一种自动磁场补偿的装置与方法与流程

本发明属于磁场匀场领域，更具体涉及一种自动磁场补偿的装置，还涉及一种自动磁场补偿的方法，适用于低磁场环境的相关科学研究。

背景技术：

磁场是客观存在的，例如，地球表面的磁场大约为0.5高斯，地理位置和环境的不同，它的大小与方向会发生改变。

现在很多的科学研究需要在低磁场或者近零磁场环境中进行，比如SERF(spin-exchange-relaxation-free)原子磁力计，当它的探头处于10nT环境下才能有效工作，因此，它需要使用多层坡莫合金等材料来屏蔽外界环境中的磁场。

坡莫合金制作的屏蔽筒，在体积、重量、结构上，限制了原子磁力计的应用范围。例如卫星或者飞行器对于水下异磁的探测、地磁场的探测、深空中磁场的探测等，这就需要一种主动屏蔽外界无用磁场、获取外界有用磁信号的装置。

近几年已经发展了一些自动补偿磁场与测量磁场的方法。例如，S.J.Seltzer等人在“Unshielded three-axis vector operation of a spin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer”[Appl.Phys.Lett.85(20),4804(2004).]中提出可以通过磁场调制的方式来补偿磁场，使得中心区域达到近零场。Jiancheng Fang等人在“In situ triaxial magnetic field compensation for the spin-exchange-relaxation-free atomic magnetometer”[Rev.Sci.Instrum.83,103104(2012).]中提出了可以通过扫场，最后探测光强的方式来补偿磁场。

尽管目前磁场补偿方式能够解决应用方面的一些问题。但是它们还是具有一定的局限性。例如，通过调制的方式补偿磁场，这要求该磁力计探头工作环境的磁场小于10nT。因此，发展新的技术与方法仍然是亟待解决的问题，本发明将针对此问题，提供自动补偿磁场的装置与方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供了一种自动磁场补偿的装置，还提出了一种自动磁场补偿的方法。解决了磁场补偿范围小的问题，还解决原子磁力计小型化的问题。

为了实现上述目的，本发明装置采用以下技术方案：

一种自动磁场补偿的装置，包括旋转台，还包括设置在旋转台上的三维亥姆霍兹线圈和三维一阶梯度线圈，旋转台上横向设置有筒状的有机玻璃管，有机玻璃管上绕设有Z2梯度线圈，有机玻璃管内通过支撑杆固定有支撑台，支撑台上设置有位于矩形面的四个顶角的第一磁阻芯片、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片和第四磁阻芯片，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、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈，三维一阶梯度线圈包括X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈，Z2梯度线圈的中心轴线、有机玻璃管中心轴线、Z轴亥姆霍兹线圈的中心轴线、Z轴一阶梯度线圈的中心轴线重合，Z2梯度线圈中心点、三维亥姆霍兹线圈中心点、三维一阶梯度线圈中心点、有机玻璃管中心点、矩形面中心点重合。

还包括用于对第一磁阻芯片、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片和第四磁阻芯片输出的信号进行差分放大的差分放大电路，差分放大电路通过第一多通道控制卡与计算机连接，计算机与第二多通道控制卡连接，第二多通道控制卡与X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈、Z2梯度线圈连接，第二多通道控制卡还通过功放电路分别与X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈和Z轴亥姆霍兹线圈连接。

如上所述的旋转台上设置有矩形放置块，矩形放置块上开设有条形放置槽，条形放置槽的横切面为倒三角形，有机玻璃管放置在条形放置槽内。

如上所述的X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈均包括共中心轴线的一对线圈，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈的中心点重合，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈的中心轴线相互垂直，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈的外径相等，X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈之间通过亚克力塑料支架以及塑料螺钉进行相互固定。

如上所述的X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈均包括共中心轴线的一对线圈，X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈的中心点重合，X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈的中心轴线相互垂直，X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈的外径相等，X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈的每对线圈的距离D与外径d比例均为0.886，X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈之间通过亚克力塑料支架与塑料螺钉进行固定。

如上所述的Z2梯度线圈包括第一环形线圈对和第二环形线圈对，第一环形线圈对的两个环形线圈的距离与外径比例为1.2，第二环形线圈对的两个环形线圈的距离与外径比例为0.3，第一环形线圈对和第二环形线圈对的中心轴线、有机玻璃管中心轴线重合。

如上所述的第一环形线圈对和第二环形线圈对均设置在有机玻璃管外壁的线槽中。

一种自动磁场补偿的方法，包括以下步骤：

步骤1、为X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈分别依次加载设定的各个给定电压，使用第一磁阻芯片分别测试X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈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、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈的给定电压与磁场的比值关系；

为X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈分别依次加载设定的各个给定电流，使用第一磁阻芯片分别测试X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈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、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈的给定电流与磁场的比值关系；

为Z2梯度线圈依次加载给定电流，使用第一磁阻芯片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梯度线圈的给定电流与磁场的比值关系；

步骤2、设定旋转台的旋转速度，X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈、X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈、Z2梯度线圈、第一磁阻芯片、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片、第四磁阻芯片均随着旋转台在水平面内旋转；

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、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片、第四磁阻芯片测得磁场值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测得X轴向、Y轴向、Z轴向的磁场值，第二磁阻芯片测得X轴向、Y轴向、Z轴向的磁场值，第三磁阻芯片测得X轴向、Y轴向、Z轴向的磁场值，以及第四磁阻芯片测得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轴亥姆霍兹线圈的给定电压与磁场的比值关系、Y轴亥姆霍兹线圈的给定电压与磁场的比值关系、Z轴亥姆霍兹线圈的给定电压与磁场的比值关系、X轴一阶梯度线圈的给定电流与磁场的比值关系、Y轴一阶梯度线圈的给定电流与磁场的比值关系、Z轴一阶梯度线圈的给定电流与磁场的比值关系、Z2梯度线圈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、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈中的优化加载电压，优化矩阵中的后四个元素分别对应于X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈、Z2梯度线圈中的优化加载电流，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、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈的电压权重；V₁、V₂、V₃分别表示X轴亥姆霍兹线圈、Y轴亥姆霍兹线圈、Z轴亥姆霍兹线圈的加载电压；N₁、N₂、N₃、N₄分别表示X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈、Z2梯度线圈的电流权重，I₁、I₂、I₃、I₄分别表示X轴一阶梯度线圈、Y轴一阶梯度线圈、Z轴一阶梯度线圈、Z2梯度线圈的加载电流，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。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

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。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2本发明磁场补偿的程序流程图；

图3是矩形放置块与有机玻璃管连接部分的主视图；

图4是矩形放置块与有机玻璃管连接部分的左视图；

图5是矩形放置块与有机玻璃管连接部分的右视图；

图中：1-X轴一阶梯度线圈；2-Z轴一阶梯度线圈；3-Y轴一阶梯度线圈；4-Z轴亥姆霍兹线圈；5-X轴亥姆霍兹线圈；6-Y轴亥姆霍兹线圈；7-第一磁阻芯片；8-Z2梯度线圈；9-第二磁阻芯片；10-支撑台；11-矩形放置块；12-第一固定杆；13-第二固定杆；14-第三固定杆；15-旋转台；16-计算机；17-第一数据线；18-第一多通道控制卡；19-第二数据线；20-差分放大电路；21-第三数据线；22-第四数据线；23-第五数据线；24-功放电路；25-第六数据线；26-第二多通道控制卡；27-第七数据线；28-第一PCB板；29-第二PCB板；30-第三磁阻芯片；31-第四磁阻芯片；32-有机玻璃管；33-支持杆；34-第四固定杆；35-第五固定杆；36-第六固定杆；37-第七固定杆；38-第八固定杆；39-接线盒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

一种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。

一种自动磁场补偿的装置，还包括用于对第一磁阻芯片7、第二磁阻芯片9、第三磁阻芯片30和第四磁阻芯片31输出的信号进行差分放大的差分放大电路20，差分放大电路20通过第一多通道控制卡18与计算机16连接，计算机16与第二多通道控制卡26连接，第二多通道控制卡26与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连接，第二多通道控制卡26还通过功放电路24分别与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连接。X轴、Y轴、Z轴相互垂直，X轴、Z轴所在平面为水平面。

旋转台15上设置有矩形放置块11，矩形放置块11上开设有条形放置槽，条形放置槽的横切面为倒三角形，有机玻璃管32放置在条形放置槽内。

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均包括共中心轴线的一对线圈，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的中心点重合，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的中心轴线相互垂直，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的外径相等，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之间通过亚克力塑料支架以及塑料螺钉进行相互固定。

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均包括共中心轴线的一对线圈，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的中心点重合，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的中心轴线相互垂直，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的外径相等，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的每对线圈的距离D与外径d比例均为0.886，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之间通过亚克力塑料支架与塑料螺钉进行固定。

Z2梯度线圈8包括第一环形线圈对和第二环形线圈对，第一环形线圈对的两个环形线圈的距离与外径比例为1.2，第二环形线圈对的两个环形线圈的距离与外径比例为0.3，第一环形线圈对和第二环形线圈对的中心轴线、有机玻璃管32中心轴线重合。

第一环形线圈对和第二环形线圈对均设置在有机玻璃管32外壁的线槽中。

实施例2：

一种用于自动磁场补偿的装置，包括固定单元，支撑单元，三维亥姆霍兹线圈，三维一阶梯度线圈，二阶梯度线圈单元、采集单元，反馈单元，旋转单元。

固定单元包括矩形放置块11、第一固定杆12、第二固定杆13、第三固定杆14、第四固定杆34、第五固定杆35、第六固定杆36、第七固定杆37、第八固定杆38，矩形放置块11整体为矩形，固定在支撑杆33上，矩形放置块11的顶面设置有长条形的放置槽，放置槽的横切面为倒三角形，有机玻璃管32放置在矩形放置块11上的放置槽上，在旋转台15上直径为100mm圆上呈对称分布第一固定杆12、第二固定杆13、第四固定杆34和第五固定杆35，Y轴亥姆霍兹线圈6通过第二固定杆13和第四固定杆34支撑在固定旋转台15上，有机玻璃管32通过第一固定杆12和第五固定杆35支撑在固定旋转台15上，在旋转台15上直径为300mm圆上呈相同对称方式分布的第三固定杆14、第六固定杆36、第七固定杆37、第八固定杆38，第三固定杆14、第六固定杆36、第七固定杆37、第八固定杆38的底端与旋转台15连接，第三固定杆14、第六固定杆36、第七固定杆37、第八固定杆38的顶端与Y轴一阶梯度线圈3连接。

支撑单元包括用于放置第一PCB板28、第二PCB板29的支撑台10，以及圆柱形支撑杆33，支撑台10的长×宽×高为40×40×10mm³的矩形块，支撑台10上端面的中心点位于三维亥姆霍兹线圈中心点正下方10mm处，第一PCB板28与第二PCB板29的通过使用塑料螺钉固定在支撑台10两端，圆柱形支撑杆33的两端分别通过螺纹连接支撑台10与旋转台15。

信号采集单元包括用于测环境中磁场第一磁阻芯片7、第二磁阻芯片9、第三磁阻芯片30、第四磁阻芯片31，用于传输第一磁阻芯片7、第二磁阻芯片9、第三磁阻芯片30、第四磁阻芯片31输出的磁信号的第一PCB板28、第二PCB板29，第一磁阻芯片7和第二磁阻芯片9焊接在第一PCB板28上，第三磁阻芯片30和第四磁阻芯片31焊接在第二PCB板29上，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呈矩形分布且所在平面与水平面呈45度角，第一PCB板28、第二PCB板29的长×宽均为40×40mm，第一PCB板28的中心点与第二PCB板29中心点的连线与Z轴亥姆霍兹线圈4的轴线重合，连线的中心点与三维亥姆霍兹线圈的中心点重合。

信号采集单元还包括差分放大电路20和第一多通道控制集卡18，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采集的磁信号分别通过第三数据线21与差分放大电路20连接，差分放大电路20通过第二数据线19与第一多通道控制集卡18连接，第一多通道控制集卡18通过第一数据线17与计算机16连接。

信号反馈单元还包括第二多通道控制卡26、功放电路24，功放电路24将第二多通道控制卡26的输出电压作用于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，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分别通过第四数据线22与第二多通道控制卡26连接，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分别通过第五数据线23与功放电路24连接，功放电路24通过第六数据线25与第二多通道控制卡26连接，第二多通道控制卡26通过第七数据线27与计算机16连接。

X轴、Y轴、Z轴相互垂直，X轴、Z轴所在平面为水平面。

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、Z轴亥姆霍兹线圈4，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均包括共中心轴线的一对线圈，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的中心点重合，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的中心轴线相互垂直，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的外径相等，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之间通过亚克力塑料支架与塑料螺钉进行固定。

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，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均包括共中心轴线的一对线圈，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的中心点重合，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的中心轴线相互垂直，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的外径相等，每对线圈间的距离D与线圈的外径d满足D＝0.886d关系，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之间通过亚克力塑料支架与塑料螺钉进行固定。三维一阶梯度线圈的中心点与三维亥姆霍兹线圈的中心点重合。

二阶梯度线圈单元包括用于产生二阶梯度磁场的Z2梯度线圈8，Z2梯度线圈包括第一环形线圈对和第二环形线圈对，第一环形线圈对的两个环形线圈的距离D1与环形线圈的外径d1满足D1＝1.2d1关系，第二环形线圈对的距离D2与环形线圈的外径d2满足D2＝0.3d2关系，第一环形线圈对和第二环形线圈对的中心轴线、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的中心点、有机玻璃管32中心点、三维亥姆霍兹线圈的中心点、三维一阶梯度线圈的中心点重合，第一环形线圈对和第二环形线圈对均固定在有机玻璃管32上的线圈固定槽内。

旋转单元包括用于一维旋转的无磁的旋转台15，以及用于连接第三数据线21信号输出端、连接第四数据线22信号输入端、连接第五数据线23信号输入端的接线盒39，旋转台15与接线盒39之间通过轴承连接。

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测量外界环境中的磁场，将磁信号转变为电压信号；差分放大电路20将电压信号进行放大，放大的电压信号被第一多通道控制卡18获得。计算机确定每组线圈中电压与电流值；电压与电流通过第二多通道控制卡26输出；输出的电压值通过功放电路24作Z轴亥姆霍兹线圈4、X轴亥姆霍兹线圈5、Y轴亥姆霍兹线圈6，输出的电流值直接作用于X轴一阶梯度线圈1、Z轴一阶梯度线圈2、Y轴一阶梯度线圈3、Z2梯度线圈8线圈。

本发明装置中部件描述如下：

Z轴亥姆霍兹线圈4。由两个铜丝线绕线圈构成Z轴亥姆霍兹线圈4，工作时提供Z轴磁场。型号为AIW/QZY+XY-2/220外径为0.67mm的漆包线构成。

X轴亥姆霍兹线圈5。与Z轴亥姆霍兹线圈4相同结构、相同尺寸、相同漆包线绕制，工作时提供X轴磁场。

Y轴亥姆霍兹线圈6。与Z轴亥姆霍兹线圈4相同结构、相同尺寸、相同漆包线绕制，工作时提供Y轴磁场。与Z轴亥姆霍兹线圈4和X轴亥姆霍兹线圈5共同构成三维亥姆霍兹线圈，本发明装置典型地使用：每对线圈的中心点重合，三对线圈的中心线相互垂直，每对线圈的外径相等。

Z轴一阶梯度线圈2。由两个铜丝线绕线圈构成Z轴一阶梯度线圈2，工作时提供Z轴一阶梯度磁场。型号为AIW/QZY+XY-2/220外径为0.67mm的漆包线构成。

X轴一阶梯度线圈1。与Z轴一阶梯度线圈2相同结构、相同尺寸、相同漆包线绕制，工作时提供X轴一阶梯度磁场。

Y轴一阶梯度线圈3。与Z轴一阶梯度线圈2相同结构、相同尺寸、相同漆包线绕制，工作时提供Y轴一阶梯度磁场。与Z轴一阶梯度线圈2和X轴一阶梯度线圈1一起构成三维一阶梯度线圈，本发明装置典型地使用：每对线圈的中心点重合，三对线圈的中心线相互垂直，每对线圈的外径相等。

Z2梯度线圈。型号为AIW/QZY+XY-2/220外径为0.33mm的漆包线构成，用来补偿环境中的Z2梯度磁场。

第一磁阻芯片。型号HMC1053，用于测量环境中的磁场。

第二磁阻芯片。与第一磁阻芯片型号、作用相同。

第三磁阻芯片。与第一磁阻芯片型号、作用相同。

第四磁阻芯片。与第一磁阻芯片、第二磁阻芯片型号、作用相同。与第一磁阻芯片、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片一起，呈四边形放置。

支撑台。材质为铝材质，矩形，用于安装、放置第一磁阻芯片、第二磁阻芯片、第三磁阻芯片、第四磁阻芯片。

支撑杆。PEEK材质，圆柱形，两端有螺纹。

矩形放置块。PEEK材质，用于安装、固定支有机玻璃管以及有机玻璃管上的Z2梯度线圈。

第一固定杆。PEEK材质，用于固定Y轴亥姆霍兹线圈，固定有机玻璃管、以及有机玻璃管上面安装、放置的Z2梯度线圈。

第二固定杆。与第一固定杆材质相同，与第四固定杆共同作用，用于固定Y轴亥姆霍兹线圈。

第三固定杆。与第一固定杆材质相同，与第六固定杆、第七固定杆、第八固定杆共同作用，用于固定Y轴一阶梯度线圈。

第四固定杆。与第一固定杆材质相同，与第二固定杆共同作用，用于固定Y轴亥姆霍兹线圈。

第五固定杆。与第一固定杆材质相同，与第一固定杆共同作用，用于固定Y轴亥姆霍兹线圈，固定有机玻璃管、以及有机玻璃管上面安装、放置的Z2梯度线圈。

第六固定杆。与第一固定杆材质相同，与第三固定杆、第七固定杆、第八固定杆共同作用，用于固定Y轴一阶线圈。

第七固定杆。与第一固定杆材质相同，与第三固定杆、第六固定杆、第八固定杆共同作用，用于固定Y轴一阶线圈。

第八固定杆。与第一固定杆材质相同，与第三固定杆、第六固定杆、第七固定杆共同作用，用于固定Y轴一阶梯度线圈。

无磁的旋转台。材质为铝和不锈钢，无磁性，一维精密电控转动。

接线盒。用于线连接。

计算机。型号为天启M7150。

第一数据线。计算机内部插槽，用于传输采集数据。

第一多通道控制卡。型号PCIe6251，用于数据采集控制。

第二数据线。型号SHC68-68-EPM Cable，用于传输采集数据。

差分放大电路。由用于放大电压信号的差分放大器构成。

第三数据线。型号为BVR-1.5，传输采集数据。

第四数据线。型号与第三数据线相同。

功放电路。功率放大电路，功能为电压保持不变电流放大。

第五数据线。型号与第三数据线相同。

第六数据线。型号SH68-68-D1Cable，用于传输反馈电压数据。

第二多通道控制卡。型号为PCI6704，用于反馈电压与电流输出。

第七数据线。型号与第一数据线相同。

实施例3：

一种利用实施例1或实施例2进行用于自动磁场补偿的方法，包括以下步骤：

步骤1、

为X轴亥姆霍兹线圈5依次加载给定电压-2V、-1.5V、-1V、-0.5V、0V、0.5V、1V、1.5V、2V，使用第一磁阻芯片7测试在各个给定电压值对应的磁场值大小，线性拟合X轴亥姆霍兹线圈5的给定电压与磁场的比值关系；

为Y轴亥姆霍兹线圈6依次加载给定电压-2V、-1.5V、-1V、-0.5V、0V、0.5V、1V、1.5V、2V，使用第一磁阻芯片7测试在各个给定电压值对应的磁场值大小，线性拟合Y轴亥姆霍兹线圈6的给定电压与磁场的比值关系；

为Z轴亥姆霍兹线圈4依次加载给定电压-2V、-1.5V、-1V、-0.5V、0V、0.5V、1V、1.5V、2V，使用第一磁阻芯片7测试在各个给定电压值对应的磁场值大小，线性拟合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依次加载给定电流-0.05A、-0.04A、-0.03A、0A、0.01A、0.02A、0.03A、0.04A、0.05A，使用第一磁阻芯片7测试在各个给定电流值对应的磁场值大小，线性拟合X轴一阶梯度线圈1的给定电流与磁场的比值关系；

为Y轴一阶梯度线圈3依次加载给定电流-0.05A、-0.04A、-0.03A、0A、0.01A、0.02A、0.03A、0.04A、0.05A，使用第一磁阻芯片7测试在各个给定电流值对应的磁场值大小，线性拟合Y轴一阶梯度线圈3的给定电流与磁场的比值关系；

为Z轴一阶梯度线圈2依次加载给定电流-0.05A、-0.04A、-0.03A、0A、0.01A、0.02A、0.03A、0.04A、0.05A，使用第一磁阻芯片7测试在各个给定电流值对应的磁场值大小，线性拟合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-0.005A、-0.004A、-0.003A、0A、0.001A、0.002A、0.003A、0.004A、0.005A，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。

Z2梯度线圈8中第一环形线圈对中的电流为第二环形线圈对中的电流中的设定倍数，设定倍数为3.3倍，为Z2梯度线圈8加载电流I'(给定电流I')均指给第二环形线圈对加载电流I'(给定电流I')，第一环形线圈对加载3.3倍的电流I'(给定3.3倍的电流I')。第一环形线圈对的两个环形线圈的距离与外径比例为1.2，第二环形线圈对的两个环形线圈的距离与外径比例为0.3。

步骤2、设定无磁旋转台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均随着无磁旋转台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，目标磁场值B₀矩阵中每个元素值为10nT。

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(磁场值B_n为第n次测量获得的磁场值)，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，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矩阵的差值矩阵的模值e_n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、将目标磁场值B₀矩阵减去磁场值B_n矩阵的差值矩阵e_n进行PID运算获得输出矩阵P_n，可将差值矩阵e_n输入到计算机16中的PID算法，PID算法可以通过调用LabVIEW中PID模块来实现，PID算法实现数据处理，其中e_n＝B_n-B₀，e_n-1＝B_n-1-B₀(其中B_n-1为第n-1次采样得到的磁场值矩阵)，通过第一磁阻芯片7、第二磁阻芯片9、第三磁阻芯片30、第四磁阻芯片31测量磁场值来调节比例系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D，增大比例系数K_P可以加快系统的响应，但过大的K_P，会产生较大的超调，并产生震荡，使稳定性变坏，增大积分系数K_I有利于减少超调，使系统更加稳定,同时也可以消除静态误差，增大微分系数K_D有利于加快系统的响应，使稳定性增加，但系统对扰动有较敏感的响应；最后获得输出矩阵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(linear programming，LP)的L1范数规划求解min∑V_i×w_i+I_j×N_j这个最小化优化问题，获得优化矩阵，通过优化线圈中的电压或者电流值来补偿磁场，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，本实施例中均取1；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1Y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，本实施例中均取1。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。实验中通过调用Matlab中的linprog函数，linprog函数的约束条件为:1、10^-3V≤|V_i|≤10V，2、10^-6A≤|I_j|≤2×10^-2A，3、磁场误差△B＝|B_n-B₀|≤10nT，4、磁场均匀度小于等于10^-3。

步骤8、是否停止系统，若是，则停止系统，若否，则转到步骤4。