC头101连接第一BNC头5，第八BNC头104连接第三BNC头11，第六BNC头102和第七BNC头103分别施加第一控制电压和第二控制电压，通过施加及调节第一控制电压，以产生及调节均匀磁场，通过施加和调节第二控制电压，以产生及调节梯度磁场。
工作时，将两个补偿线圈放置在合适的空间位置，调节两个线圈的间距等于线圈的半径，且保证线圈的对称中心与要补偿磁场的空间位置重合。利用导线将第一电源1的正极连接到补偿线圈2的电流输入端，线圈1的电流输出端连接到第一采样电阻3的一端，第一采样电阻3的另一端和第一场效应管4的漏极相连接，第一场效应管4的源极则连接到第一电源1的负极。第一BNC接头5与第一采样电阻3并联，且第一BNC接头5的正极与第一采样电阻3的电流输入端连接。第二BNC接头6的正极与第一场效应管4的栅极连接，其负极与场效应管的源极连接。同样，利用导线将第二电源7的正极连接到补偿线圈8的电流输入端，线圈8的电流输出端连接到第二采样电阻9的一端，第二采样电阻9的另一端和第二场效应管10的漏极相连接，第二场效应管10的源极则连接到第二电源7的负极。第三BNC接头11与第二采样电阻9并联，且第三BNC接头11的正极与第二采样电阻9的电流输入端连接。第四BNC接头12的正极与第二场效应管10的栅极连接，其负极与场效应管的源极连接。
对于第一补偿线圈2中的电流I1，可以通过第一采样电阻3（电阻值为r1）两端的压降Vr1获得，即I1=Vr1/r1。连接第一BNC头5到反馈电路的Vr1电压探测端口，第一采样电阻3的压降Vr1经第一隔离器INA114反相并放大10倍，该放大倍率可以通过R3改变。第一控制电压VPC经第二隔离器U2后同向输出，第二控制电压ΔVPC经第三隔离器U3后同向输出；经过同向隔离的第一控制电压VPC、第二控制电压ΔVPC与经反向隔离、放大后的采样电压-10 Vr1通过第一加法器产生U6误差信号Ve1，即Ve1 = - (VPC + ΔVPC - 10 Vr1)。产生的误差信号Ve1通过第一电位器R21后，使该误差电压按一定比例输入到第一可调积分电路，其中第一可调积分电路由电阻R22、第二电位器R23、电容C1和C2及运放U7构成。这里，双运放AD712的第一运放提供了第一加法器的运放U6，第二运放提供了第一可调积分电路的运放U7。通过选择合适的第一积分电容C1及优化与第一积分电容C1串联的第二电位器R23，提高第一补偿线圈2的反馈带宽。连接反馈电路中第一可调积分电路输出端口VO1连接至第一补偿线圈2的电流回路中的第二BNC接头6，将反馈信号加载到第一场效应管4的栅极-源极端口，通过改变第一场效应管4的有效电阻可对第一线圈2的电流进行精确控制。反馈电路中的第一可调积分电路正常工作后，使得误差信号为零，即Ve1，此时第一补偿线圈2中的电流为I1 = 0.1 (VPC+ΔVPC) / r1。
对于第二补偿线圈8中的电流I2，可以通过第二采样电阻9（电阻值为r2）两端的压降Vr2获得，即I2=Vr2/r2。连接第三BNC头11到反馈电路的Vr2电压探测端口，第二采样电阻9的压降Vr2经第五隔离器INA114反相并放大10倍，该放大倍率可以通过R17改变。第一控制电压VPC经第二隔离器U2后同向输出，第二控制电压ΔVPC经第四隔离器U4后反向输出；经过同向隔离的第一控制电压VPC、经反相隔离的第二控制电压-ΔVPC与经反向隔离、放大后的采样电压-10 Vr2通过第二加法器产生U8误差信号Ve2，即Ve2 = - (VPC - ΔVPC - 10 Vr1)。产生的误差信号Ve2通过第三电位器R27后，使该误差电压按一定比例输入到第二可调积分电路，其中第二可调积分电路由电阻R28、第二电位器R29、电容C3和C4及运放U9构成。这里，另一个双运放AD712的第一运放提供了第二加法器的运放U8，第二运放提供了第二可调积分电路的运放U9。通过选择合适的第三积分电容C3及优化与第三积分电容C3串联的第四电位器R29，提高第二补偿线圈8的反馈带宽。连接反馈电路中第二可调积分电路输出端口VO2至第二补偿线圈8的电流回路中的第二BNC接头12，将反馈信号加载到第二场效应管10的栅极-源极端口，通过改变第二场效应管10的有效电阻可对第二线圈8的电流进行精确控制。反馈电路中的第二可调积分电路正常工作后，使得误差信号为零，即Ve2，此时第二补偿线圈8中的电流为I2 = 0.1 (VPC - ΔVPC) / r2。
本发明所述的一对补偿线圈，两个线圈具有相同的半径，且两个线圈的距离与半径相等。当两个线圈的电流不一致时，两线圈电流之和的一半可以产生与亥姆霍兹线圈等效的均匀磁场，且均匀磁场与电流的关系和亥姆霍兹线圈所具有的对应关系一样；两线圈电流之差的一半可以产生与反亥姆霍兹线圈等效的梯度磁场，且梯度磁场与电流的关系和反亥姆霍兹线圈所具有的对应关系一样。根据本发明所述的第一、二补偿线圈中的电流，可知通过第一控制电压能产生及调节均匀磁场，通过第二控制电压则可以产生及调节梯度磁场。
本发明有效地解决了现阶段的空间磁场补偿线圈无法对均匀磁场和梯度磁场同时抵消的问题，采用本发明不仅可以解决上述问题，而且操作起来简单方便。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置，其特征在于，包括：电源、补偿线圈、采样电阻、场效应管和反馈电路；其中，电源包括第一电源和第二电源，补偿线圈包括第一补偿线圈和第二补偿线圈，采样电阻包括第一采样电阻和第二采样电阻，场效应管包括第一场效应管和第二场效应管；第一电源的正极连接到第一补偿线圈的电流输入端，第一补偿线圈的电流输出端连接到第一采样电阻的一端，第一采样电阻的另一端与第一场效应管的漏极相连接，第一场效应管的源极则连接到第一电源（1）的负极；设置第一BNC接头与第一采样电阻（3）并联，且第一BNC接头的正极与第一采样电阻的电流输入端连接，设置第二BNC接头的正极与第一场效应管的栅极连接，其负极与第一场效应管的源极连接；同时，利用导线将第二电源的正极连接到第二补偿线圈的电流输入端，第二补偿线圈的电流输出端连接到第二采样电阻的一端，第二采样电阻的另一端和第二场效应管的漏极相连接，第二场效应管的源极则连接到第二电源的负极，设置第三BNC接头与第二采样电阻并联，且第三BNC接头的正极与第二采样电阻的电流输入端连接，设置第四BNC接头的正极与第二场效应管的栅极连接，其负极与第二场效应管的源极连接；第一BNC接头和第三BNC接头连接到反馈电路，通过反馈电路调控，使第一补偿线圈和第二补偿线圈中产生电流，进而同时产生均匀磁场和梯度磁场；
其中，所述反馈电路中包括第五-第八BNC接头，第五BNC接头连接第一BNC接头，第八BNC接头连接第三BNC接头，第六BNC接头和第七BNC接头分别施加第一控制电压和第二控制电压，通过施加及调节第一控制电压，以产生及调节均匀磁场，通过施加和调节第二控制电压，以产生及调节梯度磁场；
对于第一补偿线圈（2）中的电流I1，通过电阻值为r1的第一采样电阻两端的压降Vr1获得，即I1=Vr1/r1；第一BNC接头连接到反馈电路中作为Vr1电压探测端口的第五BNC接头，第一采样电阻的压降Vr1经第一隔离器INA114反相并放大，第一控制电压VPC经第二隔离器U2后同向输出，第二控制电压ΔVPC经第三隔离器U3后同向输出；经过同向隔离的第一控制电压VPC、第二控制电压ΔVPC与经反向隔离、放大后的采样电压-10 Vr1通过第一加法器U6产生误差信号Ve1，即Ve1 = - (VPC + ΔVPC - 10 Vr1)；产生的误差信号Ve1通过第一电位器R21后，使误差信号Ve1按一定比例输入到由电阻R22、第二电位器R23、电容C1和C2及运放U7构成的第一可调积分电路，第一可调积分电路输出端口VO1连接至第一补偿线圈的电流回路中的第二BNC接头，将反馈信号加载到第一场效应管（4）的栅极-源极端口，通过改变第一场效应管的有效电阻，对第一补偿线圈（2）的电流进行精确控制；反馈电路中的第一可调积分电路正常工作后，使得误差信号Ve1为零，第一补偿线圈（2）中的电流为I1 = 0.1 (VPC + ΔVPC) /r1。
2.根据权利要求1所述的同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置，其特征在于，通过设定第一积分电容C1及第一积分电容C1串联的第二电位器R23，以提高第一补偿线圈的反馈带宽。
3.根据权利要求1所述的同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置，其特征在于，对于第二补偿线圈中的电流I2，通过电阻值为r2的第二采样电阻两端的压降Vr2获得，即I2=Vr2/r2；第三BNC接头连接到作为Vr2电压探测端口反馈电路的第八BNC接头，第二采样电阻的压降Vr2经第五隔离器INA114反相并放大，第一控制电压VPC经第二隔离器U2后同向输出，第二控制电压ΔVPC经第四隔离器U4后反向输出；经过同向隔离的第一控制电压VPC、经反相隔离的第二控制电压-ΔVPC与经反向隔离、放大后的采样电压-10 Vr2通过第二加法器U8产生误差信号Ve2，即Ve2 = - (VPC - ΔVPC - 10 Vr2)；产生的误差信号Ve2通过第三电位器R27后，使误差信号Ve2按一定比例输入到由电阻R28、第四电位器R29、电容C3和C4及运放U9构成的第二可调积分电路；反馈电路中第二可调积分电路输出端口VO2连接至第二补偿线圈的电流回路中的第四BNC接头，将反馈信号加载到第二场效应管的栅极-源极端口，通过改变第二场效应管的有效电阻可对第二补偿线圈的电流进行精确控制；反馈电路中的第二可调积分电路正常工作后，使得误差信号Ve2为零，此时第二补偿线圈中的电流为I2 = 0.1 (VPC -ΔVPC) / r2。
4.根据权利要求3所述的同时补偿空间剩余均匀磁场和梯度磁场的装置，其特征在于，通过设定第三积分电容C3及与第三积分电容C3串联的第四电位器R29，提高第二补偿线圈的反馈带宽。
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