CN116578159B - 磁场强度控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场强度控制装置，包括：PID控制模组对磁场强度实测值与扫场起始值的第一差值进行PID调节，得到第一PID信号输出值；稳场DAC模组根据第一PID信号输出值得到的第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，将磁场强度稳定在扫场起始值；PID控制模组根据扫场终止值与扫场起始值的第二差值得到n个单元稳场周期，以及根据磁场强度实测值与在第x个单元稳场周期中确定的第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值；扫场DAC模组根据第一磁场驱动信号、第二磁场驱动信号和在第x个单元稳场周期中根据第二PID信号输出值得到的第三磁场驱动信号第三磁场驱动信号对磁场发生器进行控制。由此，进行磁场强度相对均匀且连续变化的扫场。
Description
技术领域
本发明涉及磁场强度控制技术领域，尤其涉及一种磁场强度控制装置。
背景技术
EPR（Electron Paramagnetic Resonance，电子顺磁共振）、ODMR（OpticallyDetected Magnetic Resonance，磁共振）、QDAFM（Quantum Diamond Atomic ForceMicroscope，量子钻石原子力显微镜）等科研检测仪器都会涉及磁场发生设备以及磁场强度精准控制系统。常规的磁场强度控制系统主要包括用于输出磁场驱动控制信号的DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器），通过监测磁场强度实测值对比目标磁场强度值调整DAC信号的PID（Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分）控制模块，上述常规的磁场强度控制系统存在磁场强度控制精度低以及稳场效率低等不足。
此外，针对磁场连续变化的扫场试验，需要提供一种扫场控制系统及方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种磁场强度控制装置，能够使磁场强度相对均匀且连续变化的进行扫场控制。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种磁场强度控制装置，所述装置包括：磁场检测模组，用于获取磁场发生器所产生磁场的磁场强度实测值；PID控制模组，用于计算磁场强度实测值与扫场起始值之间的第一差值，并对所述第一差值进行PID调节得到第一PID信号输出值；稳场DAC模组，用于根据所述第一PID信号输出值得到第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，并根据所述第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，将磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值；所述PID控制模组，还用于计算扫场终止值与所述扫场起始值之间的第二差值，并根据所述第二差值得到n个单元稳场周期，以及在第x个单元稳场周期中，确定所述第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，并根据所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值，其中，n为大于1的整数；扫场DAC模组，用于在第x个单元稳场周期中，根据所述第二PID信号输出值得到第三磁场驱动信号，并根据所述第一磁场驱动信号、所述第二磁场驱动信号和所述第三磁场驱动信号对所述磁场发生器进行控制，其中，1≤x≤n。
根据本发明实施例的磁场强度控制装置，能够使磁场强度相对均匀且连续变化的进行扫场控制。
另外，本发明实施例的磁场强度控制装置，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，稳场DAC模组，包括第一数模转换子模块、第二数模转换子模块和第一控制模块，所述第一数模转换子模块的分辨率大于所述第二数模转换子模块的分辨率；其中，所述第一PID信号输出值通过所述第一数模转换子模块输出第一磁场驱动信号，其中，S1=(S/M1)’×M1，S1为所述第一磁场驱动信号，S为所述第一PID信号输出值，M1为所述第一数模转换子模块的分辨率，(S/M1)’为S/M1的取整值；所述第一PID信号输出值通过所述第二数模转换子模块输出第二磁场驱动信号，其中，S2={(S-S1)/M2}’×M2，S2为所述第二磁场驱动信号，M2为所述第二数模转换子模块的分辨率，{(S-S1)/M2}’为(S-S1)/M2的取整值，所述第一磁场驱动信号的分辨率与所述第二磁场驱动信号的分辨率不同；所述第一控制模块用于根据所述第一磁场驱动信号和所述第二磁场驱动信号，对所述磁场发生器进行控制，以使磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值。
根据本发明的一个实施例，所述PID控制模组，还用于：在所述第一差值小于第一预设值时，将所述第一PID信号输出值的上限设置为第一阈值；在所述第一差值大于等于第一预设值，且小于等于第二预设值时，将所述第一PID信号输出值的上限设置为第二阈值，其中，第二阈值大于第一阈值；在所述第一差值大于第二预设值时，将所述第一PID信号输出值的上限设置为第三阈值，其中，第三阈值大于第二阈值。
根据本发明的一个实施例，所述第一数模转换子模块包括第一数模转换器，所述第二数模转换子模块包括依次连接的第二数模转换器和衰减器，所述第二数模转换器的分辨率与所述第一数模转换器的分辨率相同；其中，所述第一PID信号输出值通过所述第一数模转换器输出第一磁场驱动信号，其中，S1=(S/M11)’×M11，M11为所述第一数模转换器的分辨率，(S/M11)’为S/M11的取整值；所述第一PID信号输出值通过依次连接的第二数模转换器和衰减器输出第二磁场驱动信号，其中，S2={(S-S1)N/M11}’×M21，N为所述衰减器的衰减倍数，M21为所述第二数模转换器的分辨率和衰减器的衰减倍数的比值，{(S-S1)N/M11}’为(S-S1)N/M11的取整值。
根据本发明的一个实施例，所述衰减器的衰减倍数N=D/M，其中，D为所述第二数模转换器的量程。
根据本发明的一个实施例，所述第一PID信号输出值通过所述第二数模转换器输出信号值；所述第一控制模块具体用于：在所述第二磁场驱动信号与所述信号值之和大于等于所述第二数模转换器的量程时，计算所述第一磁场驱动信号与所述第一数模转换器的分辨率之间的和值，得到调节后的第一磁场驱动信号，并计算所述第二磁场驱动信号与第一调节值之间的和值，得到调节后的第二磁场驱动信号，其中，所述第一调节值为信号值和所述第二数模转换器的量程之间的差值。
根据本发明的一个实施例，所述第一控制模块在根据所述第一磁场驱动信号和所述第二磁场驱动信号，对所述磁场发生器进行控制时，具体用于：将第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号进行加和得到总驱动信号；根据总驱动信号对磁场发生器进行控制。
根据本发明的一个实施例，所述PID控制模组在根据所述第二差值得到n个单元稳场周期时，具体用于：将所述第二差值分为n份；根据所述第二差值、n、目标磁场强度变化率得到单元稳场周期。
根据本发明的一个实施例，所述PID控制模组在确定所述第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值时，具体用于：根据所述扫场起始值和所述第二差值确定第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值。
根据本发明的一个实施例，所述PID控制模组在根据所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值时，具体用于：计算所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值之间的第三差值，并对所述第三差值进行PID调节得到第二PID信号输出值。
根据本发明的一个实施例，所述扫场DAC模组包括：范围DAC，用于根据所述第二差值得到第一参考信号；扫场DAC，用于根据所述第二PID信号输出值和所述第一参考信号得到所述第三磁场驱动信号。
根据本发明的一个实施例，通过下式得到所述第一参考信号：
k×I1/I0=(T2-T1)/B，其中，k为第一系数，I1为所述第一参考信号，I0为所述范围DAC满量程输出的第二参考信号，T1为扫场起始值、T2为扫场终止值，B为所述范围DAC和所述扫场DAC均满量程输出时的磁场强度标定值。
根据本发明的一个实施例，所述扫场DAC模组还包括：偏置DAC，用于根据所述第三磁场驱动信号、所述第一参考信号、所述第二参考信号和所述第一系数得到偏置信号，并根据所述第三磁场驱动信号和所述偏置信号，得到更新后的第三磁场驱动信号。
根据本发明的一个实施例，通过下式得到所述偏置信号I3：
I3=I1×I2×，其中，I2为所述第三磁场驱动信号。
根据本发明的一个实施例，0.99≥k≥0.67。
根据本发明的一个实施例，所述PID控制模组，还用于：在所述第三差值小于第一预设差值时，将所述第二PID信号输出值的上限设置为第一上限值；在所述第三差值大于等于第一预设差值，且小于等于第二预设差值时，将所述第二PID信号输出值的上限设置为第二上限值，其中，第二上限值大于第一上限值；在所述第三差值大于第二预设差值时，将所述第二PID信号输出值的上限设置为第三上限值，其中，第三上限值大于第二上限值。
根据本发明的一个实施例，PID控制模组还用于，在n个单元稳场周期中，设置扫场DAC模组使磁场强度实测值与第一磁场强度目标值一致所用的最长时间为第一预设时间，则t0>t1，其中，t0为单元稳场周期，t1为第一预设时间；PID控制模组还用于在每个单元稳场周期开始后的第二预设时间发出试验数据采集指令，t0>t2>t1，其中，t2为第二预设时间。
根据本发明的一个实施例，稳场DAC模组、扫场DAC和偏置DAC均为双极性输出，其中，稳场DAC模组和扫场DAC的输出极性相同，偏置DAC和扫场DAC的输出极性相反。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一个实施例的磁场强度控制装置的结构示意图；
图2是本发明第一个具体实施例的磁场强度控制装置的结构示意图；
图3是本发明第二个具体实施例的磁场强度控制装置的结构示意图；
图4是本发明第三个具体实施例的磁场强度控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图1-4描述本发明实施例的磁场强度控制装置。
图1是本发明一个实施例的磁场强度控制装置的结构示意图。如图1所示，磁场强度控制装置100包括：
磁场检测模组10，用于获取磁场发生器所产生磁场的磁场强度实测值；
PID控制模组20，用于计算磁场强度实测值与扫场起始值之间的第一差值，并对第一差值进行PID调节得到第一PID信号输出值；
稳场DAC模组30，用于根据第一PID信号输出值得到第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，并根据第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，将磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值；
PID控制模组20，用于计算扫场终止值与扫场起始值之间的第二差值，并根据第二差值得到n个单元稳场周期，以及在第x个单元稳场周期中，确定第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，并根据磁场强度实测值与第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值，其中，n为大于1的整数；
扫场DAC模组40，用于在第x个单元稳场周期中，根据第二PID信号输出值得到第三磁场驱动信号，并根据第一磁场驱动信号、第二磁场驱动信号和第三磁场驱动信号对磁场发生器进行控制，其中，1≤x≤n。
其中，参加图2，稳场DAC模组30包括第一数模转换子模块31、第二数模转换子模块32和第一控制模块33，第一数模转换子模块31的分辨率大于第二数模转换子模块32的分辨率；其中，第一PID信号输出值通过第一数模转换子模块31输出第一磁场驱动信号，其中，S1=(S/M1)’×M1，S1为第一磁场驱动信号，S为第一PID信号输出值，M1为第一数模转换子模块31的分辨率，(S/M1)’为S/M1的取整值；第一PID信号输出值通过第二数模转换子模块32输出第二磁场驱动信号，其中，S2={(S-S1)/M2}’×M2，S2为第二磁场驱动信号，M2为第二数模转换子模块32的分辨率，{(S-S1)/M2}’为(S-S1)/M2的取整值，第一磁场驱动信号的分辨率与第二磁场驱动信号的分辨率不同；第一控制模块33用于根据第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，对磁场发生器进行控制，以使磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值。
具体地，磁场检测模组10获取磁场发生器所产生磁场的磁场强度实测值。
进一步地，PID控制模组20计算磁场强度实测值T与扫场起始值T1之间的第一差值，即Δ1=∣T-T1∣，并对第一差值Δ1进行PID调节得到第一PID信号输出值S。其中，PID控制模组20在第一差值Δ1小于第一预设值a1时，将第一PID信号输出值S的上限设置为第一阈值L1；在第一差值Δ1大于等于第一预设值a1，且小于等于第二预设值b1时，将第一PID信号输出值S的上限设置为第二阈值K1，其中，第二阈值K1大于第一阈值L1；在第一差值Δ1大于第二预设值ｂ1时，将第一PID信号输出值S的上限设置为第三阈值J1，其中，第三阈值J1大于第二阈值K1。由此，通过三段调节方法，一方面可以加快PID控制模组的调节效率，使磁场强度快速接近扫场起始值；另一方面可以加快PID控制模组的收敛效率，使磁场强度快速稳定在扫场起始值附近。需要说明的是，还可通过多段调节方法设置第一PID信号输出值的上限。
例如：假设第一预设值a1、第二预设值b1分别为1Gs、10Gs，第一阈值L1、第二阈值K1、第三阈值J1分别为0.034Gs、0.9Gs、9Gs。在第一差值Δ1<1Gs时，则将第一PID信号输出值S的上限设置为0.034Gs；在1Gs≤第一差值Δ1≤10Gs时，则将第一PID信号输出值S的上限设置为0.9Gs；在第一差值Δ1>10Gs时，则将第一PID信号输出值S的上限设置为9Gs。
需要说明的是，假设磁场整体的强度可调节范围为0-9000Gs，则磁场强度理论上可以精确控制至2-18×9000Gs≈0.034Gs。由于电磁体的磁化特性，决定了磁场驱动电流的大小与磁场强度并不是一次线性相关，因此磁场驱动输出增加对应于0.034Gs的电流，实测磁场强度并非会产生0.034Gs的变化，所以需要通过PID控制模组20进行调节控制。而上述“第一PID信号输出值S”，是指磁场驱动：每次可以调节设定的电流变化值，而该设定的电流变化值大致可以使磁场变化第一PID信号输出值S。
进一步地，第一PID信号输出值S通过第一数模转换子模块31输出第一磁场驱动信号，其中，S1=(S/M1)’×M1，S1为第一磁场驱动信号，S为第一PID信号输出值，M1为第一数模转换子模块31的分辨率，(S/M1)’为S/M1的取整值；第一PID信号输出值S通过第二数模转换子模块32输出第二磁场驱动信号，其中，S2={(S-S1)/M2}’×M2，S2为第二磁场驱动信号，M2为第二数模转换子模块32的分辨率，{(S-S1)/M2}’为(S-S1)/M2的取整值，第一磁场驱动信号的分辨率与第二磁场驱动信号的分辨率不同。需要说明的是，本发明实施例中的分辨率为精度。另外，第一数模转换子模块31的分辨率等于第二数模转换子模块32的量程。由此，通过使用第一数模转换子模块和第二数模转换子模块结合的磁场驱动信号生成模组，一方面可以实现DAC原有的量程范围，另一方面可以实现更精细的分辨率。
例如：第一数模转换子模块31的分辨率M1为2-9×11v，第二数模转换子模块32的分辨率M为2-18×11v，则第一PID信号输出值S输入第一数模转换子模块31输出的第一磁场驱动信号S1为：S/（2-9×11v）后取整（此处取整直接舍去余数）再乘以2-9×11v；第一PID信号输出值S输入第二数模转换子模块32输出的第二磁场驱动信号S2为：(S-S1)/（2-18×11v）后取整（此处取整可以四舍五入，也可以直接舍去余数）再乘以2-18×11v。
进一步地，第一控制模块33将第一磁场驱动信号S1和第二磁场驱动信号S2进行加和得到总驱动信号；根据总驱动信号对磁场发生器进行控制，以使磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值T1。
由此，通过对磁场强度实测值与扫场起始值之间的第一差值进行PID调节，得到第一PID信号输出值；根据PID信号输出值得到两个不同分辨率的磁场驱动信号，即第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，进而，根据第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号对磁场发生器进行控制，能够加快PID控制模组的调节效率，使磁场强度快速接近扫场起始值，以及加快PID控制模组的收敛效率，使磁场强度快速稳定在扫场起始值附近，从而提高了磁场强度控制精度和稳场效率。
作为一个示例，参见图3，第一数模转换子模块31可包括第一数模转换器311，第二数模转换子模块32可包括依次连接的第二数模转换器321和衰减器322，第二数模转换器321的分辨率与第一数模转换器311的分辨率相同；其中，
第一PID信号输出值通过第一数模转换器311输出第一磁场驱动信号，其中，S1=(S/M11)’×M11，M11为第一数模转换器311的分辨率，(S/M11)’为S/M11的取整值；
第一PID信号输出值通过依次连接的第二数模转换器321和衰减器322输出第二磁场驱动信号，其中，S2={(S-S1)N/M11}’×M21，N为衰减器322的衰减倍数，M21为第二数模转换器321的分辨率和衰减器322的衰减倍数的比值，{(S-S1)N/M11}’为(S-S1)N/M11的取整值，衰减器322的衰减倍数N=D/M11，其中，D为第二数模转换器321的量程。需要说明的是，第一数模转换器311的量程和第二数模转换器321的量程相同。由此，通过使用第一数模转换子模块和第二数模转换子模块结合的磁场驱动信号生成模组，一方面可以实现DAC原有的量程范围，另一方面可以实现更精细的分辨率。
例如：第一数模转换器311和第二数模转换器321的量程D均为11v，第一数模转换器311和第二数模转换器321的采样码位数均为9（即29个采样码），第一数模转换器311的分辨率和第二数模转换器321的分辨率M11均为2-9×11v，则衰减器322的衰减倍数N为512，第二数模转换子模块32的分辨率M21为第二数模转换器321的分辨率和衰减器322的衰减倍数N的比值即2-18×11v。第一PID信号输出值S输入至第一数模转换器311输出的第一磁场驱动信号S1为：S/（2-9×11v）后取整（此处取整直接舍去余数）再乘以2-9×11v，第一数模转换器311的采样码为S1/（2-9×11v）；第一PID信号输出值S输入依次连接的第二数模转换器321和衰减器322输出的第二磁场驱动信号S2为：(S-S1)×512/（2-9×11v）后取整（此处取整可以四舍五入，也可以直接舍去余数）再乘以2-18×11v，第二数模转换器321的采样码为S2×N/（2-9×11v）。
需要说明的是，第一PID信号输出值通过第二数模转换器321输出信号值；第一控制模块33具体用于：在第二磁场驱动信号与信号值之和大于等于第二数模转换器321的量程时，计算第一磁场驱动信号与第一数模转换器311的分辨率之间的和值，得到调节后的第一磁场驱动信号，并计算第二磁场驱动信号与第一调节值之间的和值，得到调节后的第二磁场驱动信号，其中，第一调节值为信号值和第二数模转换器321的量程之间的差值。
具体地，第一PID信号输出值通过第二数模转换器321输出信号值S0。第一控制模块33在第二磁场驱动信号S2与信号值S0之和大于等于第二数模转换器321的量程D，即S2+S0≥D时，计算第一磁场驱动信号S1与第一数模转换器311的分辨率M11之间的和值，得到调节后的第一磁场驱动信号即S1’=S1+M11，并计算第二磁场驱动信号S2与第一调节值I的和值，得到调节后的第二磁场驱动信号，其中，第一调节值I为信号值S0和第二数模转换器321的量程D的差值，即I=S0-D，也就是说，调节后的第二磁场驱动信号S2’=S2+S0-D。由此，第一控制模块在第二磁场驱动信号与信号值之和大于等于第二数模转换器的量程，更新第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号。
进一步地，PID控制模组20计算扫场终止值与扫场起始值之间的第二差值，并根据第二差值得到n个单元稳场周期，以及在第x个单元稳场周期中，确定第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，并根据磁场强度实测值与第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值，其中，n为大于1的整数。
具体地，PID控制模组20计算扫场终止值T2与扫场起始值T1之间的第二差值Δ2，将第二差值Δ2分为n份（n可以根据试验需要设定），并根据第二差值、n、目标磁场强度变化率v（即扫场的磁场强度变化率需求）得到单元稳场周期，即Δ2/(nv)。例如：在3000Gs-4000Gs区间进行扫场时，根据试验数据采集精度的要求，一组扫场试验需要采集1000个数据，且整个扫场试验的时间为100秒，则目标磁场强度变化率v为1000Gs/100秒=10Gs/秒，单元稳场周期为100毫秒。
另外，PID控制模组20还在第x个单元稳场周期中，以T1+x×Δ2/n为第一磁场强度目标值，计算磁场强度实测值T与第一磁场强度目标值B1之间的第三差值，即Δ3=∣T-B1∣。例如：在3000Gs-4000 Gs区间进行扫场时，在3000Gs-4000 Gs区间进行扫场时，根据试验数据采集精度的要求，一组扫场试验需要采集1000个数据，且整个扫场试验的时间为100秒，则目标磁场强度变化率v为1000Gs/100秒=10Gs/秒，单元稳场周期为100毫秒。在第一个单元稳场周期（实验开始的0-100毫秒），PID的第一磁场强度目标值变为（3000+1）Gs，使磁场由3000Gs增加至3001Gs，在100毫秒的尾段（第60毫秒、70毫秒、80毫秒、90毫秒、95毫秒或者99毫秒），磁场强度基本稳定在了3001Gs，采集试验数据；在第x个单元稳场周期（实验开始的100x-100至100x毫秒），PID的第一磁场强度目标值变为（3000+x）Gs，使磁场由3000Gs增加至（3000+x）Gs，在第x个单元稳场周期的尾段，磁场强度基本稳定在了（3000+x）Gs，采集试验数据。
需要说明的是，PID控制模组20还用于在n个单元稳场周期中，设置扫场DAC模组40使磁场强度实测值与第一磁场强度目标值一致所用的最长时间为第一预设时间t1，则单元稳场周期t0>t1；PID控制模组20还用于在每个单元稳场周期开始后的第二预设时间t2时间发出试验数据采集指令，t0>t2>t1。
进一步地，PID控制模组20对第三差值Δ3进行PID调节得到第二PID信号输出值S’。
其中，PID控制模组20在第三差值Δ3小于第一预设差值a2时，将第二PID信号输出值S’的上限设置为第一上限值L2；在第三差值Δ3大于等于第一预设差值a2，且小于等于第二预设差值b2时，将第二PID信号输出值S’的上限设置为第二上限值K2，其中，第二上限值K2大于第一上限值L2；在第三差值Δ3大于第二预设差值b2时，将第二PID信号输出值S’的上限设置为第三上限值J2，其中，第三上限值J2大于第二上限值K2。由此，通过三段调节方法，一方面可以加快PID控制模组的调节效率，使磁场强度快速接近扫场终止值；另一方面可以加快PID控制模组的收敛效率，使磁场强度快速稳定在扫场终止值附近。需要说明的是，还可通过多段调节方法设置第二PID信号输出值的上限。另外，第一上限值L2小于第一阈值L1，第二上限值K2小于第二阈值K1，第三上限值J2小于第三阈值J1。
进一步地，扫场DAC模组40，用于在第x个单元稳场周期中，根据第二PID信号输出值得到第三磁场驱动信号，并根据第一磁场驱动信号、第二磁场驱动信号和第三磁场驱动信号对磁场发生器进行控制，其中，1≤x≤n。
具体地，参见图4，扫场DAC模组40可包括：范围DAC41，用于根据第二差值得到第一参考信号；扫场DAC42，用于根据第二PID信号输出值和第一参考信号得到第三磁场驱动信号。
具体而言，范围DAC41通过公式k×I1/I0=(T2-T1)/B得到第一参考信号I1，其中，k为第一系数，I1为第一参考信号，I0为范围DAC41满量程输出的第二参考信号，T1为扫场起始值、T2为扫场终止值，B为范围DAC41和扫场DAC42均满量程输出时的磁场强度标定值，0.99≥k≥0.67。需要说明的是，范围DAC41和扫场DAC42均满量程输出时的磁场强度标定值B，可通过磁场驱动控制信号与磁场强度实测值之间的标定对应关系获得。例如：范围DAC41和扫场DAC42均满量程输出（即设备扫场的最大范围）时的磁场强度标定值B为9000Gs，范围DAC41的满量程输出的第二参考信号I0为11v，k取值0.7，扫场起始值T1为3000Gs，扫场终止值T2为4000Gs，则范围DAC41输出的参考信号为110/63v。扫场DAC42根据第二PID信号输出值和第一参考信号的乘积，得到第三磁场驱动信号。
参见图4，扫场DAC模组40还可包括：偏置DAC43，用于根据第三磁场驱动信号、第一参考信号、第二参考信号和第一系数得到偏置信号，并根据偏置信号和第三磁场驱动信号对磁场发生器进行控制。
具体地，偏置DAC43通过公式I3=I1×I2×得到偏置信号I3，其中，I1为第一参考信号，I2为第三磁场驱动信号，I0为第二参考信号。偏置DAC43根据第三磁场驱动信号和偏置信号之间的差值，得到更新后的第三磁场驱动信号。
需要说明的是，由于电磁体的磁化特性决定了磁场强度处于变化中的电磁体其磁场强度与驱动电流强度之间的对应关系并非是确定的，因此以从3000Gs变化到4000 Gs为例，可能磁场驱动电流需要变化至对应于4040Gs的强度（标定值），实测磁场强度才能到达4000 Gs，且当磁场再由4000Gs变化到3000 Gs时，磁场驱动电流可能需要变化至对应于2980 Gs的强度（标定值），实测磁场强度才能到达3000 Gs；为此，设置了偏置DAC43，使磁场驱动电流可以输出对应于2950Gs-4050Gs的强度范围。
即：当需要的扫场区间是3000Gs-4000 Gs时，扫场范围为1000Gs，而范围DAC41输出的扫场范围为1100Gs，扫场DAC42可以输出对应于3000Gs-4100 Gs的第三磁场驱动信号，偏置DAC43输出偏置信号使第三磁场驱动信号减少对应于50Gs的信号值，因此总的驱动信号可以按标定值使磁场在2950Gs-4050 Gs之间变化。
另外，稳场DAC模组30、扫场DAC42以及偏置DAC43均为双极性输出，且稳场DAC模组30和扫场DAC42的输出极性相同，偏置DAC43和扫场DAC42的输出极性相反。
进一步地，参见图4，扫场DAC模组40还可包括第二控制模块44，第二控制模块44在根据第一磁场驱动信号、第二磁场驱动信号和第三磁场驱动信号对磁场发生器进行控制时，具体用于：将第一磁场驱动信号、第二磁场驱动信号和第三磁场驱动信号叠加，根据叠加后的驱动信号对磁场发生器进行控制。由此，能够使磁场强度相对均匀且连续变化的进行扫场控制。
需要说明的是，磁场强度处于变化中的电磁体其磁场强度与驱动电流强度之间的对应关系并非是确定的，因此扫场DAC模组40输出的用于控制扫场范围的总驱动信号yH，需要大于扫场范围对应的标定信号值H，即：在标定过程中，需要实现指定范围的扫场，只需使扫场DAC模组40输出信号值为H，但在扫场实验中，需要使扫场DAC42满量程输出信号值为yH，且y>1，偏置DAC43的输出信号值（即偏置信号）为0.5(y-1)H。
综上所述，通过计算扫场终止值与扫场起始值之间的第二差值，并根据第二差值得到n个单元稳场周期；在第x个单元稳场周期中，确定第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，并计算磁场强度实测值与第一磁场强度目标值之间的第三差值，以及根据第二差值和第三差值得到第三磁场驱动信号，并根据第一磁场驱动信号、第二磁场驱动信号和第三磁场驱动信号对磁场发生器进行控制，能够使磁场强度相对均匀且连续变化的进行扫场控制。
需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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装置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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种磁场强度控制装置，其特征在于，所述装置包括：
磁场检测模组，用于获取磁场发生器所产生磁场的磁场强度实测值；
PID控制模组，用于计算磁场强度实测值与扫场起始值之间的第一差值，并对所述第一差值进行PID调节得到第一PID信号输出值；
稳场DAC模组，用于根据所述第一PID信号输出值得到第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，并根据所述第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，将磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值；
所述PID控制模组，还用于计算扫场终止值与所述扫场起始值之间的第二差值，并根据所述第二差值得到n个单元稳场周期，以及在第x个单元稳场周期中，确定所述第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，并根据所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值，其中，n为大于1的整数；
扫场DAC模组，用于在第x个单元稳场周期中，根据所述第二PID信号输出值得到第三磁场驱动信号，并根据所述第一磁场驱动信号、所述第二磁场驱动信号和所述第三磁场驱动信号对所述磁场发生器进行控制，其中，1≤x≤n。
2.根据权利要求1所述的磁场强度控制装置，其特征在于，所述PID控制模组在根据所述第二差值得到n个单元稳场周期时，具体用于：
将所述第二差值分为n份；
根据所述第二差值、n、目标磁场强度变化率得到单元稳场周期。
3.根据权利要求1所述的磁场强度控制装置，其特征在于，所述PID控制模组在确定所述第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值时，具体用于：
根据所述扫场起始值和所述第二差值确定第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值。
4.根据权利要求1所述的磁场强度控制装置，其特征在于，所述PID控制模组在根据所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值，得到第二PID信号输出值时，具体用于：
计算所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值之间的第三差值，并对所述第三差值进行PID调节得到第二PID信号输出值。
5.根据权利要求1所述的磁场强度控制装置，其特征在于，所述扫场DAC模组包括：
范围DAC，用于根据所述第二差值得到第一参考信号；
扫场DAC，用于根据所述第二PID信号输出值和所述第一参考信号得到所述第三磁场驱动信号。
6.根据权利要求5所述的磁场强度控制装置，其特征在于，通过下式得到所述第一参考信号：
k×I1/I0=(T2-T1)/B，
其中，k为第一系数，I1为所述第一参考信号，I0为所述范围DAC满量程输出的第二参考信号，T1为扫场起始值、T2为扫场终止值，B为所述范围DAC和所述扫场DAC均满量程输出时的磁场强度标定值。
7.根据权利要求6所述的磁场强度控制装置，其特征在于，所述扫场DAC模组还包括：
偏置DAC，用于根据所述第三磁场驱动信号、所述第一参考信号、所述第二参考信号和所述第一系数得到偏置信号，并根据所述第三磁场驱动信号和所述偏置信号，得到更新后的第三磁场驱动信号。
8.根据权利要求7所述的磁场强度控制装置，其特征在于，通过下式得到所述偏置信号I3：
I3=I1×I2×，
其中，I2为所述第三磁场驱动信号。
9.根据权利要求6或8中任一项所述的磁场强度控制装置，其特征在于，0.99≥k≥0.67。
10.根据权利要求4所述的磁场强度控制装置，其特征在于，所述PID控制模组，还用于：
在所述第三差值小于第一预设差值时，将所述第二PID信号输出值的上限设置为第一上限值；
在所述第三差值大于等于第一预设差值，且小于等于第二预设差值时，将所述第二PID信号输出值的上限设置为第二上限值，其中，第二上限值大于第一上限值；
在所述第三差值大于第二预设差值时，将所述第二PID信号输出值的上限设置为第三上限值，其中，第三上限值大于第二上限值。
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