CN216353636U - 地磁屏蔽房的驱动电路、消磁装置和地磁屏蔽房系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种地磁屏蔽房的驱动电路、消磁装置和地磁屏蔽房系统，所述地磁屏蔽房的驱动电路用于为消磁线圈供电，包括：功放电路，所述功放电路为并联的多路，各路均包括串接于电源和所述消磁线圈之间的功放单元和电子开关；控制单元，所述控制单元分别耦接于各功放单元和各电子开关、用于调节各功放电路的输出以及控制各电子开关。本申请通过控制单元调节各功放电路的输出以及控制各电子开关实现消磁过程可控、可靠、可重复，能够提高消磁线圈的磁场屏蔽性能。

Description

地磁屏蔽房的驱动电路、消磁装置和地磁屏蔽房系统

技术领域

本申请涉及消磁技术领域，特别是涉及一种地磁屏蔽房的驱动电路、消磁装置和地磁屏蔽房系统。

背景技术

在极弱磁测量、心脑磁测量、原子惯性测量等量子精密测量领域，需要高性能的磁屏蔽系统隔离外界磁场干扰提供一个稳定的磁场环境，稳定的磁场环境由屏蔽筒、屏蔽房提供，二者均由高磁导率软磁合金材料构成。磁材料在加工生产及热处理时，材料中会产生剩余磁场，消磁可提高屏蔽效果。

量子精密测量领域中常用自耦变压器型手提式消磁机进行交流退磁。自耦变压器型消磁机采用手动提升方式改变电流，从而改变施加外磁场的大小，外加大磁场时，使得材料内部磁畴被磁化，磁材料随外磁场改变产生感应磁场，当外部磁场消失时，材料中的剩磁也随之消除，达到消磁的目的。

常规的消磁过程中，通常是实验人员手动提升消磁机进行消磁，不具重复性。同时消磁机的消磁频率、峰值电流等消磁参数不可调节。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种地磁屏蔽房的驱动电路、消磁装置和地磁屏蔽房系统。

本申请提供一种地磁屏蔽房的驱动电路，用于为消磁线圈供电，所述驱动电路包括：

功放电路，所述功放电路为并联的多路，各路均包括串接于电源和所述消磁线圈之间的功放单元和电子开关；

控制单元，所述控制单元分别耦接于各功放单元和各电子开关、用于调节各功放电路的输出以及控制各电子开关。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

可选的，所述功放单元为数字功放，且至少有两个数字功放的额定功率互不相同。

可选的，各数字功放的额定功率均不相同。

可选的，所述驱动电路还包括分别采集各功放电路输出电流的采样电路；

各采样电路耦接至所述控制单元，各采样电路的采样结果供所述控制单元相应控制各功放电路；

各采样电路的量程与相应功放电路的额定功率相适配。

可选的，各功放电路的电子开关均为双断型电子开关。

可选的，同一功放电路中，数字功放和电子开关之间串接有隔离变压器；

从电源至所述消磁线圈之间、数字功放、隔离变压器和电子开关依次串接。

可选的，所述控制单元包括：

数据板卡，各采样电路耦接所述数据板卡以发送采样结果；

低频滤波器，所述低频滤波器接收所述数据板卡输出的模拟控制信号，所述低频滤波器与各所述数字功放耦接。

可选的，所述控制单元还包括与所述数据板卡通信连接的上位机。

本申请还提供一种地磁屏蔽房的消磁装置，包括本申请所述的驱动电路、以及受控于所述驱动电路的消磁线圈。

本申请还提供一种地磁屏蔽房系统，包括地磁屏蔽房、以及本申请所述的消磁装置，其中所述消磁装置中的消磁线圈布置在所述地磁屏蔽房的外周。

本申请的地磁屏蔽房的驱动电路、消磁装置和地磁屏蔽房系统至少具有以下技术效果：

本申请通过控制单元调节各功放电路的输出以及控制各电子开关实现消磁过程可控、可靠、可重复，能够提高消磁线圈的磁场屏蔽性能。

附图说明

图1为本申请一实施例中地磁屏蔽房驱动电路的电路原理示意图；

图中附图标记说明如下：

1、数字电源；2、数字功放组；21、数字功放；2N、数字功放；

3、控制单元；4、上位机；6、数据板卡；7、低通滤波器；

5、隔离变压器组；51、隔离变压器；5N、隔离变压器；

8、电子开关组；81、电子开关；8N、电子开关。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“耦接”或“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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、次序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“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。

本申请中，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

本申请中，术语“相应的”，“对应的”，“相匹配的”，“相适应的”，例如“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A的形状、位置或功能具有对应关系，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息而确定B。

本申请一实施例中提供一种地磁屏蔽房的驱动电路，用于为消磁线圈供电，驱动电路包括：功放电路，功放电路为并联的多路，各路均包括串接于电源和消磁线圈之间的功放单元和电子开关；控制单元，控制单元分别耦接于各功放单元和各电子开关、用于调节各功放电路的输出以及控制各电子开关。

本实施例中功放单元例如可以是模拟功率放大器或数字功率放大器；电子开关例如可以是现有技术中受控于电子信号或通信信号的受控开关；控制单元例如可以是现有技术中带有I/O端口以及外围电路设备的处理器。

本实施例中，对于同一功放电路，控制单元调节一个功放单元的输出，例如可以是按预设的电流衰减函数输出功率；对于不同功放电路,控制单元调节各电子开关的通断状态。

本实施例中的驱动电路使消磁过程可控、可靠、可重复，能够提高消磁线圈的磁场屏蔽性能。可以理解，在工作状态下，至少有一路功放电路的电子开关处于导通状态。也就是说，控制单元可以根据预设的消磁参数(例如可以是预设的消磁电流的函数曲线、消磁电流的频率、消磁电流的峰值)在预设的期限内更换输出的功放单元，对整个消磁过程进行程序控制。而这些预设的消磁参数均可以被调整即消磁过程可控，驱动电路的输出电流由控制单元控制即消磁过程可靠，所以本实施例提供的驱动电路能够实现消磁参数可调节和消磁自动重复，即消磁过程可重复。

为降低剩磁及剩余磁场的梯度，解决驱动电路的输出电流不准确的问题，进一步地，功放单元为数字功放，且至少有两个数字功放的额定功率互不相同。更进一步地，各数字功放的额定功率均不相同，保证了输出电流、以及输出功率的精度。可以理解，各数字功放的额定功率也可以设置为均相同。在控制单元3调整各数字功放的输出功率时，受调节的数字功放(例如数字功放21)的母线电压、母线电流、输出功率三者呈正相关。因此，即使各数字功放的额定功率相同，控制单元3也能够按照预设参数调节输出，例如按照预设的电流衰减函数控制功放单元的输出电流。显然，采用各数字功放的额定功率均相同的技术方案时，输出相对小的电流时会由于实际输出电流值远小于额定电流时而影响输出电流的精度。

数字功放即数字功率放大器，本实施例中功率放大器采用AE Techron公司研发的7796系列的功率放大器。由于控制单元根据预设的消磁参数通过电子开关的通断控制不同数字功放的输出，从而实现整个驱动电路的渐变输出。假设各数字功放额定功率相同，在输出逐渐衰减的电流时，则出现功率相对较大的数字功放用来输出相对较小的电流，由于驱动电路输出的电流差异较大，将导致输出电流无法准确按照预设的消磁参数进行消磁，影响消磁效果，尤其在极弱磁领域对消磁的效果影响很大。

为进一步解决驱动电路的输出电流不准确的问题，多个数字功放采用并联形式进行输出。本实施例中，随着驱动电路输出电流的减小(依据电流衰减函数)，驱动电路的母线电压跟随减小(依次选择相应输出功率的数字功放)，即大电流时采用母线电压大的数字功放进行输出，小电流时采用母线电压小的进行输出，保证数字功放在一个合适的占空比(占空比处于使得输出电流不失真的区间)下进行输出，保证输出波形的平滑性和稳定性，本实施例中占空比的区间是15％～85％。本实施例中通过驱动电路的输出电流准确按照预设的消磁参数进行消磁，提高了消磁的效果，从而降低了地磁屏蔽房的空间剩磁以及剩余磁场的梯度。

为进一步解释说明地磁屏蔽房的驱动电路，参见图1，将地磁屏蔽房的驱动电路应用于如图1所示的数字程控的消磁机，如图所示，数字电源1为驱动电路供电，驱动电路包括控制单元3和并联有多路的功放电路，功放电路由数字功放组2、隔离变压器组5和电子开关组8组成。同一功放电路中，例如第一功放电路包括数字功放21、隔离变压器51和电子开关81。其中：

数字电源1通过220V交流电压供电为数字功放组2中各个数字功放提供电能。数字功放组2包括N个数字功放21～2N。可以理解，N为大于等于2的自然数。数字功放组2中每一个数字功放的输入电压采用数字电源1供电，便于对数字功放的母线电压进行自适应控制。

隔离变压器组5，同一功放电路中，数字功放和电子开关之间串接有隔离变压器。从电源至消磁线圈之间、数字功放、隔离变压器和电子开关依次串接。隔离变压器组5包括N个隔离变压器51～5N，N为大于等于2的自然数。隔离变压器对同一功放电路的的输出进行隔直处理。

电子开关组8，包括N个电子开关81～8N，各功放电路的电子开关均为双断型电子开关。同一功放电路中，双断型电子开关即同时断开隔离变压器副边的两端，以保证驱动电路输出电流的准确度。进一步地，控制单元3在调节各电子开关的通断状态时采用过零切换或软切换，保证在切换过程中无电流畸变。具体地，在第m个波形的电流过零点进行无缝切换，使得输出波形在全程范围内均具有较低的电流畸变率。

可以理解，控制单元3同时对数字功放组2和电子开关组8进行调节的依据是预设的消磁参数，控制单元3根据预设的消磁参数使用不同输出功率的数字功放，根据各数字功放的切换时刻将驱动电路的输出电流分为多段，各切换时刻下利用电子开关进行功放电路的切换。过零切换即切换时刻下电流值过零点，m为驱动电路的输出电流的波形自起始时刻至各切换时刻的次序数，由于电子开关组发生多次切换，所以m的可取数值有为多个。

在一个实施例中，控制单元3对数字功放组2的控制方式采用PWM控制，包括PWM电流滞环控制和/或SPWM正弦脉冲宽度调制。具体地，在驱动电路输出电流的不同范围内，采用不同PWM控制方式。其中，输出电流在100A～30A的闭区间内，采用PWM电流滞环控制(PWM电流变环宽跟踪控制)；输出电流小于30A时，采用SPWM正弦脉冲宽度调制。

进一步地，同时采用PWM电流滞环控制和SPWM综合控制方式进行智能控制，PWM电流滞环控制器可准确控制负载电流，在高电流输出时有较低的电流畸变率；SPWM控制属于定频控制，在低电流输出时有较低的电流畸变率。本实施例利用两种控制方式的不同场景，在高电流输出时采用采用电流滞环控制，低电流输出时采用SPWM方式输出，进一步提高了驱动电路输出的准确度。

为实现控制单元3对电子开关组8的控制，驱动电路还包括分别采集各功放电路输出电流的采样电路(图1未示出)。各采样电路耦接至控制单元3，各采样电路的采样结果供控制单元相应控制各功放电路，各采样电路的量程与相应功放电路的额定功率相适配。

可以理解，采样电路通过检测各个电子开关的电流值作为采样结果，采样结果供控制单元3控制各电子开关的通断以及各数字功放的输出。由于驱动电路输出的电流变化范围较宽，采样电路采用多重电流采样的控制方案，确保输出电流较小时的电流分辨率以及控制单元3的控制精度。

为实现10mA～100A范围内准确测量，采样电路划分为多组，例如可以划分为四组。采样电路采用0.1Ω康铜丝进行采样，并设置如下电流信号采样调理电路：

第1组100A～10A(前开后闭区间)：信号调理电路比例系数K＝0.2；

第2组10A～1A(前开后闭区间)：信号调理电路比例系数K＝2；

第3组1A～0.1A(前开后闭区间)：信号调理电路比例系数K＝20；

第4组0.1A～0A(前开后闭区间)：信号调理电路比例系数K＝200。

本实施例中电流采样芯片为具体ADS7656,采样速率可高达250kSPS，通过内嵌于控制单元3中数字信号处理器DSP同时采样4组电流信号。可以理解，在每一数字功放对应的功放电路中，均布置有四组电流采样电路，当检测到电流峰值小于当前电流采样组的电流区间下限时，在下一个电流过零点自动切换使用更低电流级别对应的采样电路组别。进一步地，为简化电路器件，采样电路的量级和实际使用数字功放的输出功率相适配，每一功放电路仅采用实际输出电流量程下的采样电路；例如数字功放21实际输出电流的区间在100A～10A之间，即仅需布置第1组采样电路。

进一步地，当数字功放的个数N取4时，不同量程的四组采样电路分别针对量程相应的功放电路进行电流采样。

在一个实施例中，控制单元3包括数据板卡6和低频滤波器7，各采样电路耦接数据板卡6以发送采样结果，低频滤波器7接收数据板卡6输出的模拟控制信号，低频滤波器7与数字功放组2中的各数字功放耦接。具体地，控制单元3为CPU控制单元，数据板卡6上内嵌有作为处理器芯片的DSP数字信号处理器，该处理器用于接收采样电流信号并进行运算、以实现对数字功放和电子开关的调节。数据板卡6将DSP数字信号处理器的数字量输出转化为模拟量(DA转换)输出，低频滤波器7滤除数据板卡6进行DA转换的台阶输出，各数字功放接收滤除台阶输出后的信号、以调整各数字功放的的输出功率。

控制单元3还包括与数据板卡6通信连接(实时通信)的上位机4，上位机4通过数据板卡6实时收到驱动电路输出的电压值和电流值，并实时显示在上位机4的监控界面。上位机4产生消磁信号且波形可调，例如上位机4采用编程灵活、操作便捷的Labview上位机产生波形可调的消磁信号。数据板卡6接收上位机4下发的输出波形作为预定的消磁参数，按照输出电流的大小，数据板卡6通过DSP处理芯片选择对应额定功率的数字功放进行输出。

控制单元3的工作流程如下：(1)上位机4通过人工设定的参数产生预设的消磁参数，例如正弦交流信号，该预设的消磁参数通过数据输出板卡6将数据板卡输出的数字量转换成±10V范围内的模拟电压信号输出；(2)数据板卡6产生的电压输出信号通过低通滤波器7滤除数模转换过程中产生的台阶信号及高频噪声；(3)低通滤波器7输出的电压信号作为功率放大器的输入信号，控制功率放大器产生等比放大的电流信号；(4)功率放大器的输出电流信号通过隔直电路(隔离变压器组5及其外围电子器件)去除直流偏置。

具体地，LabView上位机可以任意改变消磁信号的参数，如信号的频率、信号的最大幅值、信号的总时长、信号衰减所依据的函数等；信号衰减所依据的函数可以是线性衰减函数、指数衰减函数、或其他衰减函数。

本申请一实施例中还提供一种地磁屏蔽房的消磁装置，包括如本申请各实施例所述的驱动电路、以及受控于驱动电路的消磁线圈。消磁线圈缠绕布置于地磁屏蔽房内外表面。本实施例中，地磁屏蔽房的驱动电路还包括两个接线端，两个接线端与消磁线圈的输入和输出端对应连接，将消磁电流通入消磁线圈中为消磁线圈供电，完成对于地磁屏蔽房的消磁工作。驱动电路产生的最大消磁电流，在通过消磁线圈后，能产生大于使得屏蔽房所采用的软磁材料达到磁饱和所需的磁场大小。

本申请一实施例中还提供一种地磁屏蔽房系统，包括地磁屏蔽房、以及上一实施例中所述的消磁装置，其中消磁装置中的消磁线圈布置在地磁屏蔽房的外周。可以理解，由于地磁屏蔽房具有用于磁场屏蔽的特殊性质，因此地磁屏蔽房的外周实际指代的是磁场屏蔽空间区域的外周，而非字面意义上的外围。也就是说，本申请各实施例中所述的地磁屏蔽房的外周包括地磁屏蔽房的墙体、以及墙体的内外表面。

具体地，消磁方法的操作流程如下：(1)将消磁线圈按本申请各实施例的消磁装置布置，地磁屏蔽房包括多个屏蔽层，各个屏蔽层的内外表面分别安装好消磁线圈，消磁线圈具有和驱动电路连接的两个接线端；(2)依次连接上位机4、数据板卡6、低通滤波器7、数字功放、隔直电路，通过接线端子将驱动电路的电流接入消磁线圈中；(3)配置LabView参数并启动上位机程序，依据屏蔽房的软磁材料特性设置消磁参数；(4)消磁结束后，断开消磁线圈与驱动电路的接线端子的连接，关闭上位机4的程序及各级电源。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.地磁屏蔽房的驱动电路，用于为消磁线圈供电，其特征在于，所述驱动电路包括：

功放电路，所述功放电路为并联的多路，各路均包括串接于电源和所述消磁线圈之间的功放单元和电子开关；

控制单元，所述控制单元分别耦接于各功放单元和各电子开关、用于调节各功放电路的输出以及控制各电子开关。

2.根据权利要求1所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，所述功放单元为数字功放，且至少有两个数字功放的额定功率互不相同。

3.根据权利要求2所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，各数字功放的额定功率均不相同。

4.根据权利要求1所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括分别采集各功放电路输出电流的采样电路；

各采样电路耦接至所述控制单元，各采样电路的采样结果供所述控制单元相应控制各功放电路；

各采样电路的量程与相应功放电路的额定功率相适配。

5.根据权利要求1所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，各功放电路的电子开关均为双断型电子开关。

6.根据权利要求1所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，同一功放电路中，数字功放和电子开关之间串接有隔离变压器；

从电源至所述消磁线圈之间、数字功放、隔离变压器和电子开关依次串接。

7.根据权利要求2所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，所述控制单元包括：

数据板卡，各采样电路耦接所述数据板卡以发送采样结果；

低频滤波器，所述低频滤波器接收所述数据板卡输出的模拟控制信号，所述低频滤波器与各所述数字功放耦接。

8.根据权利要求7所述的地磁屏蔽房的驱动电路，其特征在于，所述控制单元还包括与所述数据板卡通信连接的上位机。

9.地磁屏蔽房的消磁装置，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的驱动电路、以及受控于所述驱动电路的消磁线圈。

10.地磁屏蔽房系统，其特征在于，包括地磁屏蔽房、以及权利要求9所述的消磁装置，其中所述消磁装置中的消磁线圈布置在所述地磁屏蔽房的外周。

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