CN113030812B - 一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置及方法，装置包括：设置在主磁体附近的磁场传感器，用于采集环境磁场，所述环境磁场包括瞬态磁场信号；模数转换器，用于将所述环境磁场转换为数字信号；处理器，用于基于所述数字信号计算磁场补偿量；补偿装置，用于根据所述磁场补偿量产生补偿电信号，并根据所述补偿电信号抵消所述环境磁场中的干扰。本发明能够实时精确地补偿由环境干扰造成的磁场波动，解决低频环境干扰造成的瞬态磁场波动产生的问题。

Description

一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置及方法

技术领域

本发明涉及磁场锁定技术领域，特别是涉及一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置及方法。

背景技术

核磁共振这一物理现象作为分析物质的手段，由于可以深入物质内部而不破坏样品，并且具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和应用，在生命科学、食品安全、高分子化学等科研和生产领域中发挥了巨大的作用。人们根据核磁共振原理研制出核磁共振仪器用于不同实验需求及应用领域，而磁体作为仪器的重要组成部分，其稳定性直接影响到实验和应用的准确性。更确切地说，是由于磁体产生的主磁场的稳定性易受各种环境干扰影响，采用磁场锁定技术补偿主磁场强度的变化，会大大提高磁场的稳定性。磁场锁定技术即通过检测主磁场强度并获得其偏移值，然后根据磁场偏移值对主磁场进行反馈调整从而达到稳定主磁场的目的。在已有的技术中，保持主磁场稳定主要有以下几种方法：

现有专利文献CN108761364B公开了一种核磁共振弛豫分析仪锁场系统及其应用方法，该方法主要是通过探测¹⁹F的核磁共振信号来检测主磁场的波动，通过拉莫尔公式将¹⁹F频率的变化转变为主磁场的偏移值，再进一步换算为补偿电流，并将补偿电流送至安装在磁极上的补偿线圈，从而对主磁场的变化进行补偿。但由于这个方法包括射频激发、采样、傅里叶变换及后续处理，从射频激发到将¹⁹F频率偏差转换为补偿磁场需要较长时间，总体上缺乏实时性，对因温度引起的磁场慢变化补偿效果较好，但不能有效地补偿环境因素造成的瞬态磁场波动。

另一种方法是采用主动屏蔽装置来保持磁场稳定，该装置可以屏蔽外部干扰磁场且能对不均匀磁场进行局部补偿。主要有两种主动屏蔽装置：一种是仅在磁体周围安装三维的主动屏蔽线圈，将磁体包围起来；另一种是在磁共振设备安装房间的四周共六个面(四个墙面、顶部和地面)安装三维的主动屏蔽线圈。此方法不仅控制繁琐，屏蔽装置复杂，同时对磁共振设备的安装位置进行了限制，不能随意移动或搬出房间。专利文献CN105828594A公开了一种具有局部磁场补偿能力的主动屏蔽装置，但此方法需要在磁体周围各个方向放置磁屏蔽层、补偿线圈阵列和磁强计，且不同补偿线圈的摆放阵列有较细的要求。另外还需要通过中央控制器控制各个补偿线圈，因此还存在一定的时间延迟。

此外，在专利文献CN106886000A中公开了一种稳定磁场的方法，主要通过测量惰性气体的共振频率实现对磁场强度的测量及锁定。该方法将激光光子的角动量传递给惰性气体原子，通过测量惰性气体的核磁共振频率，然后转换为电压信号进行处理，处理完毕后通过磁场信号源驱动补偿线圈产生补偿磁场。此方法根据反馈信号多次控制磁场信号源，重复数次调整信号源输出的补偿电流，所以从受到磁场波动影响到稳定主磁场需要一定时间，并且装置非常复杂。此方法缺乏实时性，很难实现对瞬态干扰的补偿。

发明内容

本发明提供一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置及方法，能够实时精确地补偿由环境干扰造成的磁场波动，解决低频环境干扰(直流至1KHz)造成的瞬态磁场波动产生的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，包括：设置在主磁体附近的磁场传感器，用于采集环境磁场，所述环境磁场包括瞬态磁场信号；模数转换器，用于将所述环境磁场转换为数字信号；处理器，用于基于所述数字信号计算磁场补偿量；补偿装置，用于根据所述磁场补偿量产生补偿电信号，并根据所述补偿电信号抵消所述环境磁场中的干扰。

所述磁场传感器采集的磁场方向与主磁体的磁场方向平行。

所述磁场传感器和模数转换器之间还包括信号调理器，所述信号调理器用于对所述瞬态磁场信号进行放大处理。

所述处理器包括：PID处理模块，用于将所述数字信号作为输入，通过PID算法计算得到磁场补偿量。

所述处理器还包括：均值处理模块，用于对所述数字信号进行均值化处理；低通滤波模块，用于对所述数字信号进行滤波处理。

所述环境磁场还包括静态磁场信号，所述磁场传感器和模数转换器之间还包括信号调理器，所述信号调理器用于去除所述静态磁场信号以及放大所述瞬态磁场信号。

所述环境磁场还包括静态磁场信号，所述处理器还包括静态瞬态磁场分离模块，用于去除所述数字信号中的所述静态磁场信号得到所述瞬态磁场信号。

所述补偿装置包括：数模转换器，用于将所述磁场补偿量进行数模转换得到补偿电压；电流放大器，用于根据所述补偿电压产生补偿电流；设置在主磁体上的补偿线圈，用于在所述补偿电流的作用下产生补偿磁场以抵消所述环境磁场中的干扰。

一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定方法，包括以下步骤：

(1)采集环境磁场，所述环境磁场中包括瞬态磁场信号；

(2)将所述环境磁场转换为数字信号；

(3)基于所述数字信号计算磁场补偿量；

(4)根据所述磁场补偿量产生补偿电信号，并根据所述补偿电信号抵消所述环境磁场中的干扰。

所述步骤(1)中的所述环境磁场中还包括静态磁场信号，所述步骤(3)具体为：去除所述数字信号中的所述静态磁场信号得到所述瞬态磁场信号，将所述瞬态磁场信号作为输入，通过PID算法计算得到磁场补偿量。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明将检测到的磁场模拟信号转换为数字信号，通过数字电路做均值化、滤波、PID等优化处理，实现对低频环境干扰造成的瞬态磁场波动进行实时补偿，可以保障主磁场的稳定性。相比利用模拟电路进行的磁场稳定方法，本发明对磁场锁定精度更高、一致性更好、性能更稳定。

与探测¹⁹F样品的核磁共振信号频率的磁场锁定方法相比，本发明直接对高精度磁场传感器的输出电压进行处理可以提高补偿的速度及精确度，从而实现对瞬态磁场波动的补偿。而探测¹⁹F样品核磁共振信号频率方法，响应速度较慢，一般只用于对因温度等引起的磁场慢变化进行锁定。

本发明直接在磁极上增加B0补偿线圈，实现方式灵活。高精度磁场传感器测量值经处理后送入电流放大器，直接驱动磁体上的B0补偿线圈，在保障主磁场稳定的情况下，并不需要对磁共振设备的安装房间进行改造，即不需要在房间四周的六个面安装3维的磁屏蔽体。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的结构示意图；

图2是采用本发明实施方式后干扰磁场信号与补偿信号的时序关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的第一实施方式涉及一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，该磁场锁定装置利用高精度磁场传感器探测主磁体周围的磁场强度，当环境存在静态磁场和低频交变干扰(小于1KHz)时，磁场传感器可同时测得主磁体周围的静态磁场和交变磁场，值得注意的是本实施方式中的磁场传感器也可以只获取交变磁场。通过对所测交变磁场电压采样后做数字化的数据处理后得到补偿电压，驱动电流放大器产生补偿电流。在主磁体上固定一对用于补偿磁场偏移的B0补偿线圈，将所得补偿电流送入B0补偿线圈后，从而抵消环境磁场的干扰，保持主磁场处于稳定的状态。

如图1所示，该磁场锁定装置包括主磁体1、B0补偿线圈2、探头3、磁场传感器4、信号调理器5、模/数转换器6、数/模转换器7、静态瞬态磁场分离模块8、均值处理模块9、低通滤波模块10、PID处理模块11和电流放大器12。其中，静态瞬态磁场分离模块8、均值处理模块9、低通滤波模块10、PID处理模块11可以集成在一个处理器中，本实施方式中将静态瞬态磁场分离模块8、均值处理模块9、低通滤波模块10、PID处理模块11集成在FPGA上。数/模转换器7、电流放大器12和B0补偿线圈2作为补偿装置。本实施方式中的FPGA还与微处理器13相连，微处理器13主要用于与计算机14之间进行数据交互，以便对磁场锁定装置进行参数设置，以及锁定过程中的状态监测和波形显示等。另外，值得一提的是，模/数转换器6、数/模转换器7、FPGA和微处理器13也可以集成在一起，例如微处理器和FPGA可以采用NI公司的USB-7856R数据采集设备，该采集设备内置模/数转换器、FPGA模块、数/模转换器和微处理器。

当磁场传感器采集的环境磁场中包括静态磁场和交变磁场时，本实施方式中的信号调理器5可以通过调整直流偏置去除静态(直流)磁场部分，并对交变磁场部分进行幅度调整，使交变磁场电压峰峰值达到模数转换器的最佳量程范围。

B0补偿线圈2绕在主磁体1上，B0补偿线圈2通以电流来产生磁场，用来补偿由于低频环境磁场干扰所造成的磁场波动。本实施方式中，磁场传感器4用于对环境磁场(包括稳定的静态磁场和瞬态环境干扰磁场)进行测量。由于环境干扰磁场中，只有与主磁场平行方向的分量才对主磁场产生影响，因此磁场传感器4所测量磁场方向可以与主磁体1的磁场方向平行。且由于需要精确补偿磁场波动，可选的，磁场传感器4的放置位置尽可能靠近主磁体1，但又不超出磁场传感器4的测量量程。其中，静态磁场部分由于始终不变，不会对磁场波动造成影响，因此不需要进行补偿。本实施方式使用的磁场传感器4可以是磁通门传感器、磁场磁强计等传感器设备，本质上只要是测量磁场并输出电压/电流的传感器均可以作为本实施方式的磁场传感器。

本实施方式使用放置在主磁体附近的高精度高灵敏度磁场传感器实时测量环境磁场，其可以直接将磁场波动转化为模拟电信号形式进行处理。与根据¹⁹F或²H样品的核磁共振信号进行正交滤波等处理的磁场锁定方法相比，本发明能够达到对瞬态环境干扰磁场进行实时补偿的效果。

为了消除瞬态环境干扰磁场，本实施方式采用通过磁场传感器4采集环境磁场，将测得的模拟电压信号通过信号调理器5进行去直流和瞬态信号放大处理，以保证调理后的模拟电压信号介于模/数转换器6的最佳量程范围。其中，信号调理器5中的去直流调整可以通过电位器实现，其主要用于去除地磁场和主磁体在周围产生的逸散磁场。再通过模/数转换器6将得到的模拟电压信号转换成数字电压信号并送入FPGA中。在FPGA中，数字电压信号经过静态瞬态磁场分离模块8完全去除静态磁场影响，使得数字电压信号中仅包含瞬态波动磁场部分。其中静态瞬态磁场分离模块8去除的静态磁场是由于磁体受温度等慢变化影响造成的磁场传感器处的逸散磁场(由于这部分变化缓慢，归入静态磁场部分处理)变化而产生静态磁场部分。当然，因温度等慢变化引起的磁场变化，也可以归入动态磁场部分进行处理，同样能够达到磁场锁定效果，但这样的话需要在B0补偿线圈中通入更大的电流。本实施方式中静态瞬态磁场分离模块8可以是一个减法器，通过该减法器将数字电压信号减去静态磁场信号即可得到瞬态磁场波动信号。接着将瞬态磁场波动信号依次进行均值化、滤波、PID等数据处理。其中，均值化处理是通过均值处理模块9以减小磁场传感器4的噪声和采样过程中产生的噪声影响；滤波处理则是通过低通滤波模块10滤去磁场传感器4采集值中大于1KHz的环境波动干扰信号；PID处理是指利用PID处理模块11的功能，将经过均值化和滤波处理后的瞬态磁场波动信号作为PID处理模块11的输入，通过PID算法优化计算得到所需的瞬态磁场补偿量，其中，PID处理模块11的比例控制部分P主要体现在补偿量的比例大小，积分控制部分I和微分控制部分D则是用于调节磁场补偿精准度和响应时间。在数字域通过实时处理后得到瞬态磁场补偿量后，再通过数/模转换器7得到相应的补偿电压，通过该补偿电压驱动电流放大器12产生相应的补偿电流，该补偿电流送入B0补偿线圈2使得B0补偿线圈2产生补偿磁场，该补偿磁场能够抵消环境磁场干扰。

本发明将采集到的磁场信号转换为数字域，再使用FPGA做均值化、滤波、PID等处理，实现对低频环境干扰造成的瞬态磁场波动进行实时补偿，可以保障主磁场的稳定性，相比利用模拟电路进行的磁场稳定方法，该方法对磁场锁定精度更高、一致性更好、性能更稳定。

高精度磁场传感器测量值处理后直接反馈控制主磁体上的B0补偿线圈，可以便捷有效地补偿环境干扰带来的磁场波动。相比于主动磁场屏蔽技术较为复杂的各方向磁屏蔽罩、补偿线圈等环境预安置设备，本发明在保障主磁场稳定的同时，还具有简便易操作的特点，即只需要驱动磁体上的B0补偿线圈就可以产生叠加在主磁场方向的补偿磁场，从而使主磁场稳定。

本发明的第二实施方式涉及一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定方法，包括以下步骤：采集环境磁场，所述环境磁场中包括瞬态磁场信号；将所述环境磁场转换为数字信号；从所述数字信号中分离出所述瞬态磁场信号，并基于所述瞬态磁场信号计算磁场补偿量；根据所述磁场补偿量产生补偿电信号，并根据所述补偿电信号抵消所述环境磁场中的干扰。其中，在将所述环境磁场转换为数字信号前还包括对所述环境磁场进行去直流处理和瞬态信号放大处理的步骤。

本实施方式可以采用第一实施方式中的磁场锁定装置实现，本实施方式中采用了高精度的磁通门传感器对环境磁场进行检测；微处理器和FPGA采用了NI公司的USB-7856R数据采集设备，该采集设备内置模/数转换器、FPGA模块、数/模转换器和微处理器。具体步骤如下：

1)将高精度磁通门传感器放置在靠近主磁体的合适位置，测量环境干扰磁场。

2)磁通门传感器测量的干扰磁场以模拟电压值输出，先经过信号调理器去除与静态磁场有关的模拟电压值，再经NI-USB-7856R数据采集设备内置的高精度16位模/数转换器以1MS/s的采样率转换为数字量。

3)转换所得的数字量在NI-USB-7856R数据采集设备内置的FPGA中做静态和瞬态磁场分离、均值化、滤波、PID等数据处理。其中，滤波处理主要是消除采集值包含的高频噪声信号，均值化处理可去除信号调理器以及采样过程中产生的噪声，使测得的磁场波动量更加精确，PID处理可以通过计算补偿量和磁场波动量的线性关系从而更好地实现主磁场稳定。在数据处理过程中，通过计算机可以实时监测当前磁场状态及补偿情况。

4)数据处理后经数据采集设备的高精度16位数/模转换器以1MS/s的转换速率转换为补偿电压，驱动电流放大器转换为补偿电流。将补偿电流送至B0补偿线圈后，产生补偿磁场对环境干扰造成的磁场波动进行反向补偿，从而保持主磁场的稳定。

采用本发明实施方式后干扰磁场信号与补偿信号的时序关系，如图2所示，图中通道1是施加1KHz的磁场干扰，通过磁通门传感器探测到的干扰磁场信号，通道2是采用USB-7856R进行采样，并通过数据处理后，由数模转换器输出后的补偿信号。从图2中能够看出采用本发明实施方式后磁场锁定的响应时间约为58μs，能够基本达到实时调整磁场的需求。

Claims (6)

1.一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，其特征在于，包括：设置在磁共振仪器的主磁体附近的磁场传感器，用于采集环境磁场，所述环境磁场包括低频环境干扰造成的瞬态磁场信号和静态磁场信号，所述磁场传感器采集的磁场方向与主磁体的磁场方向平行，且放置位置尽可能靠近所述主磁体，但又不超出测量量程；模数转换器，用于将所述环境磁场转换为数字信号；处理器，用于采用FPGA设计的PID处理模块实现基于所述数字信号计算磁场补偿量；补偿装置，用于根据所述磁场补偿量产生补偿电信号，并根据所述补偿电信号抵消所述环境磁场中的干扰；所述补偿装置包括数模转换器、电流放大器和缠绕在主磁体上的补偿线圈；所述数模转换器用于将所述磁场补偿量进行数模转换得到补偿电压；所述电流放大器用于根据所述补偿电压产生补偿电流；所述补偿线圈用于在所述补偿电流的作用下产生补偿磁场以抵消所述环境磁场中的干扰；所述处理器还包括采用FPGA设计的静态瞬态磁场分离模块，所述静态瞬态磁场分离模块用于去除所述数字信号中的所述静态磁场信号得到所述瞬态磁场信号，所述静态磁场信号包括地磁场和所述磁共振仪器的主磁体在周围产生的逸散磁场。

2.根据权利要求1所述的消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，其特征在于，所述磁场传感器和模数转换器之间还包括信号调理器，所述信号调理器用于对所述瞬态磁场信号进行放大处理。

3.根据权利要求1所述的消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，其特征在于，所述PID处理模块，用于将所述数字信号作为输入，通过PID算法计算得到磁场补偿量。

4.根据权利要求1所述的消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，其特征在于，所述处理器还包括采用FPGA设计的均值处理模块和低通滤波模块，所述均值处理模块用于对所述数字信号进行均值化处理；所述低通滤波模块用于对所述数字信号进行滤波处理。

5.根据权利要求1所述的消除瞬态环境干扰的磁场锁定装置，其特征在于，所述磁场传感器和模数转换器之间还包括信号调理器，所述信号调理器用于去除所述静态磁场信号以及放大所述瞬态磁场信号。

6.一种消除瞬态环境干扰的磁场锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过设置在磁共振仪器的主磁体附近的磁场传感器采集环境磁场，所述环境磁场中包括瞬态磁场信号和静态磁场信号，所述磁场传感器采集的磁场方向与主磁体的磁场方向平行，且放置位置尽可能靠近所述主磁体，但又不超出测量量程；

(2)将所述环境磁场转换为数字信号；

(3)由FPGA实现的处理器基于所述数字信号计算磁场补偿量；其中，FPGA实现的处理器中包括：静态瞬态磁场分离模块、PID处理模块、均值处理模块和低通滤波模块；所述静态瞬态磁场分离模块用于去除所述数字信号中的所述静态磁场信号得到所述瞬态磁场信号，所述静态磁场信号包括地磁场和所述磁共振仪器的主磁体在周围产生的逸散磁场；

(4)根据所述磁场补偿量产生补偿电信号，并根据所述补偿电信号抵消所述环境磁场中的干扰，其中补偿线圈缠绕在主磁体上。

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