[发明专利]一种精密磁场补偿系统及差分线圈设计方法

说明书

本发明涉及一种精密磁场补偿系统及差分线圈设计方法，包括差分平面线圈设计方法和精密磁场补偿系统，精密磁场补偿系统包括控制器、单片机、数模转换器、压控电流源结构、传感器、信号调理电路和模数转换器，以及组合平面线圈；通过本发明可以在弱磁场测量时，针对外界环境磁场的波动，能提供精密磁场补偿，补偿精度为1纳特。

技术领域

本发明涉及磁补偿控制领域，具体而言，涉及一种精密磁场补偿系统及组合差分平面线圈设计方法。

背景技术

磁补偿技术在惯性作用测量、弱磁场测量等领域具有非常广泛的应用，特别是在现代医学中对于大脑内部磁场的测量具有非常大的应用价值。在众多的这些应用中，针对在弱磁场检测时，遇到外部环境的干扰，导致测量准确性不足等问题，需要提供一种精密磁的场补偿系统，这种磁场补偿系统精密补偿性的驱动点在于系统中的内部磁补偿线圈。

一般来说，内部磁补偿线圈设计方法可以根据设计原理分为正向方法和逆向方法。在线圈的正向设计方法中，通过一些具有规则几何形状的单元模块，通过解析的方法求出其磁场值，再对结构参数进行优化从而获得最佳的线圈性能。例如亥姆霍兹线圈，贝克线圈，麦克斯韦线圈等。但正向设计方法设计的线圈均匀区受限于规则的几何形状，而且若同时补偿三个方向的磁场则会影响其线圈正交性，从而带来更多的系统误差。与此同时，在线圈匝数确定的情况下，线圈常数仅仅取决于其形状大小，使得线圈常数难以被优化。

基于目标场法的逆向设计方法就是利用空间连续的面电流产生所需磁场，预先确定平面线圈形状与尺寸，目标区域的磁场分布强度值，以此作为约束条件，反解面电流密度分布，建立对应的平面线圈。

然而在更多的前沿物理实验中对磁屏蔽房内的剩磁、梯度及噪声提出了更高的要求，如在脑磁测量实验中，脑磁信号的幅值在10^-15T,传统的利用逆向设计方法得到的平面线圈不能满足脑磁测量实验对于近零磁环境的要求。根据毕奥—萨伐尔定律，某点磁场与激励电流为线性关系，二者比值称为线圈常数，目前在平面线圈设计的过程中，涉及计算过程中预先设定的平板边长，平面之间的距离，解算系数等都为经验值选取，没有考虑线圈常数这一重要的指标，使其成为限制内补偿线圈控制精度的重要因素，若在相同的电流噪声水平下，更小的线圈常数对着更小的磁噪声，因此需要以线圈的线圈常数作为约束指标来设计平面线圈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，且提供了一种精密磁场补偿系统及基于逆向方法设计，但比现有技术补偿精度提高的组合差分平面线圈设计方法。

本发明提供的一种组合差分平面线圈设计方法，其技术方案如下：

一种组合差分平面线圈设计方法，包括如下步骤：

步骤一、选择两个面板作为第一平面线圈面板和第二平面线圈面板，设定所述第一平面线圈面板和所述第二平面线圈面板形状和尺寸；

步骤二、确定目标区域相对所述第一平面线圈面板和所述第二平面线圈面板位置，并设定所述目标区域的磁场强函数B_set；

步骤三、以所述第一平面线圈面板所在空间区域为定义域，建立电流密度根据电流连续性方程，引出所述电流密度对应的流函数S(x,y)；

步骤四、将所述步骤三的流函数S(x,y)用有限个简单函数线性组合逼近。并将所述有限个简单函数线性组合作为流函数S(x,y)形式表示；

步骤五、求出所述步骤四处理得到的流函数S(x,y)关于两个自变量的偏导数和，并用所述偏导数和表示所述电流密度得到电流密度的形式表示；

步骤六、在所述目标区域中取出若干个场点，根据毕奥—萨伐尔定律，以这些场点对应的磁场强度值组成的列向量为常向量，获得以所述有限个简单函数线性组合的组合系数为未知量的线性方程组；