CN114264984B - 零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一个技术方案是提供了一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法。本发明的另一个技术方案是提供了一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量系统。本发明使用能够工作在大磁场范围的TMR传感器作为系统的辅助输入，在检测区域内磁场被抵消到较小范围内，再将系统的输入切换为高灵敏度磁场传感器，以此保证零场OPM传感器能正常工作；本发明提供了一种三轴高精确度磁场抵消系统，在其中搭建了能够抵消环境中任意方向外磁场的线圈系统；本发明提供的配合传感器工作的磁场抵消方法及系统具有高准确度，能够准确抵消对应方向上的外磁场，并且本发明提供的抵消方法及系统的输出具有长时间输出稳定性，保证传感器在磁场抵消区域能长时间连续工作。

Description

零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法与系统

技术领域

本发明涉及一种基于磁阻(下文简称“MR”)传感器辅助反馈的零场光泵原子磁力仪(下文简称“OPM”)弱磁场测量方法以及测量系统。

背景技术

以脑磁信号检测为代表的生物弱磁信号测量在疾病诊断和神经科学研究等领域有着广泛的应用。据相关文献报道人脑进行正常生命活动过程中，产生的磁场信号强度仅有几百fT(10^-15T)，因此需要采用极灵敏的弱磁探测传感器才能测量到此微弱信号。目前用于人脑磁场信号测量的传感器主要有超导量子干涉器件(下文简称“SQUID”)和OPM。相较于SQUID，OPM传感器成本更低，便携性更好，是当前正在快速发展的一类生物弱磁信号传感器。为了提高OPM传感器的灵敏性，需要让其工作在无自旋交互弛豫状态(SERF)，SERF磁力仪需要工作在零磁场环境。较大的剩余磁场会导致传感器灵敏度降低甚至不能正常工作，普遍存在的地磁场和以工频50Hz为代表的电磁干扰会影响传感器的正常工作，因而需要采用特定的技术手段获取零磁场环境。

为了获得零磁场环境，方法之一是使用高磁导率的金属材料屏蔽外界磁场，另外，也可采用主动屏蔽的方法，用线圈来产生磁场来抵消外界磁场。Jing Wang等人在对OPM传感器进行测量过程中，使用4层圆柱形金属材料制作的磁屏蔽桶对外磁场进行屏蔽，噪声谱的数据表明磁屏蔽桶对20Hz的噪声和其高次谐波噪声有较为明显的抑制作用。Jian-JunLi等人使用磁屏蔽材料制作5层结构的磁屏蔽桶，将桶内的剩场大小降低至1nT左右，但是由于屏蔽桶尺寸有限，受试者无法进入桶内，因此只能使用梯度线圈对桶内的OPM传感器施加模拟信号。SMorales等人在实验室环境中，分别使用直径为1.5m的圆柱形五层屏蔽桶和两层被动式磁屏蔽室对OPM传感器进行测试，在这两种情况下测得剩余磁场大小均在20至30nT，屏蔽效果不理想。Philip J.Broser等人使用造价昂贵的磁屏蔽室，在其中使用多通道OPM磁传感器对受试者的手掌部肌肉磁场信号进行测量，作者提出在后续希望使用低成本的且尺寸能够包裹手掌和手臂的磁屏蔽盒进行实验，以此来降低成像实验的成本。ElenaBoto等人在磁屏蔽室中，利用OPM传感器阵列测量人脑磁场信号，在屏蔽室中的传感器输出幅值波动小于5pT，且噪声信号的主要频率出现在33Hz和50Hz。

Chin-Hsuan Lin等人在实验室内使用OPM传感器对受试者睁眼和闭眼产生的脑磁信号进行测试，作者在实验室中利用两组相互平行的线圈板，在空间中构建了大小为40cm*40cm*40cm的磁场均匀区，并在传感器内部增加了三轴磁场抵消线圈，最大能够抵消磁场。Amir Borna等人利用长度269cm、外直径140cm的圆柱形多层磁屏蔽桶，将被测试对象和OPM传感器阵列包裹在腔体内实现对外磁场的屏蔽，屏蔽桶内的剩场大小约1nT，屏蔽桶内侧固定有磁场抵消线圈，以减小桶内的剩余磁场，此方法需要受试者平躺于圆桶内，可能会产生幽闭恐惧症等心理影响。

应用于生物弱磁场检测系统的外界磁场抵消方法需要解决以下问题：

(1)在较大剩场条件下，零磁场OPM传感器无法正常工作。零场OPM传感器需工作在无自旋交互弛豫状态，要求工作环境近似为零磁场环境，较大的剩余磁场会导致传感器灵敏度降低甚至不能正常工作。而且为了减少低频噪声的影响，零场OPM通常采用交流调制方式，在交流调制下，OPM的输出信号和外加磁场是非单调的，因此，如果使用OPM传感器自己的输出做反馈，系统有可能进入正反馈状态，不能达到反馈抵消磁场的状态。

(2)利用弱生物磁检测传感器对目标磁信号进行检测时，对传感器所处环境有十分严格的要求，环境中的剩余磁场对传感器的灵敏度会产生很大的影响。因此要求配合传感器工作的磁场抵消系统需要有高准确度，能够准确抵消对应方向上的外磁场

发明内容

本发明的目的是：提出一种具备高准确度和稳定性的磁场抵消方法及系统，并且在较大剩场条件下使得零磁场OPM传感器能够正常工作，同时搭建能够抵消环境中任意方向外磁场的线圈系统。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建由沿X轴方向布置的子线圈一、沿Y轴方向布置的子线圈二以及沿Z轴方向布置的子线圈三组成的三轴亥姆霍兹线圈，子线圈一、子线圈二以及子线圈三两两之间相互交叉组成整体结构，并在该整体结构内部的中心位置形成均匀区，子线圈一、子线圈二以及子线圈三同时从上下、左右、前后三个方向环绕在均匀区四周；

步骤2、子线圈一、子线圈二以及子线圈三分别连接一路控制电路，子线圈一、子线圈二以及子线圈三分别由三路各自独立的控制电路驱动；

均匀区内放置三组用于测量剩余磁场的传感器，每组传感器均包含一个磁阻传感器和一个零场光泵原子磁力仪传感器，每组传感器的输出为一路控制电路的电路的输入；

步骤3、对于每一路控制电路而言，包括以下步骤：

步骤301、当均匀区内的磁场大于零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作阈值时，控制单元通过控制电路内的多路选通芯片选通磁阻传感器，磁阻传感器工作，并且控制单元通过多路选通芯片将零场光泵原子磁力仪传感器切出，使得零场光泵原子磁力仪传感器停止向控制电路输出信号；

步骤302、多路选通芯片的输出作为控制电路中负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号，进而将均匀区内的磁场减小；

步骤303、当均匀区内的磁场趋近于稳态时，磁阻传感器的灵敏度不足以将均匀区内磁场降至更低的量级，此时均匀区内磁场大小已经满足零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作条件，控制单元再通过多路选通芯片选通零场光泵原子磁力仪传感器，使零场光泵原子磁力仪传感器工作，并且控制单元通过多路选通芯片将磁阻传感器切出，使得磁阻传感器停止向控制电路输出信号；

步骤304、将零场光泵原子磁力仪传感器输出的模拟信号作为负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元继续调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号，若均匀区内的磁场再次大于零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作阈值时，返回步骤301；

优选地，步骤2中，每组传感器的灵敏轴与对应控制电路所驱动的子线圈一、子线圈二或子线圈三产生的磁场方向相同。

优选地，步骤3中，所述负反馈调节控制单元采用PID控制。

本发明的另一个技术方案是提供了一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量系统，其特征在于，包括：

三轴亥姆霍兹线圈，所述三轴亥姆霍兹线圈进一步包括框架以及固定在框架上的沿X轴方向布置的子线圈一、沿Y轴方向布置的子线圈二以及沿Z轴方向布置的子线圈三，子线圈一、子线圈二以及子线圈三两两之间相互交叉组成整体结构，并在该整体结构内部的中心位置形成均匀区，子线圈一、子线圈二以及子线圈三同时从上下、左右、前后三个方向环绕在均匀区四周；

三组传感器，所述三组传感器布置于均匀区，每组传感器包括一个磁阻传感器和一个零场光泵原子磁力仪传感器；

三路控制电路，三组传感器的输出分别为三路控制电路的输入，三路控制电路分别驱动子线圈一、子线圈二以及子线圈三；

每一路所述控制电路进一步包括偏置电压调整电路、多路选通芯片以及负反馈调节控制单元，每组传感器的磁阻传感器和零场光泵原子磁力仪传感器的接入受控制单元给出的数字信号控制的多路选通芯片控制，其中，磁阻传感器经由偏置电压调整电路接入多路选通芯片；当均匀区内的磁场大于零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作阈值时，控制单元控制多路选通芯片选通磁阻传感器，并将零场光泵原子磁力仪传感器切出，磁阻传感器的输出作为控制电路中负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号，进而将均匀区内的磁场减小；当均匀区内的磁场减小至趋近于稳态时，控制单元控制多路选通芯片选通零场光泵原子磁力仪传感器，并将磁阻传感器切出，零场光泵原子磁力仪传感器的输出作为控制电路中负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号。

优选地，使用无磁电木材料作为所述三轴亥姆霍兹线圈的框架。

优选地，所述负反馈调节控制单元采用PID调节控制单元，包括比例电路、积分电路和微分控制电路，比例电路、积分电路和微分控制电路输出的信号经由加法器电路以及功率放大器加载在对应的对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z上，从而对对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z中的电流信号进行精确快速的调节。

本发明使用能够工作在大磁场范围的MR传感器作为系统的辅助输入，在检测区域内磁场被抵消到较小范围内，再将系统的输入切换为高灵敏度OPM磁场传感器，以此保证零场OPM传感器能正常工作；为了获取零场OPM工作所需的零磁场环境，本发明提供了一种三轴高精确度磁场抵消系统，在其中搭建了能够抵消环境中任意方向外磁场的线圈系统；本发明提供的配合传感器工作的磁场抵消方法及系统具有高准确度，能够准确抵消对应方向上的外磁场，并且本发明提供的抵消方法及系统的输出具有长时间输出稳定性，保证传感器在磁场抵消区域能长时间连续工作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)可以在较强剩磁环境中，利用零场OPM传感器实现生物弱磁场信号测量；(2)能够对环境中各个方向的磁场干扰进行抵消，并且对外界磁场扰动具有很快的响应速度；(3)使用负反馈控制系统驱动亥姆霍兹线圈，系统本身具有很好的稳定性，能够较长时间地将均匀区内磁场控制在满足弱磁场检测的范围。

附图说明

图1为三轴磁场抵消系统框图；

图2为三轴亥姆霍兹线圈的示意图；

图3为MR传感器输出电压与灵敏轴方向磁场关系图。

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。

本发明提出MR传感器、OPM传感器的输出信号共同作为磁场抵消系统控制电路的输入，并利用数字信号控制多路选通芯片调节信号输入通路。磁场抵消系统框图如图1所示，如图2所示，本发明搭建的亥姆霍兹线圈由沿X轴方向布置的子线圈一X、沿Y轴方向布置的子线圈二Y以及沿Z轴方向布置的子线圈三Z组成，子线圈一X、子线圈二Y以及子线圈三Z两两之间相互交叉组成整体结构，并在该整体结构内部的中心位置形成均匀区。子线圈一X、子线圈二Y以及子线圈三Z同时从上下、左右、前后三个方向环绕在均匀区四周。

子线圈一X、子线圈二Y以及子线圈三Z分别由三路各自独立的控制电路驱动。均匀区内放置三组用于测量剩余磁场的传感器，每组传感器均包含一个MR传感器和一个OPM传感器，作为一路控制电路的输入。每组传感器的灵敏轴与对应控制电路所驱动的亥姆霍兹线圈的子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z产生的磁场方向相同。

为了搭建适合进行弱生物磁场检测所需要的三轴高精度快速磁场抵消系统，本发明提出使用无磁电木材料作为三轴亥姆霍兹线圈的框架的方案，电木材料本身强度高易加工并且无磁。为完全满足生物脑部弱磁场信号测量的需求，使用本发明中提出的电木材质三轴亥姆霍兹线圈磁场抵消系统，并且在三轴线圈中输入适当的电流。

每路控制电路包括偏置电压调整电路、多路选通芯片以及负反馈调节控制单元。OPM传感器以及MR传感器接入受控制单元给出的数字信号控制的多路选通芯片，其中，MR传感器经由偏置电压调整电路接入多路选通芯片。当均匀区内的磁场大于OPM传感器的正常工作阈值时，控制单元通过多路选通芯片选通MR传感器，MR传感器工作，并通过多路选通芯片将OPM传感器切出，使得OPM传感器停止向控制电路输出信号。多路选通芯片的输出作为负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z中的电流信号，进而将均匀区内的磁场减小。当趋近于稳态时，MR传感器的灵敏度不足以将均匀区内磁场降至更低的量级，此时均匀区内磁场大小已经满足OPM传感器的正常工作条件，控制单元再通过多路选通芯片选通OPM传感器，使OPM传感器工作，并通过多路选通芯片将MR传感器切出，使得MR传感器停止向控制电路输出信号。将OPM传感器输出的模拟信号作为负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元继续调节对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z中的电流信号。

为了使磁场抵消系统具备高准确性和稳定性，本发明在反馈控制电路中采用PID控制的方法，使用比例电路、积分电路和微分控制电路对对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z中的电流信号进行精确快速的调节，比例电路、积分电路和微分控制电路输出的信号经由加法器电路以及功率放大器加载在对应的对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z上，功率放大器同时对对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z中的电流进行采样，以稳定其输出。PID反馈控制的优势在于，整个电路系统的响应速度快，调节动作迅速，能够调节输出信号趋近于稳态值，消除余差；能够根据外磁场的信号变化及时对输出信号进行调节。

Claims (6)

1.一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建由沿X轴方向布置的子线圈一、沿Y轴方向布置的子线圈二以及沿Z轴方向布置的子线圈三组成的三轴亥姆霍兹线圈，子线圈一、子线圈二以及子线圈三两两之间相互交叉组成整体结构，并在该整体结构内部的中心位置形成均匀区，子线圈一、子线圈二以及子线圈三同时从上下、左右、前后三个方向环绕在均匀区四周；

步骤2、子线圈一、子线圈二以及子线圈三分别连接一路控制电路，子线圈一、子线圈二以及子线圈三分别由三路各自独立的控制电路驱动；

均匀区内放置三组用于测量剩余磁场的传感器，每组传感器均包含一个磁阻传感器和一个零场光泵原子磁力仪传感器，每组传感器的输出为一路控制电路的电路的输入；

步骤3、对于每一路控制电路而言，包括以下步骤：

步骤301、当均匀区内的磁场大于零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作阈值时，控制单元通过控制电路内的多路选通芯片选通磁阻传感器，磁阻传感器工作，并且控制单元通过多路选通芯片将零场光泵原子磁力仪传感器切出，使得零场光泵原子磁力仪传感器停止向控制电路输出信号；

步骤302、多路选通芯片的输出作为控制电路中负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号，进而将均匀区内的磁场减小；

步骤303、当均匀区内的磁场趋近于稳态时，磁阻传感器的灵敏度不足以将均匀区内磁场降至更低的量级，此时均匀区内磁场大小已经满足零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作条件，控制单元再通过多路选通芯片选通零场光泵原子磁力仪传感器，使零场光泵原子磁力仪传感器工作，并且控制单元通过多路选通芯片将磁阻传感器切出，使得磁阻传感器停止向控制电路输出信号；

步骤304、将零场光泵原子磁力仪传感器输出的模拟信号作为负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元继续调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号，若均匀区内的磁场再次大于零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作阈值时，返回步骤301。

2.如权利要求1所述的一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法，其特征在于，步骤2中，每组传感器的灵敏轴与对应控制电路所驱动的子线圈一、子线圈二或子线圈三产生的磁场方向相同。

3.如权利要求1所述的一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量方法，其特征在于，步骤3中，所述负反馈调节控制单元采用PID控制。

4.一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量系统，其特征在于，包括：

三轴亥姆霍兹线圈，所述三轴亥姆霍兹线圈进一步包括框架以及固定在框架上的沿X轴方向布置的子线圈一、沿Y轴方向布置的子线圈二以及沿Z轴方向布置的子线圈三，子线圈一、子线圈二以及子线圈三两两之间相互交叉组成整体结构，并在该整体结构内部的中心位置形成均匀区，子线圈一、子线圈二以及子线圈三同时从上下、左右、前后三个方向环绕在均匀区四周；

三组传感器，所述三组传感器布置于均匀区，每组传感器包括一个磁阻传感器和一个零场光泵原子磁力仪传感器；

三路控制电路，三组传感器的输出分别为三路控制电路的输入，三路控制电路分别驱动子线圈一、子线圈二以及子线圈三；

每一路所述控制电路进一步包括偏置电压调整电路、多路选通芯片以及负反馈调节控制单元，每组传感器的磁阻传感器和零场光泵原子磁力仪传感器接入受控制单元给出的数字信号控制的多路选通芯片，其中，磁阻传感器经由偏置电压调整电路接入多路选通芯片；当均匀区内的磁场大于零场光泵原子磁力仪传感器的正常工作阈值时，控制单元控制多路选通芯片选通磁阻传感器，并将零场光泵原子磁力仪传感器切出，磁阻传感器的输出作为控制电路中负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号，进而将均匀区内的磁场减小；当均匀区内的磁场减小至趋近于稳态时，控制单元控制多路选通芯片选通零场光泵原子磁力仪传感器，并将磁阻传感器切出，零场光泵原子磁力仪传感器的输出作为控制电路中负反馈调节控制单元的初始输入，通过负反馈调节控制单元调节对应子线圈一、子线圈二或子线圈三中的电流信号。

5.如权利要求4所述的一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量系统，其特征在于，使用无磁电木材料作为所述三轴亥姆霍兹线圈的框架。

6.如权利要求4所述的一种零场光泵原子磁力仪弱磁场测量系统，其特征在于，所述负反馈调节控制单元采用PID调节控制单元，包括比例电路、积分电路和微分控制电路，比例电路、积分电路和微分控制电路输出的信号经由加法器电路以及功率放大器加载在对应的对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z上，从而对对应子线圈一X、子线圈二Y或子线圈三Z中的电流信号进行精确快速的调节。