一种精密磁场补偿系统及差分线圈设计方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、一种组合差分平面线圈设计方法，包括如下步骤：

4、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；

5、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bset；

6、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)；

7、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；

8、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；

9、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；

10、步骤七、利用最小二乘法，计算出所述步骤六的线性方程组未知量，得到步骤四所述流函数s(x,y)具体形式，并得出所述电流密度具体形式；

11、步骤八、求出所述步骤七得到的所述流函数s(x,y)的等值线，以所得等值线分布为轮廓，在所述第一平面线圈面板上设计出第一线圈；

12、步骤九、重复所述步骤三至八，解算出所述第二平面线圈面板上电流流线分布，以所述电流流线分布为轮廓，在所述第二平面线圈面板上设计出第二线圈，且在所述第二平面线圈中接入的电流方向与所述第一平面线圈相反。

13、采用上述技术方案，与现有技术相比，本技术技术方案所提供的方法至少可以带来的有益效果有：以平面线圈逆向设计方法为位基础，在设计过程中根据磁场与电流的规律，引入电流流函数，通过有限逼近的计算方法，确定出流函数的具体形式表述，再利用流函数等值线与电流流线的关系，以电流流函数等值线为轮廓，描绘出线圈的具体形式，在这一过程中，由于流函数自身的稳定性，加上流函数计算过程利用了有限数值逼近的办法，不仅误差可控，而且能让线圈磁场补偿的精度提高。

14、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，因此需要设计平面线圈组来进一步降低线圈常数，从而精密补偿磁场；对于两组平面线圈，其在空间中产生的磁场可以由如下表达式：

15、b＝c1i1-c2i2

16、，若将两个线圈通入幅值相同，方向相反的电流，则在空间中产生的磁场为：

17、b＝(c1-c2)i1

18、，空间某点磁场与激励电流为线性关系，二者比值称为线圈常数，由此可见，这样设计，使线圈常数降低。

19、作为优选，所述步骤四包括；

20、步骤4.1、将所述流函数s(x,y)在所述第一平面线圈面板所在区域用二维傅里叶级数展开，取其中有限和函数作为流函数s(x,y)形式表示，即令

21、

22、,其中l1和l2代表矩形积分区域尺寸；

23、步骤4.2、根据空间区域对称性，将所述步骤4.1获得的流函数s(x,y)形式表示进行简化，确定出组合系数pmn：

24、相较于魏尔斯特拉斯逼近、或者多项式样条插值逼近等办法，傅里叶级数逼近，一方面能够利用空间对称性，使系数及形式简化，另一方面，由于磁场具有波动性质，利用傅里叶级数逼近能对这一性质做出表达，由于考虑到边缘效应，故携程上述形式，虽然缺项，但是不影响精度。

25、作为优选，所述步骤六获得的线性方程组为超定线性方程组；通常情况下，为了使设计精确度提高，所选择的场点数目会多于组合系数的数目，这时候，以组合系数为未知数，场点磁场强度值为常向量的方程就为超定方程。

26、作为优选，所述步骤七包括：

27、步骤7.1、用所述步骤五获得的所述电流密度的形式表示，求出所述第一平面线圈面板所在区域磁矢势的形式表示；

28、步骤7.2、将所述步骤7.1获得的磁矢势的形式表示与所述电流密度的形式表示做数量积，并将所述数量积在所述第一平面线圈面板所在区域积分，即获得如下形式积分

29、

30、，其中s1代表所述第一平面线圈面板所在区域；

31、步骤7.3、将积分l离散化处理，获得如下二次型：

32、

33、，求出向量tpmn的范数，获得相应的提霍诺夫泛函

34、t＝||bi-bseti||2+α||tpmn||2

35、，其中α为正则系数，bi和bseti分别代表所述步骤六中所选择的第i个场点磁场强度真实值和设定值；将所述提霍诺夫泛函对对每个变量pmn求偏导数，并令每个所述偏导数为零，即令

36、

37、，求出所述组合系数，获得步骤四所述流函数s(x,y)具体形式；

38、这是处理超定方程常用的计算方法，但在本技术中，考虑到在控制系统控制过程中，线圈在功能上，相当于电感元件，对控制系统有滞后作用，因为引入线圈电感因素作为惩罚项,由于线圈电感决定了线圈储能，因此选择线圈储能公式来代表电感大小，进而构造得到相应的提霍诺夫泛函，求出了组合系数，这样有效的提高了线圈设计精度。

39、与此同时，本技术技术方案还提供了一种精密磁场补偿系统，具体方案如下；

40、一种精密磁场补偿系统，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，还包括按上述组合差分平面线圈设计方法制成的组合平面线圈；

41、所述控制器与所述单片机电连接，所述单片机与所述数模转换器电连接，所述数模转换器与所述压控电流源结构电连接，所述压控电流源结构与所述组合平面线圈电连接；

42、所述传感器与所述信号调理电路电连接，所述信号调理电路与所述模数转换器电连接，所述模数转换器与所述控制器电连接；

43、所述单片机用于将输入信号进行运算或处理，形成数字信号，并将所述数字信号输出至所述数模转换器；

44、所述数模转换器包括含有数模转换电路的转换芯片，所述数模转换器将所述数字信号数模转换，将形成的电压输出至所述压控电流源结构；

45、所述压控电流源结构包括豪兰电流源电路结构，所述压控电流源结构将所述数模转换器输出电压转换成电流，并输出至所述组合差分平面线圈；

46、所述组合差分平面线圈用于补偿空间扰动磁场；

47、所述传感器用于采集空间磁场数据，并将所获得的数据传至所述信号调理电路；

48、所述信号调理电路用于将微弱信号进行放大处理，并对非工作频段内的信号进行滤波，所述信号调理电路将信号输出至所述模数转换器；

49、所述模数转换器将信号模数转换成控制信号，并输出至所述控制器；

50、所述控制器将所述控制信号输出至所述单片机。

51、采用上述技术方案，与现有技术相比，本技术技术方案所提供的系统至少可以带来的有益效果有：本本系统针对弱磁测量(诸如脑磁测量等)过程中环境磁场干扰问题，利用了精心设计的平面线圈作为磁场补偿动力源，能够有效提升补偿精度，且补偿精度大大提高，极大地提升了弱磁信号的信息完整性和准确度。

52、作为优选，所述单片机包括具有自适应控制算法的数字控制器，所述数字控制器对输入数据和反馈数据进行运算或处理，计算当前状态和设定值之间的误差。

53、作为优选，所述组合差分平面线圈包括第一组合线圈和第二组合线圈，所述第一组合线圈和第二组合线圈相对而立，所述第一组合线圈和第二组合线圈均包括所述第一平面线圈和所述第二平面线圈；这样设置能够配合传感器工作，有利于促进磁场精密补偿。