[发明专利]一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法

说明书

本发明提供了一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法，其中机械臂控制的磁场主动补偿系统，包括线圈，所述线圈安装于一六自由度的机械臂上，所述线圈内安装有用于检测线圈内部的磁场分布的磁场传感器，所述磁场传感器与接收其检测信号得到磁场大小及向量的控制器电性连接，所述线圈上连接有用于驱动其的电流源，所述控制器与由其根据磁场方向控制转动调整线圈位置的机械臂电性连接，所述控制器与由其根据磁场大小控制驱动线圈的电流源电性连接。

技术领域

本发明属于弱磁探测技术领域，具体涉及一种机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法。

背景技术

现有高灵敏度弱磁探测技术主要有基于光学技术的无自旋交换弛豫(SERF)、光泵浦(Optical Pumping)、非线性磁光旋转(NMOR)等方法，主要原理是利用激光来测量极化原子在磁场中的振荡信号或自旋演化信号，进而得到磁场的大小。

基于这些弱磁探测技术的磁力仪在某个给定方向上的磁场中，其灵敏度可以达到最优值，然而随着磁力仪敏感方向与待测对象的磁场角度发生偏差，在敏感方向上的磁场分布均匀性显著下降，导致磁力仪灵敏度会逐渐下降，甚至到某些特定角度灵敏度下降为接近零(即存在一定“死区”)。

前人针对磁力仪本身做了许多改进的研究来减少或消除“死区”效应。例如采用相干布居囚禁(CPT)(文献：Phys.Rev.Lett.105,193601(2010))、多气室或探头(文献：Eur.Phys.J.Appl.Phys.13,143(2001)、Phys.Rev.A 82,013837(2010)等，此方案极易受磁场梯度干扰)、正交偏振态调制法(文献：Phys.Rev.A89,062507(2014))、椭圆偏振探测光技术(文献Phys.Rev.A 101,063408(2020))、光强度调制法(文献：Rev.Sci.Instrum.86,103105(2015))、基于双谐振的单光束探测法(文献：Phys.Rev.Appl.15,024033(2021))等。

当磁力仪应用到具体场景中，特别是将装置放入地磁场中时，由于外磁场的不确定性和变化性，需要采用上述改进的磁力仪，或需要考虑对外磁场的补偿从而减少其对待测对象磁场的干扰。

然而，磁场补偿的主要途径，包括上述文献中涉及的无死区磁力仪研究，都是基于利用导磁材料制作的磁屏蔽，将磁力仪和待测对象(或模拟磁场)放入磁屏蔽当中。此方法虽然能实现较高灵敏度，但依赖于体积庞大、笨重的磁屏蔽，成本较高且在移动的场景应用极其不便。

还有一种补偿方法是采用三维线圈，通过调整三个方向上的不同电流，使得中心均匀区的磁场稳定在某个范围。此种方法简便，但存在的明显问题是，由于外磁场方向的不确定性，要达到均匀的补偿效果，对三个方向上的线圈设计要求非常高。这是因为三个方向线圈的地位是相等的，需要每个方向上的线圈都能产生均匀区较一致的补偿磁场。常用的三维Helmholtz线圈，每个方向具有较一致的均匀区，但每个均匀区较小，不适合需要较大均匀区的场合。

高灵敏度弱磁探测技术在空间探测、地球物理、生物医学、海洋探测等具有重要应用，而目前能移动并用在户外的磁力仪仍会受到“死区”效应的影响(文献：Phys.Rev.Appl.14,011002(2020).)。

因此，需要一种能减少“死区”的影响、减少补偿线圈的复杂性、实现较大的磁场补偿均匀区范围、有效地减少体积与质量、能方便在户外应用的磁场补偿技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种能减少“死区”的影响、减少补偿线圈的复杂性、实现较大的磁场补偿均匀区范围、有效地减少体积与质量、能方便在户外应用的机械臂控制的磁场主动补偿系统及方法。

本发明采用的技术方案是：