磁场强度控制装置的制作方法

本发明涉及磁场强度控制，尤其涉及一种磁场强度控制装置。

背景技术：

1、epr（electron paramagnetic resonance，电子顺磁共振）、odmr（opticallydetected magnetic resonance，磁共振）、qdafm（quantum diamond atomic forcemicroscope，量子钻石原子力显微镜）等科研检测仪器都会涉及磁场发生设备以及磁场强度精准控制系统。常规的磁场强度控制系统主要包括用于输出磁场驱动控制信号的dac（digital to analog converter，数模转换器），通过监测磁场强度实测值对比目标磁场强度值调整dac信号的pid（proportional-integral-derivative，比例积分微分）控制模块，上述常规的磁场强度控制系统存在磁场强度控制精度低以及稳场效率低等不足。

2、此外，针对磁场连续变化的扫场试验，需要提供一种扫场控制系统及方法。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种磁场强度控制装置，能够使磁场强度相对均匀且连续变化的进行扫场控制。

2、为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种磁场强度控制装置，所述装置包括：磁场检测模组，用于获取磁场发生器所产生磁场的磁场强度实测值；pid控制模组，用于计算磁场强度实测值与扫场起始值之间的第一差值，并对所述第一差值进行pid调节得到第一pid信号输出值；稳场dac模组，用于根据所述第一pid信号输出值得到第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，并根据所述第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号，将磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值；所述pid控制模组，还用于计算扫场终止值与所述扫场起始值之间的第二差值，并根据所述第二差值得到n个单元稳场周期，以及在第x个单元稳场周期中，确定所述第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值，并根据所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值，得到第二pid信号输出值，其中，n为大于1的整数；扫场dac模组，用于在第x个单元稳场周期中，根据所述第二pid信号输出值得到第三磁场驱动信号，并根据所述第一磁场驱动信号、所述第二磁场驱动信号和所述第三磁场驱动信号对所述磁场发生器进行控制，其中，1≤x≤n。

3、根据本发明实施例的磁场强度控制装置，能够使磁场强度相对均匀且连续变化的进行扫场控制。

4、另外，本发明实施例的磁场强度控制装置，还可以具有如下附加的技术特征：

5、根据本发明的一个实施例，稳场dac模组，包括第一数模转换子模块、第二数模转换子模块和第一控制模块，所述第一数模转换子模块的分辨率大于所述第二数模转换子模块的分辨率；其中，所述第一pid信号输出值通过所述第一数模转换子模块输出第一磁场驱动信号，其中，s1=(s/m1)’×m1，s1为所述第一磁场驱动信号，s为所述第一pid信号输出值，m1为所述第一数模转换子模块的分辨率，(s/m1)’为s/m1的取整值；所述第一pid信号输出值通过所述第二数模转换子模块输出第二磁场驱动信号，其中，s2={(s-s1)/m2}’×m2，s2为所述第二磁场驱动信号，m2为所述第二数模转换子模块的分辨率，{(s-s1)/m2}’为(s-s1)/m2的取整值，所述第一磁场驱动信号的分辨率与所述第二磁场驱动信号的分辨率不同；所述第一控制模块用于根据所述第一磁场驱动信号和所述第二磁场驱动信号，对所述磁场发生器进行控制，以使磁场发生器所产生磁场的磁场强度稳定在扫场起始值。

6、根据本发明的一个实施例，所述pid控制模组，还用于：在所述第一差值小于第一预设值时，将所述第一pid信号输出值的上限设置为第一阈值；在所述第一差值大于等于第一预设值，且小于等于第二预设值时，将所述第一pid信号输出值的上限设置为第二阈值，其中，第二阈值大于第一阈值；在所述第一差值大于第二预设值时，将所述第一pid信号输出值的上限设置为第三阈值，其中，第三阈值大于第二阈值。

7、根据本发明的一个实施例，所述第一数模转换子模块包括第一数模转换器，所述第二数模转换子模块包括依次连接的第二数模转换器和衰减器，所述第二数模转换器的分辨率与所述第一数模转换器的分辨率相同；其中，所述第一pid信号输出值通过所述第一数模转换器输出第一磁场驱动信号，其中，s1=(s/m11)’×m11，m11为所述第一数模转换器的分辨率，(s/m11)’为s/m11的取整值；所述第一pid信号输出值通过依次连接的第二数模转换器和衰减器输出第二磁场驱动信号，其中，s2={(s-s1)n/m11}’×m21，n为所述衰减器的衰减倍数，m21为所述第二数模转换器的分辨率和衰减器的衰减倍数的比值，{(s-s1)n/m11}’为(s-s1)n/m11的取整值。

8、根据本发明的一个实施例，所述衰减器的衰减倍数n=d/m，其中，d为所述第二数模转换器的量程。

9、根据本发明的一个实施例，所述第一pid信号输出值通过所述第二数模转换器输出信号值；所述第一控制模块具体用于：在所述第二磁场驱动信号与所述信号值之和大于等于所述第二数模转换器的量程时，计算所述第一磁场驱动信号与所述第一数模转换器的分辨率之间的和值，得到调节后的第一磁场驱动信号，并计算所述第二磁场驱动信号与第一调节值之间的和值，得到调节后的第二磁场驱动信号，其中，所述第一调节值为信号值和所述第二数模转换器的量程之间的差值。

10、根据本发明的一个实施例，所述第一控制模块在根据所述第一磁场驱动信号和所述第二磁场驱动信号，对所述磁场发生器进行控制时，具体用于：将第一磁场驱动信号和第二磁场驱动信号进行加和得到总驱动信号；根据总驱动信号对磁场发生器进行控制。

11、根据本发明的一个实施例，所述pid控制模组在根据所述第二差值得到n个单元稳场周期时，具体用于：将所述第二差值分为n份；根据所述第二差值、n、目标磁场强度变化率得到单元稳场周期。

12、根据本发明的一个实施例，所述pid控制模组在确定所述第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值时，具体用于：根据所述扫场起始值和所述第二差值确定第x个单元稳场周期的第一磁场强度目标值。

13、根据本发明的一个实施例，所述pid控制模组在根据所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值，得到第二pid信号输出值时，具体用于：计算所述磁场强度实测值与所述第一磁场强度目标值之间的第三差值，并对所述第三差值进行pid调节得到第二pid信号输出值。

14、根据本发明的一个实施例，所述扫场dac模组包括：范围dac，用于根据所述第二差值得到第一参考信号；扫场dac，用于根据所述第二pid信号输出值和所述第一参考信号得到所述第三磁场驱动信号。

15、根据本发明的一个实施例，通过下式得到所述第一参考信号：

16、k×i1/i0=(t2-t1)/b，其中，k为第一系数，i1为所述第一参考信号，i0为所述范围dac满量程输出的第二参考信号，t1为扫场起始值、t2为扫场终止值，b为所述范围dac和所述扫场dac均满量程输出时的磁场强度标定值。

17、根据本发明的一个实施例，所述扫场dac模组还包括：偏置dac，用于根据所述第三磁场驱动信号、所述第一参考信号、所述第二参考信号和所述第一系数得到偏置信号，并根据所述第三磁场驱动信号和所述偏置信号，得到更新后的第三磁场驱动信号。

18、根据本发明的一个实施例，通过下式得到所述偏置信号i3：

19、i3=i1×i2×，其中，i2为所述第三磁场驱动信号。

20、根据本发明的一个实施例，0.99≥k≥0.67。

21、根据本发明的一个实施例，所述pid控制模组，还用于：在所述第三差值小于第一预设差值时，将所述第二pid信号输出值的上限设置为第一上限值；在所述第三差值大于等于第一预设差值，且小于等于第二预设差值时，将所述第二pid信号输出值的上限设置为第二上限值，其中，第二上限值大于第一上限值；在所述第三差值大于第二预设差值时，将所述第二pid信号输出值的上限设置为第三上限值，其中，第三上限值大于第二上限值。

22、根据本发明的一个实施例，pid控制模组还用于，在n个单元稳场周期中，设置扫场dac模组使磁场强度实测值与第一磁场强度目标值一致所用的最长时间为第一预设时间，则t0>t1，其中，t0为单元稳场周期，t1为第一预设时间；pid控制模组还用于在每个单元稳场周期开始后的第二预设时间发出试验数据采集指令，t0>t2>t1，其中，t2为第二预设时间。

23、根据本发明的一个实施例，稳场dac模组、扫场dac和偏置dac均为双极性输出，其中，稳场dac模组和扫场dac的输出极性相同，偏置dac和扫场dac的输出极性相反。

24、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。