一种复合式环境干扰磁场屏蔽系统的制作方法

本发明属于电磁场领域，具体涉及一种复合式环境干扰磁场屏蔽系统。

背景技术：

环境干扰磁场主要指由地磁、汽车、地铁、火车、电梯、电机、变压器等磁性物体产生的干扰磁场，以及电力线缆产生的50hz/60hz工频磁场及工频谐波干扰磁场。

对于超导量子磁力仪(squid)、感应式磁力仪、碱金属原子serf磁力仪等具备超高灵敏度的磁力仪研制和测试，需要极高磁屏蔽系数的磁屏装置来产生极弱的磁场环境，但是受制于当前磁屏蔽室水平，上述超磁力仪当前实际灵敏度测试指标还与理论指标水平有较大差距。

脑磁图对脑部损伤的定位诊断比脑电图更为准确，不受颅骨的影响，图像清晰易辨，对脑部疾病是一种崭新的诊疗手段，为了降低环境磁场对诊断的影响，制作脑磁图过程中需环境磁场具有极低的剩磁和噪声，这要求磁场屏蔽装置对环境干扰磁场有极高的屏蔽能力。

在中子电偶极矩和质子电偶极矩的测量、极化气体的核自旋共振研究、磁性纳米颗粒表征、低场核磁共振等方面也需要极低剩磁和极低磁场噪声环境这一极端物理条件。

但是传统的基于多层硅钢片和坡莫合金等导磁材料的磁屏蔽室内部剩磁一般为几十纳特，而且在低频段屏蔽系数较低，磁场噪声较大，总体建设成本非常高，总体指标难以满足上述要求。主动磁屏蔽系统虽然成本较低，在低频段具有非常好的屏蔽系数，与屏蔽室形成互补，但是只能屏蔽空间域上均匀的干扰磁场，无法解决非均匀的杂散干扰磁场。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种复合式环境干扰磁场屏蔽系统，能够解决非均匀的杂散干扰磁场，提升屏蔽效能。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种复合式环境干扰磁场屏蔽系统，包括基于多层导磁材料的磁屏蔽室、波动磁场主动补偿装置和地磁主动补偿装置；

所述波动磁场主动补偿装置安装于基于多层导磁材料的磁屏蔽室外侧，所述地磁主动补偿装置安装于基于多层导磁材料的磁屏蔽室外侧，且与波动磁场主动补偿装置共用线圈骨架；

所述波动磁场主动补偿装置输出与环境干扰磁场中的波动磁场大小相等方向相反的补偿磁场，所述地磁主动补偿装置用于补偿地磁场。

进一步地，所述基于多层导磁材料的磁屏蔽室包括主体框架、磁屏蔽板、消磁线缆及消磁电源；

所述主体框架为多层结构，所述磁屏蔽板安装在主体框架上，消磁线缆穿过磁屏蔽板绕制在磁屏蔽板表面，消磁电源与消磁线缆电连接。

进一步地，所述波动磁场主动补偿装置包括三轴补偿线圈、三个单轴低噪声矢量磁传感器及磁场补偿控制器；

三轴补偿线圈的中心轴线相互垂直，且磁场均匀区中心点重叠，三轴补偿线圈的三个磁轴分别与磁屏蔽室前后墙面、左右墙面和上下墙面垂直；三个单轴低噪声矢量磁传感器分别测量环境磁场在三轴方向的磁场分量，传递给磁场补偿控制器，从而控制三轴补偿线圈所产出的磁场大小。

进一步地，所述磁场补偿控制器包括程控高精度基准电压设置模块、pi反馈控制模块及电压电流转换模块，程控高精度基准电压设置模块内预置电压，使目标磁场与环境磁场磁感应强度一致，单轴低噪矢量磁传感器监测采集到环境磁场在三轴方向的磁场分量后，传递给pi反馈控制模块，经电压电流转换模块转换后传出；

以x方向为例，各模块参数满足下式：

t1t2k1k2kswki-(t1+t2)(k1k2kswkp+1)<0

k1k2kswki＞0

式中：t1表示电压电流转换时间常数，k1表示电压电流转换系数，t2表示低噪矢量磁传感器时间常数，k2表示低噪矢量磁传感器的磁电转换系数，ksw表示x轴补偿线圈常数，kp表示pi反馈控制模块的比例系数，ki表示pi反馈控制模块的积分系数。

进一步地，所述地磁主动补偿装置包括三轴地磁补偿线圈及三通道恒流源；

所述三轴地磁补偿线圈绕制在线圈骨架上，三通道恒流源分别为三轴地磁补偿线圈供电。

有益效果：

本发明采用基于多层导磁材料的磁屏蔽室、波动磁场主动补偿装置和地磁主动补偿装置优化组合的方式对环境干扰磁场进行屏蔽，在磁屏蔽室的基础上，增加波动磁场主动补偿装置提高低频磁场的屏蔽系数，增加地磁主动补偿装置降低屏蔽室内剩磁，提高屏蔽效能，可同时对三个分量的环境干扰磁场实施10⁷@1hz量级屏蔽系数的干扰磁场屏蔽，实现nt量级极低剩磁和亚ft/hz^0.5@1hz级的极低噪声磁场环境。

该系统不但可以屏蔽非均匀的杂散干扰磁场，还可以屏蔽均匀干扰磁场，在dc～10khz全频段均具有良好的屏蔽系数和剩磁，而且具有使用方便、效费比高等优点。

附图说明

图1为磁屏蔽室总体结构示意图；

图2为磁屏蔽室主框架示意图；

图3为波动磁场主动补偿装置的三轴补偿线圈结构框图；

图4为波动磁场主动补偿装置原理框图；

其中，1-磁屏蔽室，2-磁屏蔽门，3-单轴低噪声矢量磁传感器，4-磁场补偿控制器，5-z轴补偿线圈，6-y轴补偿线圈，7-x轴补偿线圈。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种复合式环境干扰磁场屏蔽系统，包括基于多层导磁材料的磁屏蔽室1、波动磁场主动补偿装置和地磁主动补偿装置。

如图1所示，基于多层导磁材料的磁屏蔽室1包括主体框架、磁屏蔽板、消磁线缆及消磁电源。磁屏蔽室1上设有供操作人员进出的磁屏蔽门2，以开门方向为x方向，即x方向与门所在墙壁垂直。

主体框架为多层结构，采用三层铝合金骨架作为屏蔽室的主体支撑，包括外层铝合金骨架、中层铝合金骨架及内层铝合金骨架。铝合金骨架是低磁材料，不但不影响静态磁场空间分布，还有一定的屏蔽交流磁场干扰的能力，主体框架由铝合金型材网格排列并安装牢靠，如图2所示。

磁屏蔽板采用硅钢片、坡莫合金和铝板组合而成，硅钢片和坡莫合金主要屏蔽磁场，铝板用于屏蔽射频电磁场。采用总厚度为12mm的8层硅钢片通过焊接或粘贴工艺安装在主体框架外层铝合金骨架上，采用总厚度为6mm的3层坡莫合金屏蔽材料层通过焊接或粘贴工艺安装在中层铝合金骨架上并与硅钢片层保持10mm间距，采用厚度8mm铝板安装在内层铝合金骨架上。铝板幅面为1m×2m和0.5m×1m的规格，三种磁屏蔽层均采用模块化组装方式安装在主体框架上，每一面均为多块结构粘接而成，便于装配。

消磁线缆穿过磁屏蔽板绕制在磁屏蔽板表面，在完成磁屏蔽板安装后预埋，为了保持磁屏蔽室1性能，每隔一段时间(1～2年)需要进行一次消磁处理，消磁电源与消磁线缆电连接。

如图3所示，波动磁场主动补偿装置包括三轴补偿线圈、三个单轴低噪声矢量磁传感器3及磁场补偿控制器4。共三个补偿通道，每个通道按照设定磁场进行实时负反馈控制，输出与环境干扰磁场中的波动磁场大小相等方向相反的补偿磁场。

波动磁场主动补偿装置的三轴补偿线圈包括x轴补偿线圈7、y轴补偿线圈6和z轴补偿线圈5，均采用矩形组合线圈，按(1)式计算中心点的线圈常数。

式中：w表示匝数，a表示矩形线圈半长，b表示矩形线圈半宽，d表示两个矩形线圈的间距，μ0为真空磁导率。

波动磁场主动补偿装置的xyz三轴补偿线圈的中心轴线相互垂直，磁场均匀区中心点重叠。三轴补偿线圈的骨架通过奥氏体不锈钢、镁铝合金等无磁性材料构件支架相互连接实现。三轴补偿线圈安装于磁屏蔽室1外侧，在前后方向、左右方向及上下方向与屏蔽室外墙等间隔放置，补偿线圈三个磁轴分别与屏蔽室的前后墙面、左右墙面和上下墙面垂直，相对面两个为一组线圈，共三组。

波动磁场主动补偿装置的单轴低噪矢量磁传感器类型包括但不限于磁通门磁传感器、感应式磁传感器、巨磁阻抗磁传感器、磁电阻传感器，三个单轴低噪矢量磁传感器用于实时测量环境总磁场在x、y、z三个方向上的分量，并输出对应的三路模拟电压信号，分别安装在屏蔽室左侧面、后侧面、顶面的中心位置，并使磁敏感轴分别与屏蔽室左侧面、后侧面、顶面相垂直。

磁场补偿控制器4包括程控高精度基准电压设置模块、pi反馈控制模块及电压电流转换模块。

上述波动补偿装置在三个方向独立工作，为了使波动磁场主动补偿装置工作稳定，各功能模块参数还应满足如下条件，以x方向为例：

t1t2k1k2kswki-(t1+t2)(k1k2kswkp+1)<0(2)

k1k2kswki＞0(3)

式中：t1表示电压电流转换时间常数，k1表示电压电流转换系数，t2表示低噪矢量磁传感器时间常数，k2表示低噪矢量磁传感器的磁电转换系数，ksw表示x轴补偿线圈常数，kp表示pi反馈控制模块的比例系数，ki表示pi反馈控制模块的积分系数。

波动磁场主动补偿装置还包括上位机显控软件，根据需要稳定的目标磁场值br计算出目标电压ur，然后通过串口对磁场补偿控制器4内程控高精度基准电压设置模块进行预置，使目标磁场与环境磁场磁感应强度一致，ur＝kbr+uo，式中，k和u0为转换参数，通过最小二乘估计得到。

如图4所示，单轴低噪矢量磁传感器监测采集到环境磁场在三轴方向的磁场分量后，传递给pi反馈控制模块，经电压电流转换模块转换后传出，用于控制三轴补偿线圈所产出的磁场大小，同时传递给上位机显控软件接收，上位机显控软件根据需要实时绘制磁场数值曲线并保存磁场数据到运行的计算机上。

地磁主动补偿装置用于补偿地磁场，由三轴地磁补偿线圈、三通道高稳定度恒流源构成，三轴地磁补偿线圈与波动磁场主动补偿装置的三轴补偿线圈共用一套线圈骨架，即具有相同的线圈类型并安装于屏蔽室外侧，只是需要独立设置线圈绕组。为了使屏蔽室剩磁降到最低，三通道高稳定度恒流源输出的三路电流应满足关系式(4)：

式中，ix、iy、iz依次表示x轴、y轴、z轴方向的地磁补偿电流，bgx、bgy、bgz依次表示x轴、y轴、z轴方向的地磁分量，kx、ky、kz依次表示x轴、y轴、z轴方向地磁补偿线圈线圈常数。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。