[发明专利]一种自动磁场补偿的装置与方法

摘要

本发明公开了一种用于自动磁场补偿的装置，包括用来测量外界环境中磁场值的第一磁阻芯片、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片和第四磁阻芯片，还包括固定单元和支撑单元，还包括用来匀场的三维亥姆霍兹线圈、三维一阶梯度线圈和二阶梯度线圈单元，还包括采集单元、反馈单元和旋转单元。还公开了一种自动补偿磁场的方法。本发明磁场补偿范围大，结构简单，操作方便。适用基于低磁场环境信号探测的物理领域研究和原子磁力计应用，具有重要意义。

主权项

1.一种自动磁场补偿的方法，利用自动磁场补偿的装置，自动磁场补偿的装置包括旋转台(15)，还包括设置在旋转台(15)上的三维亥姆霍兹线圈和三维一阶梯度线圈，旋转台(15)上横向设置有筒状的有机玻璃管(32)，有机玻璃管(32)上绕设有Z2梯度线圈(8)，有机玻璃管(32)内通过支撑杆固定有支撑台(10)，支撑台(10)上设置有位于矩形面的四个顶角的第一磁阻芯片(7)、第二磁阻芯片(9)、第三磁阻芯片(30)和第四磁阻芯片(31)，矩形面与水平面的夹角为45度，三维亥姆霍兹线圈包括X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(4)，三维一阶梯度线圈包括X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)，Z2梯度线圈(8)的中心轴线、有机玻璃管(32)中心轴线、Z轴亥姆霍兹线圈(4)的中心轴线、Z轴一阶梯度线圈(2)的中心轴线重合，Z2梯度线圈(8)中心点、三维亥姆霍兹线圈中心点、三维一阶梯度线圈中心点、有机玻璃管(32)中心点、矩形面中心点重合，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、为X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)分别依次加载设定的各个给定电压，使用第一磁阻芯片(7)分别测试X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)在各个给定电压值对应的磁场值大小，分别拟合X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)的给定电压与磁场的比值关系；为X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)分别依次加载设定的各个给定电流，使用第一磁阻芯片(7)分别测试X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)在各个给定电流值对应的磁场值大小，分别线性拟合X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)的给定电流与磁场的比值关系；为Z2梯度线圈(8)依次加载给定电流，使用第一磁阻芯片(7)测试在各个给定电流条件下对应的磁场值大小，线性拟合Z2梯度线圈(8)的给定电流与磁场的比值关系；步骤2、设定旋转台(15)的旋转速度，X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)、X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)、Z2梯度线圈(8)、第一磁阻芯片(7)、第二磁阻芯片(9)、第三磁阻芯片(30)、第四磁阻芯片(31)均随着旋转台(15)在水平面内旋转；步骤3、初始化目标磁场值B₀矩阵，目标磁场值B₀矩阵为一个1×12的矩阵；步骤4、使用第一磁阻芯片(7)、第二磁阻芯片(9)、第三磁阻芯片(30)、第四磁阻芯片(31)测得磁场值B_n，n代表测量的次数，获得测量磁场值B_n矩阵，测量磁场值B_n矩阵为一个1×12矩阵，测量磁场值B_n矩阵中的元素从上到下分别对应第一磁阻芯片(7)测得X轴向、Y轴向、Z轴向的磁场值，第二磁阻芯片(9)测得X轴向、Y轴向、Z轴向的磁场值，第三磁阻芯片(30)测得X轴向、Y轴向、Z轴向的磁场值，以及第四磁阻芯片(31)测得X轴向、Y轴向、Z轴向磁场值；步骤5、判断目标磁场值B₀矩阵减去测量磁场值B_n矩阵后的差值矩阵e_n的模值是否在误差范围内，若在误差范围，则转到步骤8；若不在误差范围，则转到步骤6；步骤6、将差值矩阵e_n进行PID运算获得输出矩阵P_n，输出矩阵P_n为1×12矩阵；步骤7、将输出矩阵P_n、X轴亥姆霍兹线圈(5)的给定电压与磁场的比值关系、Y轴亥姆霍兹线圈(6)的给定电压与磁场的比值关系、Z轴亥姆霍兹线圈(4)的给定电压与磁场的比值关系、X轴一阶梯度线圈(1)的给定电流与磁场的比值关系、Y轴一阶梯度线圈(3)的给定电流与磁场的比值关系、Z轴一阶梯度线圈(2)的给定电流与磁场的比值关系、Z2梯度线圈(8)的给定电流与磁场的比值关系，输入到Matlab中的linprog函数中，使用基于线性规划的L1范数规划求解min∑V_i×w_i+I_j×N_j最小化优化问题，获得优化矩阵，优化矩阵中的前三个元素分别对应于X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)中的优化加载电压，优化矩阵中的后四个元素分别对应于X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)、Z2梯度线圈(8)中的优化加载电流，转到步骤4，其中，i∈{1、2、3}，j∈{1、2、3、4}，w₁、w₂、w₃分别表示X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)的电压权重；V₁、V₂、V₃分别表示X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)、Z轴亥姆霍兹线圈(4)的加载电压；N₁、N₂、N₃、N₄分别表示X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)、Z2梯度线圈(8)的电流权重，I₁、I₂、I₃、I₄分别表示X轴一阶梯度线圈(1)、Y轴一阶梯度线圈(3)、Z轴一阶梯度线圈(2)、Z2梯度线圈(8)的加载电流，linprog函数的约束条件为:10^‑3V≤|V_i|≤10V；10^‑6A≤|I_j|≤2×10^‑2A；磁场误差△B＝|B_n‑B₀|≤10nT；磁场均匀度小于等于10^‑3。