CN110970191B - 一种多层屏蔽装置的退磁方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多层屏蔽装置的退磁方法，退磁方法基于退磁线圈系统实现退磁，退磁线圈系统包括多匝退磁线圈、多个连接导线和供电模块；多层屏蔽装置包括至少两层屏蔽体，各层屏蔽体由内到外逐层套设，每层屏蔽体上均间隔缠绕多匝退磁线圈，每匝退磁线圈一半位于所缠绕的屏蔽体内侧，另一半位于所缠绕的屏蔽体外侧；各退磁线圈均通过相应的连接导线接入供电模块；供电模块包括控制器，控制器与各连接导线连接；退磁方法包括：向各退磁线圈通入相应的退磁电流，令各层屏蔽体先由内向外逐层退磁，再由外向内逐层退磁，退磁电流强度大小根据各层所述屏蔽体的尺寸设定。该方法相较于现有的退磁方法能够有效提高退磁效果。

Description

一种多层屏蔽装置的退磁方法

技术领域

本发明涉及磁场屏蔽技术领域，尤其涉及一种多层屏蔽装置的退磁方法。

背景技术

屏蔽装置可以屏蔽外界地磁场和环境干扰磁场，提供一个绝对磁场及其微弱的磁场环境。航天工程、国防工业、空间科学、生命科学、基础物理等多种方向的发展都对屏蔽装置提出了应用需求，且随着研究深入，近年来对屏蔽装置的内部磁场环境的要求不断提高。

屏蔽装置内的剩余静态磁场是衡量其近零磁场接近真正零磁场程度的直接指标，采用装置内部空间的静态磁感应强度幅值表示。屏蔽体通常由磁导率很高的屏蔽材料(例如坡莫合金材料)构成，这意味着在屏蔽外界磁场的同时，屏蔽材料也被磁化。外界静态磁场被屏蔽后的参与磁场和材料自身磁场共同决定了剩余静态磁场的大小。为了消除/削弱材料的磁化强度，必须对屏蔽材料进行退磁处理。

因此，很多屏蔽装置设计了退磁线圈系统，以便通过退磁优化屏蔽装置内部的剩余静态磁场。目前，针对多层屏蔽装置的退磁线圈系统，较为普遍的设置方式为每个退磁线圈均穿过全部各层屏蔽体缠绕，退磁时向所有退磁线圈同时通入退磁电流，对全部各层屏蔽体进行统一退磁。其缺点在于，由内层至外层不同的屏蔽体尺寸不同，退磁所需要达到的饱和磁场所对应的退磁电流幅值不同。在退磁线圈缠绕所有屏蔽体，且只采用同一退磁电流的情况下，或者(在内层的屏蔽体饱和)在外层的屏蔽体不能达到饱和，或者(在外层的屏蔽体饱和)在内层的屏蔽体过饱和，在给定的退磁周期中，最终不同层的屏蔽材料所经历的退磁曲线不同，不能实现完整退磁。并且，不同层、不同方向的退磁线圈互相之间具有干扰，例如在外层的退磁电流会对内层屏蔽体引起干扰磁场，X方向的退磁会引起Z方向的干扰磁场。而目前的退磁线圈系统未考虑过控制退磁时序问题，这将影响退磁线圈系统的最终退磁效果及屏蔽装置使用效果。

发明内容

本发明的目的是基于上述至少一部分缺陷，提供了一种针对多层屏蔽装置的退磁方法，以解决现有技术中多层屏蔽装置难以实现完整退磁的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多层屏蔽装置的退磁方法，所述退磁方法基于退磁线圈系统实现退磁，所述退磁线圈系统包括多匝退磁线圈、多个连接导线和供电模块；

所述多层屏蔽装置包括至少两层屏蔽体，各层所述屏蔽体由内到外逐层套设，每层所述屏蔽体上均间隔缠绕多匝所述退磁线圈，每匝所述退磁线圈一半位于所缠绕的屏蔽体内侧，另一半位于所缠绕的屏蔽体外侧，用于提供相应的退磁磁场，以构成闭合的磁通回路；各所述退磁线圈均通过相应的所述连接导线接入所述供电模块；所述供电模块包括控制器，所述控制器与各所述连接导线连接，用于根据用户输入生成相应的控制指令并发送，以控制各所述退磁线圈通入相应的退磁电流；

所述退磁方法包括：向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令各层所述屏蔽体先由内向外逐层退磁，再由外向内逐层退磁，退磁电流强度大小根据各层所述屏蔽体的尺寸设定。

优选地，所述退磁线圈通入的退磁电流为线性衰减退磁电流、二阶衰减退磁电流或指数衰减退磁电流。

优选地，所述线性衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数；

所述二阶衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数；

所述指数衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数，b为调节参数，调整指数衰减的下降速度；

所述退磁线圈通入的退磁电流的电流强度表达式为：

I＝I_Esin(2πf_Dt)。

优选地，每层所述屏蔽体的各个屏蔽面上均匀间隔缠绕多匝所述退磁线圈。

优选地，各所述连接导线均回折设置，每个所述连接导线一半为电流去路连接导线，与相对应的各所述退磁线圈连接，另一半为电流回路连接导线，原路反向折回，电流去路连接导线、电流回路连接导线均接入供电模块，用于使其连接的各所述退磁线圈通入退磁电流。

优选地，所述控制器生成的控制指令包括退磁电流对应的数字波形；

所述供电模块还包括：

数模转换器，与所述控制器连接，用于接收所述数字波形并转换为模拟信号；

分压器，与所述数模转换器连接，用于接收所述模拟信号并调整其幅值；

低通滤波器，与所述分压器连接，用于接收调整幅值后的模拟信号并对其中的高频干扰信号进行滤波处理；

功率放大器，与所述低通滤波器连接，用于接收滤波后的模拟信号并输出大功率退磁电流；

变压器，与所述功率放大器连接，用于接收大功率退磁电流并滤除退磁电流的直流偏置；

继电器，连接所述变压器与所述连接导线，用于控制相应的所述退磁线圈的通断。

优选地，所述屏蔽体为中空长方体结构，具有六个平面屏蔽面，其六个平面屏蔽面上均匀间隔缠绕多匝所述退磁线圈，沿任一方向设置的四个平面屏蔽面上，缠绕的各匝所述退磁线圈平行间隔分布，以构成对应该方向的磁通回路，六个平面屏蔽面上相应的所述退磁线圈构成三方向正交的磁通回路。

优选地，所述退磁方法还包括：

向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令每一层所述屏蔽体三方向同时退磁。

优选地，所述屏蔽体为中空长方体结构，具有六个平面屏蔽面，所述退磁线圈缠绕所述屏蔽体的两个平面屏蔽面相交处设置，任意两个平面屏蔽面相交处均设有一匝所述退磁线圈；沿任一方向设置的四个平面屏蔽面相交处缠绕的各匝所述退磁线圈平行间隔分布，以构成对应该方向的磁通回路，六个平面屏蔽面上相应的所述退磁线圈构成三方向正交的磁通回路。

优选地，所述退磁方法还包括：

向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令每一层所述屏蔽体三方向退磁顺序为X-Y-Z、X-Z-Y、Y-X-Z、Y-Z-X、Z-X-Y或Z-Y-X。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种多层屏蔽装置的退磁方法，该方法基于退磁线圈系统实现退磁，退磁线圈系统中分层设置多匝退磁线圈，可针对不同层、不同方向通入相应的退磁电流，避免共用退磁线圈引起的屏蔽体不饱和或过饱和问题；同时，该方法提出令各层屏蔽体先由内向外逐层退磁，再由外向内逐层退磁，以此降低不同层屏蔽体退磁时的磁场干扰。本发明提供的方法相较于目前的退磁方法能够有效提高退磁效果，显著降低屏蔽装置的内部的剩余静态磁场，对采用屏蔽装置进行的生物磁学、基础物理实验、航空磁探测、地磁异常探测等研究具有重要的支撑作用。

附图说明

图1是本发明实施例中一种多层屏蔽装置及退磁线圈系统(部分)线圈缠绕结构示意图；

图2(a)和图2(b)是本发明实施例中一种线性衰减退磁电流对应的退磁磁场和屏蔽材料内部的磁化曲线示意图；

图3(a)和图3(b)为不同初始幅值的线性衰减退磁电流在相同磁通回路中引起的退磁磁场强度和磁感应强度随时间变化的示意图；

图4(a)至图4(d)为不同类型退磁电流引起的退磁磁场强度和磁感应强度随时间变化的示意图；

图5(a)至图5(d)为先内层后外层退磁时，退磁电流、退磁磁场强度、磁感应强度随时间变化的示意图；

图6是本发明实施例中退磁线圈系统无磁干扰式的线圈连接方式(即连接导线设置方式)示意图；

图7是本发明实施例中退磁线圈系统的供电模块结构框图；

图8为集中式退磁线圈结构Z方向退磁产生的退磁磁场在单层正方体屏蔽体中的分布示意图；

图9为集中式退磁线圈结构XZ两方向同时退磁产生的退磁磁场在单层正方体屏蔽体中的分布示意图；

图10为集中式退磁线圈结构XYZ三方向同时退磁产生的退磁磁场在单层正方体屏蔽体中的分布示意图；

图11为分布式退磁线圈结构Z方向退磁产生的退磁磁场在单层正方体屏蔽体中的分布示意图；

图12为分布式退磁线圈结构XZ两方向同时退磁产生的退磁磁场在单层正方体屏蔽体中的分布示意图；

图13为分布式退磁线圈结构XYZ三方向同时退磁产生的退磁磁场在单层正方体屏蔽体中的分布示意图；

图14为本发明实施例中另一种多层屏蔽装置及退磁线圈系统(部分)线圈缠绕结构示意图。

图中：1：屏蔽体；2：退磁线圈；3：电流去路连接导线；4：电流回路连接导线；10：控制器；11：数模转换器；12：分压器；13：低通滤波器；14：功率放大器；15：变压器；16：继电器。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的一种多层屏蔽装置的退磁方法，该退磁方法基于退磁线圈系统实现退磁，所述退磁线圈系统包括多匝退磁线圈2、多个连接导线和供电模块。

多层屏蔽装置包括至少两层屏蔽体1，屏蔽体1由屏蔽材料制成。屏蔽体1为中空结构，各层屏蔽体1由内向外逐层套设，在外层的屏蔽体1大于设于其内侧的屏蔽体1。每层屏蔽体1上均间隔缠绕多匝退磁线圈2，每匝退磁线圈一半位于所缠绕的屏蔽体内侧，另一半位于所缠绕的屏蔽体外侧，用于提供相应的退磁磁场，以构成闭合的磁通回路。各退磁线圈2缠绕一层且仅缠绕一层屏蔽体1，避免一个退磁线圈2同时缠绕两层及以上屏蔽体1的状况。

屏蔽体1上需穿线位置处开设有线孔，各个线孔的具体位置可根据屏蔽体1的结构进行设置，优选设于屏蔽面的边缘附近或中心处，以便使得缠绕的退磁线圈2尽可能覆盖整个屏蔽面，实现均匀退磁。退磁线圈2可采用具有绝缘层的铜线绕制，在此不再进一步限定。

各退磁线圈2均通过相应的连接导线接入供电模块，以使退磁线圈2通入相应的退磁电流。单个退磁线圈2通入退磁电流后产生退磁磁场，多个退磁线圈2产生的合成退磁磁场形成围绕屏蔽装置四面的磁通回路，磁通回路具有中心轴。

供电模块包括控制器，控制器与各连接导线连接，用于根据用户输入生成相应的控制指令并发送，以控制各退磁线圈2通入相应的退磁电流。通过控制器能够更为准确、有效的控制退磁。

该退磁方法包括：向各退磁线圈2通入相应的退磁电流，令各层屏蔽体1先由内向外逐层退磁，再由外向内逐层退磁，退磁电流强度大小根据各层屏蔽体1的尺寸设定。即，各个退磁线圈2按照其所在屏蔽体1层级分组，设于最内层屏蔽体1上的多匝退磁线圈2最先通入相应的退磁电流对最内层屏蔽体1进行退磁，其次向外一层屏蔽体1上的多匝退磁线圈2通入退磁电流，然后再向外一层的屏蔽体1上的多匝退磁线圈2通入退磁电流，依次类推，直到最外层屏蔽体1上的多匝退磁线圈2通入相应的退磁电流对最外层屏蔽体1进行退磁，完成退磁方法中所述先由内向外逐层退磁步骤。再之后进行由外向内逐层退磁步骤，颠倒顺序，首先从最外层屏蔽体1上的多匝退磁线圈2开始通入退磁电流对最外层屏蔽体1进行退磁，逐层向内，直到最内层屏蔽体1上的多匝退磁线圈2通入相应的退磁电流对最内层屏蔽体1进行退磁，最终完成屏蔽体1退磁。

本发明提供的多层屏蔽装置的退磁方法中，退磁线圈系统分层设置退磁线圈2，不同层级屏蔽体1不共用退磁线圈2，每层屏蔽体1在进行退磁时，可通入相应的退磁电流，避免了多层屏蔽体1共用退磁线圈2、采用同一退磁电流而导致有屏蔽体1出现不饱和或过饱和的状况。

同时，该退磁方法考虑了多层屏蔽体1不同层级间退磁磁场相互影响的问题，进行内层退磁时，不但内层屏蔽体处于交变磁场下，外层屏蔽体同样受到影响，反之亦然。外层屏蔽体的磁通路径相比内层屏蔽体更大，外层屏蔽体退磁时，磁场更易受到内层屏蔽体的吸引，因此内层屏蔽体受到的影响程度更大。对于多层套设的屏蔽体，本发明提出采用先由内向外逐层退磁，再由外向内逐层退磁，其退磁效果比其他退磁顺序更为稳定。相较于一般的退磁方法，本发明能够大幅度提高退磁效果，将屏蔽装置中的静态磁场降低到极低程度，以满足微弱磁场信号检测等应用对无磁环境的需求。

优选地，退磁线圈2通入的退磁电流为线性衰减退磁电流、二阶衰减退磁电流或指数衰减退磁电流。

进一步地，线性衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数。

请参阅图2(a)和图2(b)，图2(a)为一种线性衰减退磁电流提供的退磁磁场随时间变化曲线示意图，图2(b)为相应的屏蔽材料退磁曲线示意图，横轴为退磁磁场H，纵轴为材料内部的磁感应强度B。进行退磁时，向退磁线圈中施加幅值逐渐减小的交流退磁电流，则屏蔽体材料承受逐渐减小的交流退磁磁场。屏蔽体跟随该磁场被反复磁化，磁感应强度跟随磁滞回线的变化，涡旋式趋近于零点，当退磁磁场降低至零时，屏蔽体材料的磁化强度和磁感应强度也接近于零。退磁磁场的幅值大小由退磁电流大小和屏蔽装置的尺寸决定，为了达到最好的退磁效果，退磁磁场初始值应能使屏蔽体达到饱和。例如，对于坡莫合金类型的屏蔽体材料，其内部的磁感应强度应能够达到约0.6～0.8T。对于一个具体的屏蔽装置，应根据具体的屏蔽体尺寸和屏蔽材料，施加合适的退磁的电流初始值。退磁电流可采用不同波形，其下降规律由包络线函数确定。通过控制退磁线圈2通入的退磁电流的包络线函数，即采用不同波形的退磁电流，例如幅值线性降低的交流电流、幅值二阶衰减速率的交流电流和幅值指数降低的交流电流，可实现不同的退磁效果。

对同一退磁线圈2施加不同的退磁初始电流，退磁磁场强度衰减的起始幅值也不同，但由于屏蔽体材料的非线性特征，对应的磁感应强度起始值可以有较大差异。以图3(a)和图3(b)所示情况为例，图3(a)为不同初始幅值的线性衰减退磁电流在相同磁通回路中引起的退磁磁场强度随时间变化的示意图，图3(b)为与图3(a)对应的磁感应强度变化示意图，当退磁电流提高1倍时，磁感应强度过饱和，导致20个退磁周期里仅有一半的退磁周期有效，可产生逐渐趋近于零的涡旋退磁曲线。因此对不同层、不同方向的退磁线圈2，当其磁路的磁阻不同时，应当分别独立控制，施加不同的退磁电流，以实现有效退磁。

在退磁过程初期，尽管退磁磁场线性降低，但屏蔽体材料处于饱和阶段，材料内部的磁感应强度衰减较为缓慢。在退磁过程末期，材料磁感应强度的降低速度较快。这一规律在图3(a)和图3(b)中也有所展现，尽管磁场强度线性降低，但磁感应强度并不线性降低。退磁是对材料磁畴反复磁化，并逐渐降低磁化程度的过程。目前，现有技术中退磁电流及其引起的退磁磁场一般是以线性规律随时间下降，由于屏蔽材料具有非线性特性，这样的线性退磁磁场使得相应的磁感应强度在较长一段时间内下降缓慢，而在退磁将要结束之前下降迅速，因此退磁效果不能达到最优。

为了延长磁感应强度的有效降低时间，本发明还提出了将退磁电流的线性包络线函数更改为其他种类函数。优选地，本发明提出了两种新的退磁电流：二阶衰减退磁电流、指数衰减退磁电流，以加快退磁磁场强度衰减速度，而使得退磁磁感应强度衰减的速度在退磁过程中前后较为一致。

进一步地，包络线呈二阶衰减的二阶衰减退磁电流，其包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数。相比于线性衰减退磁电流，二阶衰减退磁电流具有不同的退磁效果。

图4(a)至图4(d)示出了不同类型退磁电流引起的退磁磁场强度和磁感应强度随时间变化的示意图，图4(a)为线性衰减退磁电流和二阶衰减退磁电流对应的磁场强度随时间变化示意图，图4(b)为线性衰减退磁电流和二阶衰减退磁电流对应的磁感应强度随时间变化示意图。由图4(a)和图4(b)可知，相比于线性衰减退磁电流，二阶衰减退磁电流的磁感应强度具有以下特点：退磁初期的饱和阶段较短，在退磁中期的下降速度合理，退磁末期的幅值在很小的范围内逐渐减小，总体结果是减小了最终的剩余磁感应强度。

包络线呈指数衰减的指数衰减退磁电流，其包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数，b为调节参数，调整指数衰减的下降速度。图4(c)为指数函数中b参数为4和7时，指数衰减退磁电流对应的磁场强度变化曲线示意图，图4(d)为指数函数中b参数为4和7时，指数衰减退磁电流对应的磁感应强度变化曲线示意图。b参数代表了下降速度，当b继续增大，即退磁电流下降速度更快时，剩余磁感应强度反而逐渐增加。原因是退磁磁场下降速度过快，导致退磁初期的饱和阶段以及退磁中期的平稳下降阶段过短，某些磁畴未能快速跟随退磁磁场翻转。因此，该指数退磁包络线函数的参数应根据所应用的屏蔽装置和采用的退磁系统进行具体设置。

优选地，每层屏蔽体1的各个屏蔽面上均匀间隔缠绕多匝退磁线圈2，如图1所示，退磁线圈2均匀间隔分布在整个屏蔽面，即退磁线圈系统采用分布式退磁线圈结构，可以产生更为均匀的退磁磁场，使得屏蔽装置各处软磁材料受到充分一致的退磁。相比于只在两个屏蔽面相交处设置退磁线圈2的集中式退磁线圈结构，施加同样的退磁电流，屏蔽装置所承受的退磁磁场均匀性显著提高。均匀间隔分布包括沿屏蔽面宽度方向、长度方向、高度方向或周向均匀间隔分布(当屏蔽面的线孔设于屏蔽面中心处时，相应的，可考虑沿屏蔽面周向均匀间隔布设退磁线圈2)。

请参阅图5(a)至图5(d)，图5(a)至图5(d)为退磁线圈系统采用分布式退磁线圈结构，屏蔽装置包括内层、外层两个屏蔽体，采用本发明所提供的退磁方法先内层后外层退磁时，退磁电流、退磁磁场强度、磁感应强度随时间变化的示意图，图5(a)示出了内层、外层退磁电流随时间变化情况，图5(b)示出了内层、外层退磁磁场强度随时间变化情况，图5(c)示出了内层磁感应强度随时间变化情况，图5(d)示出了外层磁感应强度随时间变化情况。

优选地，各连接导线均回折设置，如图1和图6所示，每个连接导线一半为电流去路连接导线3，与其相对应的各退磁线圈2连接，另一半为电流回路连接导线4，原路反向折回，即连接导线的去路与回路并行，二者的路径基本相同。连接导线回折而形成的两个开放端，即电流去路连接导线、电流回路连接导线的一端，接入供电模块，用于使其连接的各退磁线圈2通入退磁电流，使各退磁线圈2根据需要产生相应的退磁磁场。连接于同一连接导线的各退磁线圈2同步供电。对于一层屏蔽体1的一个屏蔽面，当一匝退磁线圈2缠绕完毕后，通过连接导线连接至下一退磁线圈2位置，两匝退磁线圈2中间的连接导线内的电流会产生目标退磁磁场以外的干扰磁场，因此另一半连接导线沿前一半的连接导线原路折回，使得每个连接导线退磁电流的来、去回路并行，两个电流产生的磁场互相抵消、互相补偿，因此不产生退磁磁场以外的干扰磁场，确保退磁效果。

优选地，控制器生成的控制指令包括退磁电流对应的数字波形。通过控制器可更改退磁线圈系统通入退磁电流的频率、幅值等参数，实现对退磁电流的精密自动控制，避免人工操作引起的误差。

进一步地，如图7所示，该供电模块进一步包括数模转换器11、分压器12、低通滤波器13、功率放大器14、变压器15和继电器16。其中，控制器10生成的控制指令包括退磁电流对应的数字波形，即控制器10用于根据用户输入产生退磁电流的可编程数字波形。数模转换器11与控制器10连接，用于接收数字波形并转换为模拟信号，数字波形经由数模转换器11变化为模拟信号用于功率放大。分压器12与数模转换器11连接，用于接收模拟信号并调整其幅值，利用分压器12调整模拟信号幅值适用于功率放大器14的最大输入信号范围，充分利用数模转换器11的精度。低通滤波器13与分压器12连接，用于接收调整幅值后的模拟信号并对其中的高频干扰信号进行滤波处理，滤除高频干扰信号。功率放大器14与低通滤波器13连接，用于接收滤波后的模拟信号并输出大功率退磁电流。变压器15与功率放大器14连接，用于接收大功率退磁电流并滤除退磁电流的直流偏置，避免退磁过程反而对屏蔽装置造成磁化。继电器16连接变压器15与连接导线，用于控制相应的退磁线圈2的通断，以更换退磁顺序。供电模块提供退磁电流注入到退磁线圈2中，其中连接端子为无磁端子，最终产生退磁磁场。其中，功率放大器14应采用电流源工作模式，以确保控制信号直接控制退磁线圈2内的电流，即直接控制退磁磁场。

在一些优选的实施方式中，屏蔽体1为中空长方体结构(包括正方体结构)，具有六个平面屏蔽面。为了能够精确控制屏蔽材料的退磁曲线，在初始周期应确保材料恰好达到饱和：不饱和导致材料的剩磁Br无法完全消除，而过饱和则导致在有限的退磁时间下，有效的退磁周期个数减少了。对于正方体，XYZ三方向退磁线圈形成的退磁磁场具有同样长度的磁通路径，对应与相同的磁阻，因此同样的退磁电流在屏蔽材料中产生大小一致的磁感应强度。而对于长方体，XYZ三方向的磁通路径不同，目前普遍情况下，对XYZ方向的退磁电流不加以区分，用同样的退磁电流控制，则会再次引起屏蔽材料退磁不一致的问题。因此，本发明提出了对多层三方向退磁线圈2进行分别独立控制的方法(不同层、不同方向分别控制)，根据各磁路的长短来确定退磁电流的初始幅值。

在一些实施方式中，如图8至10所示(其中色阶单位为磁感应强度单位T)，退磁线圈系统可采用集中式退磁线圈结构，退磁线圈2缠绕一层屏蔽体1的两个屏蔽面相交处设置，任意两个平面屏蔽面相交处均设有一匝退磁线圈，即各个退磁线圈仅设于屏蔽体1的十二个边棱处，未设于屏蔽面上。沿任一方向设置的四个平面屏蔽面相交处缠绕的各匝退磁线圈平行间隔分布，以构成对应该方向的磁通回路，六个平面屏蔽面上相应的所述退磁线圈构成三方向正交的磁通回路。如图8所示，对应Z方向的4个退磁线圈平行间隔分布，产生流通于4个侧面的磁通，构成中心轴沿Z方向的磁通回路。但该磁场在4个面上的分布并不均匀，尤其在上面和底面八个角落处产生了很强的干扰磁场，使得该位置不能够有效退磁。

针对上述集中式退磁线圈，需要对三方向的退磁磁场进行分开退磁。图9示出了集中式退磁线圈结构XZ两方向同时退磁产生的退磁磁场分布情况。图10示出了集中式退磁线圈结构XYZ三方向同时退磁产生的退磁磁场分布情况。可见，在屏蔽体的角落处引起很强的过饱和磁场区域，该位置不能有效退磁，材料的剩磁引起屏蔽装置内部磁场的幅值不能降低到近零程度，磁场梯度也较大。优选地，本发明提出，对于集中式结构退磁线圈系统，退磁方法还包括：向各退磁线圈通入相应的退磁电流，令每一层屏蔽体三方向退磁顺序为X-Y-Z、X-Z-Y、Y-X-Z、Y-Z-X、Z-X-Y或Z-Y-X，即退磁时优选单层屏蔽体1三方向退磁顺序为X-Y-Z、X-Z-Y、Y-X-Z、Y-Z-X、Z-X-Y或Z-Y-X。

通常情况下，Y方向磁场磁路不通过屏蔽门，而XZ方向磁场磁路都通过屏蔽门。一般由于屏蔽门上屏蔽材料与墙上屏蔽材料的磁路搭接与其他位置不同，或者搭接不足，造成较大的磁阻，或者为补偿漏磁而设计的搭接交叠材料较多，造成需退磁的材料数量较其他位置更多。因此XZ方向的退磁一般较难完美实现，退磁效果由具体屏蔽装置决定。

在另一些实施方式中，退磁线圈系统还可采用分布式退磁线圈结构，如图11至图13所示(其中色阶单位为磁感应强度单位T)，屏蔽体六个平面屏蔽面上均匀间隔缠绕多匝退磁线圈，沿任一方向设置的四个平面屏蔽面上，缠绕的各匝退磁线圈2平行间隔分布，以构成对应该方向的磁通回路。如图11所示，正方体的六个平面中，其法向垂直X、Y方向的两组相对的平面(共4个平面)均沿Z方向设置，4个平面上均缠绕有平行间隔设置的多匝退磁线圈2，对应产生的退磁磁场构成中心轴沿Z方向的磁通回路。每一屏蔽面上缠绕有两组对应不同方向(磁通回路中心轴沿不同方向)的退磁线圈2，六个平面屏蔽面上相应的所有退磁线圈2可构成三方向正交的磁通回路。即多个退磁线圈2产生的合成退磁磁场形成围绕屏蔽装置四面的磁通回路，磁通回路具有中心旋转轴，所有六个屏蔽面的退磁线圈2可产生旋转轴分别为X、Y和Z轴的三种退磁磁场。

对于上述分布式退磁线圈结构，优选地，该退磁方法还包括：向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令每一层屏蔽体三方向同时退磁，即退磁时，优选单层屏蔽体1三方向同时退磁，对应三方向设置的多匝退磁线圈2同时通入相应的退磁电流。图12、图13分别为分布式退磁线圈结构XZ两方向同时退磁、XYZ三方向同时退磁产生的退磁磁场分布情况，可见相比于集中式退磁线圈结构，部分区域过饱和的问题被显著削弱了。

本发明提出针对分布式退磁线圈结构采用三方向同时退磁，一方面减少了退磁所需时间，降低为原来所用退磁时间的三分之一；另一方面也能很好的避免不同方向间退磁的干扰，因为同一屏蔽体的所有面上的屏蔽材料将同时被退磁，即某方向退磁对剩余两面的屏蔽材料的干扰问题不复存在，因此具有最好的退磁效果。如图13所示情况，由于同时通入三方向退磁电流，在磁场未饱和情况下，产生的退磁磁场幅值是原来单方向退磁磁场幅值的

倍，为保持同样的退磁磁场幅值，可将退磁电流减小为原来设定值的

顺序退磁情况下，三方向退磁所消耗的功率P＝3×I²R。三方向退磁同时退磁情况下，所消耗功率

所消耗的功率减少至原来的二分之一。特别地，对于屏蔽体为长方体(非正方体)的情况，三方向同时退磁时，需将退磁电流幅值提高到能让最长的磁通回路也饱和的程度，再等比例延长退磁时间，才能达到正方体同时退磁的效果。

屏蔽装置中退磁线圈2的具体数量、位置可根据屏蔽装置的具体大小、材料及结构等因素综合设置。对于上述屏蔽体为中空长方体结构、采用分布式退磁线圈结构的退磁线圈系统，优选地，为获得较好的退磁效果，任一屏蔽面上缠绕的相邻两匝平行的退磁线圈2之间的间隔，不超过该屏蔽面沿该两匝退磁线圈2垂向尺寸的1/3，优选不超过1/5，此处的垂向尺寸即垂直线圈方向上屏蔽面的尺寸，若各匝退磁线圈2沿屏蔽面长度方向平行间隔设置，长度方向与各退磁线圈2垂直，长度即垂直线圈方向上屏蔽面的尺寸，相邻两退磁线圈2之间间距不超过该屏蔽面长度的1/3。同理，若各匝退磁线圈2沿屏蔽面宽度方向平行间隔设置，相邻两退磁线圈2之间间距不超过其宽度的1/3。

优选地，同一平面屏蔽面上缠绕的各匝退磁线圈2连接同一个连接导线，进一步地，同一方向对应的(即构成的磁通回路中心轴沿同一方向)各匝退磁线圈2其相应的连接导线串联，以便实现同一方向同步退磁。即，首先将每个平面屏蔽面的各退磁线圈2连接为一组，再将沿Z方向设置的4个屏蔽面的所有退磁线圈2连接为一组，X、Y方向同理。最终还是具有电流输入输出两个端子。这种连接方式能够简化连接线路，在实际工程中安装线圈更为简单。

本发明还基于一些具体的多层屏蔽装置，对本发明提供的退磁方法进行了验证，经证明，利用本发明提供的退磁方法可获得很低的内部剩余静态磁场。某2层坡莫合金屏蔽体与1层铝屏蔽体组成的屏蔽室，内部尺寸长2.78m、宽2.5m、高2.35m，准静态磁场屏蔽系数约为300。在地球磁场约50μT的环境下，外界磁场可被屏蔽至50μT/300即内部静磁场约为167nT。利用本发明提供的退磁方法进行退磁后，内部静磁场幅值被磁通门磁传感器测量为低于2nT。某3层坡莫合金屏蔽体与1层铝屏蔽体组成的屏蔽室，内部尺寸长1.85m、宽1.85m、高1.85m，准静态磁场屏蔽系数约为5000。在地球磁场约50μT的环境下，外界磁场可被屏蔽至50μT/5000即内部静磁场约为10nT。利用本发明提供的退磁方法进行退磁后，内部静磁场幅值被超导量子干涉仪测量为低于130pT。该磁场环境是比目前为止所发表论文或公开报道中更低的磁场环境。

如图14所示，在其它一些实施方式中，屏蔽体1还可采用中空圆柱体结构，具有一个弧形屏蔽面和两个平面圆形屏蔽面，其弧形屏蔽面上设有多匝均匀分布退磁线圈，各匝退磁线圈沿圆柱体的周向平行间隔分布，构成磁通回路中心轴沿圆柱体中心对称轴的退磁磁场。其上下两个平面圆形屏蔽面上同样设有多匝均匀分布退磁线圈，各匝退磁线圈沿其所缠绕的平面圆形屏蔽面的周向间隔分布，即平面圆形屏蔽面中心、边缘设有线孔，各匝退磁线圈沿圆形径向设置，绕圆心分布，同样构成磁通回路中心轴沿圆柱体中心对称轴的退磁磁场。特别地，弧形屏蔽面上的退磁线圈可以与平面圆形屏蔽面上的退磁线圈连接，也可不连接。

综上所述，本发明所提供的、针对多层屏蔽装置的退磁方法基于退磁线圈系统实现，退磁线圈可采用集中式或分布式结构，可以实现通入任意波形的退磁电流；通过定义退磁电流的包络线函数，可更改退磁电流波形，在有限退磁时间下增加有效退磁周期个数；通过调整退磁线圈通入退磁电流实现退磁的时序，可降低多层屏蔽体之间的干扰和多个方向之间的干扰，最终实现对屏蔽装置进行深度退磁，该方法应用范围较广，且操控便利、精度高、退磁效果好。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多层屏蔽装置的退磁方法，其特征在于：

所述退磁方法基于退磁线圈系统实现退磁，所述退磁线圈系统包括多匝退磁线圈、多个连接导线和供电模块；

所述多层屏蔽装置包括至少两层屏蔽体，各层所述屏蔽体由内到外逐层套设，每层所述屏蔽体上均间隔缠绕多匝所述退磁线圈，每匝所述退磁线圈一半位于所缠绕的屏蔽体内侧，另一半位于所缠绕的屏蔽体外侧，用于提供相应的退磁磁场，以构成闭合的磁通回路；各所述退磁线圈均通过相应的所述连接导线接入所述供电模块；所述供电模块包括控制器，所述控制器与各所述连接导线连接，用于根据用户输入生成相应的控制指令并发送，以控制各所述退磁线圈通入相应的退磁电流；

所述退磁方法包括：向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令各层所述屏蔽体先由内向外逐层退磁，再由外向内逐层退磁，退磁电流强度大小根据各层所述屏蔽体的尺寸设定；

所述退磁线圈通入的退磁电流为线性衰减退磁电流、二阶衰减退磁电流或指数衰减退磁电流；

所述线性衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数；

所述二阶衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数；

所述指数衰减退磁电流的包络线函数表达式为：

其中，I_M为使得该方向退磁磁场达到饱和的退磁电流，f_D为交变电流频率，n为交变周期的个数，b为调节参数，调整指数衰减的下降速度；

所述退磁线圈通入的退磁电流的电流强度表达式为：

I＝I_Esin(2πf_Dt)。

2.根据权利要求1所述的退磁方法，其特征在于：每层所述屏蔽体的各个屏蔽面上均匀间隔缠绕多匝所述退磁线圈。

3.根据权利要求2所述的退磁方法，其特征在于：各所述连接导线均回折设置，每个所述连接导线一半为电流去路连接导线，与相对应的各所述退磁线圈连接，另一半为电流回路连接导线，原路反向折回，电流去路连接导线、电流回路连接导线均接入供电模块，用于使其连接的各所述退磁线圈通入退磁电流。

4.根据权利要求1所述的退磁方法，其特征在于：所述控制器生成的控制指令包括退磁电流对应的数字波形；

所述供电模块还包括：

数模转换器，与所述控制器连接，用于接收所述数字波形并转换为模拟信号；

分压器，与所述数模转换器连接，用于接收所述模拟信号并调整其幅值；

低通滤波器，与所述分压器连接，用于接收调整幅值后的模拟信号并对其中的高频干扰信号进行滤波处理；

功率放大器，与所述低通滤波器连接，用于接收滤波后的模拟信号并输出大功率退磁电流；

变压器，与所述功率放大器连接，用于接收大功率退磁电流并滤除退磁电流的直流偏置；

继电器，连接所述变压器与所述连接导线，用于控制相应的所述退磁线圈的通断。

5.根据权利要求2所述的退磁方法，其特征在于：所述屏蔽体为中空长方体结构，具有六个平面屏蔽面，其六个平面屏蔽面上均匀间隔缠绕多匝所述退磁线圈，沿任一方向设置的四个平面屏蔽面上，缠绕的各匝所述退磁线圈平行间隔分布，以构成对应该方向的磁通回路，六个平面屏蔽面上相应的所述退磁线圈构成三方向正交的磁通回路。

6.根据权利要求5所述的退磁方法，其特征在于，所述退磁方法还包括：

向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令每一层所述屏蔽体三方向同时退磁。

7.根据权利要求1所述的退磁方法，其特征在于：所述屏蔽体为中空长方体结构，具有六个平面屏蔽面，所述退磁线圈缠绕所述屏蔽体的两个平面屏蔽面相交处设置，任意两个平面屏蔽面相交处均设有一匝所述退磁线圈；沿任一方向设置的四个平面屏蔽面相交处缠绕的各匝所述退磁线圈平行间隔分布，以构成对应该方向的磁通回路，六个平面屏蔽面上相应的所述退磁线圈构成三方向正交的磁通回路。

8.根据权利要求7所述的退磁方法，其特征在于，所述退磁方法还包括：

向各所述退磁线圈通入相应的退磁电流，令每一层所述屏蔽体三方向退磁顺序为X-Y-Z、X-Z-Y、Y-X-Z、Y-Z-X、Z-X-Y或Z-Y-X。

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