一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈的制作方法

本发明涉及核磁共振陀螺仪技术领域，具体地，涉及一种核磁共振陀螺仪的三维braunbeck(布鲁贝克)驱动线圈。

背景技术：

核磁共振陀螺仪是利用处于进动态的宏观粒子总磁矩作为参考基准，通过法拉第调制作用捕捉系统敏感轴上的角速度。该种陀螺仪能够真正摆脱机械摩擦带来的误差，具有应用mems技术的广阔前景，已经有小型化的实验室样机，成为未来新型陀螺仪发展的方向。

核磁共振陀螺仪通过施加空间磁场和光泵浦，使得原子气室中的惰性气体和碱金属处于进动状态，粒子磁矩在平面内的投影将会对穿过气室的探测光产生调制作用。空间磁场的大小方向、频率、稳定度、和均匀性等指标对于测量结果的准确性具有决定性的影响，这对于三维驱动线圈的性能提出了极高的要求。

在传统的设计中，亥姆霍兹线圈因其结构简单，中心均匀度好，成为空间磁场线圈应用中的首选，但是由该种线圈产生一定大小的均匀磁场所需的体积很大，并不适合小型化的应用。

经对现有技术的检索发现以下相关技术文献：

专利号cn105070455a发明了一种径向开口的无矩螺线管磁场线圈，磁场线圈由由内外两个螺线管组合而成，每个螺线管上沿中心剖面为中轴左右对称分布有两对绕组，每对绕组包括两段绕组，处于中轴同一侧的一对绕组，两段绕组之间留有空隙。这种设计由于螺线管之间反向串联，导致两螺线管磁场相互抵消，不利于产生较大的磁场，同时结构复杂，不适用于核磁共振陀螺仪应用。

专利号：cn105424022a，该专利应用螺线管替代纵向亥姆霍兹线圈，包括内层圆柱筒、外层圆柱筒、鞍形线圈和螺旋线；提高了静磁场均匀性，在螺线管管壁上覆两对鞍型线圈来作为三维线圈的两轴，螺线管外覆线圈所谓第三轴。但由于其管壁内的两轴每轴只由两只线圈完成，无法抵消磁场中的低阶余项，在中心区域的均匀性上无法满足更高的应用要求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种核磁共振陀螺仪的三维braunbeck驱动线圈，通过选取特殊的安装位置使得线圈产生的磁场中的低阶余项尽可能抵消，在压缩线圈体积的情况下，依然可以提供具有良好均匀性的稳定磁场区。

为实现以上目的，本发明提供一种核磁共振陀螺仪的三维braunbeck驱动线圈，包括三维线圈组，所述三维线圈组包括x轴braunbeck线圈、y轴braunbeck线圈、z轴braunbeck线圈，所述x轴braunbeck线圈、y轴braunbeck线圈、z轴braunbeck线圈分别构成一维线圈组，并分别加载在x、y、和z轴上，x轴braunbeck线圈、y轴braunbeck线圈、z轴braunbeck线圈的轴线互相正交且相交于几何中心点o，其中：每一维线圈组均由两对共四只线圈组成，且四只线圈共轴；每一维线圈组内的四只线圈两两相对安装，并由一条导线绕制在四只线圈上从而将四只线圈串联连接，每一维线圈组分别引出抽头以外接驱动源，以在整个所述驱动线圈中心产生所需磁场；

每一维线圈组共轴的四只线圈分一大一小两组且关于几何中心点o对称，通过设定每一维线圈组中大、小两组线圈之间的特殊位置关系，即：每一维线圈组中大线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、y轴、z轴的夹角α1均为70°～80°，每一维线圈组中小线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、y轴、z轴的夹角α2均为40°～50°，几何中心点o到每一维线圈组中大线圈最高点的距离与几何中心点o点到每一维线圈组中小线圈最高点的距离之比a：b＝0.8～1.0，以达到扩大中心均匀区的目的。

优选地，所述x轴braunbeck线圈、y轴braunbeck线圈、z轴braunbeck线圈中，几何中心点o到大线圈最高点的距离a与几何中心点o到小线圈最高点的距离b之比a：b＝0.911。

优选地，所述x轴braunbeck线圈中大线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、所述y轴braunbeck线圈中大线圈最高点到几何中心点o的连线与y轴、所述z轴braunbeck线圈中大线圈最高点到几何中心点o的连线与z轴的夹角α1均74.46°。

优选地，所述x轴braunbeck线圈、y轴braunbeck线圈、z轴braunbeck线圈中，几何中心点o到大线圈的矩离均为5-50mm。

优选地，所述x轴braunbeck线圈中小线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、所述y轴braunbeck线圈中小线圈最高点到几何中心点o的连线与y轴、所述z轴braunbeck线圈中小线圈最高点到几何中心点o的连线与z轴的夹角α2均为44.09°。

优选地，所述x轴braunbeck线圈、y轴braunbeck线圈、z轴braunbeck线圈中，所有线圈上的导线的材质为漆包线。

更优选地，每只线圈上绕制的所述漆包线的匝数为5-20匝。

优选地，所述z轴braunbeck线圈在z轴方向上产生的磁场强度在10^-5t数量级。

优选地，所述x轴braunbeck线圈在x轴、所述y轴braunbeck线圈在y轴方向上产生的磁场强度在10^-6t数量级。

本发明中，通过解算，a与b的比值为一范围值(比如优选0.911)且α1与α2的角度也为一范围值(比如优选74.46°)时，使得几何中心点o附近的磁场表达式中余项的阶数为8，几何中心点o附近区由于偏离几何中心点o而产生的磁场误差极小，三维线圈结构在线圈组几何中心点o附近能够维持很大的磁场均匀区；通过理论分析和仿真，在具体实验中，x轴上与几何中心点o距离0.25b处的点其磁场与几何中心点o处的磁场偏差不超过0.47％。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)相比于传统的亥姆霍兹线圈，该设计能够以较小的结构实现交大区域的均匀磁场，能够显著减小现有核磁共振陀螺仪的体积，便于后续小型化开发。

(2)同一维的四只线圈通过一条漆包线串联，其间通入相同的电流，只用一组驱动源即可实现控制，大大降低了控制难度。

(3)线圈结构简单，数学关系明确，中心任一点处的磁场都可以通过简单的数学公式计算得到，便于仿真和实用。

(4)每一维线圈组的结构相对固定，但是各个线圈组间的大小关系可以按照实际需要和安装需求进行适当放缩，具有良好的通用性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的单维线圈原理简图；

图2为本发明一实施例的整体示意图；

图3为本发明一实施例的俯视图；

图4为本发明一实施例的左视图；

图中：1为x轴braunbeck线圈，2为y轴braunbeck线圈，3为z轴braunbeck线圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图4所示，一种核磁共振陀螺仪的三维braunbeck驱动线圈，其理论思路如下：通过多个同轴线圈的磁场叠加，使得磁场综合表达式内的余项阶数尽可能的小，使得在中心点附近区域内的参考点磁场与中心点磁场尽可能相等。

如图2所示，所述线圈包括：x轴braunbeck线圈1、y轴braunbeck线圈2、z轴braunbeck线圈3共三维线圈组；其中：

所述x轴braunbeck线圈1的轴线与x轴平行，所述y轴braunbeck线圈2的轴线与y轴平行，所述z轴braunbeck线圈3的轴线与z轴平行，x轴braunbeck线圈1、y轴braunbeck线圈2、z轴braunbeck线圈3的轴线互相正交且相交于几何中心点o；

所述x轴braunbeck线圈1、y轴braunbeck线圈2、z轴braunbeck线圈3分别构成一维线圈组，每一维线圈组均由两对、共四只线圈组成，且四只线圈共轴；每一维线圈组内的四只线圈两两相对安装，并由一根漆包线绕制在四只线圈上从而将四只线圈串联连接，留出抽头以外接驱动源；

每一维线圈组中，共轴的四只线圈分一大一小两组且关于其几何中心点o对称，通过设定两组大、小线圈之间位置关系(即：大线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、y轴、z轴的夹角α1，小线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、y轴、z轴夹角的α2，几何中心点o到大线圈最高点距离a与几何中心点o到小线圈最高点距离b之比)，以达到扩大中心均匀区的目的。

如图1所示，x轴方向磁场xt：

上述公式中：

i是指线圈中的激励电流，大小为1ma-1a；

t表示线圈的对数；

p′9是指9阶勒让德多项式的1阶导数；

是指几何中心点o到第n号线圈上任一点的距离；

p为勒让德多项式，p8是指项数为8的勒让德多项式；

r⁸是指极坐标参数的8次方；

μn是指第n号线圈方向角的余弦值，n表示线圈编号；μn＝cos(αn)，αn为原点到线圈最高点连线与x轴的夹角；

λ是指点w极角余弦值，λ＝cos(θ)；

在图1中，w(r,θ)为平面内任意点w相对于原点的极坐标，r是指极坐标极径，θ是指极坐标中的极角；

则两对线圈的轴向磁场x2：

上述公式中：

m是指累加符号；

p′2m-1是指项数为2m+1的勒让德多项式的导数；

是指第n号线圈的半径的2m-1次方；

p2(m-1)是指2(m-1)项勒让德多项式；

r^2(m-1)是指点w的极径的2(m-1)次方；

设从原点到第n号线圈的圆周距离为cn，则an＝cn(1-un²)^1/2，所以：

使其满足下列公式：

和

上述公式中：

p′3是指三项勒让德多项式的导数；

是指第n号线圈几何中心点o到线圈边沿距离的负3次方；

p′5是指五项勒让德多项式的导数；

是指第n号线圈几何中心点o到线圈边沿距离的负5次方；

则r的6次以前项消掉，而最先出现的为8次项，达到使得磁场余项阶数增加的目的，提高磁场中心区的均匀性。

将单轴的复合线圈组(即单独的x轴braunbeck线圈1、y轴braunbeck线圈2、z轴braunbeck线圈3)组合起来，分别加载在x、y、和z轴上，就能够得到所述三维braunbeck驱动线圈；在x、y、和z轴上各自用一条漆包线缠绕，分别引出抽头，连接到外部的驱动电源上，即可在整个线圈中心产生所需磁场。

在部分实施例中，优选参数：所述x轴braunbeck线圈1中大线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、所述y轴braunbeck线圈2中大线圈最高点到几何中心点o的连线与y轴、所述z轴braunbeck线圈3中大线圈最高点到几何中心点o的连线与z轴的夹角α1均为74.46°。

在部分实施例中，优选参数：所述几何中心点o到所述x轴braunbeck线圈1、y轴braunbeck线圈2、z轴braunbeck线圈3中大线圈的矩离均为5-50mm。

在部分实施例中，优选参数：所述x轴braunbeck线圈1中小线圈最高点到几何中心点o的连线与x轴、y轴braunbeck线圈2中小线圈最高点到几何中心点o的连线与y轴、z轴braunbeck线圈3中小线圈最高点到几何中心点o的连线与z轴的夹角α2均为44.09°。

在部分实施例中，优选参数：所述x轴braunbeck线圈1、y轴braunbeck线圈2、z轴braunbeck线圈3中，所有线圈的导线均为漆包线。

进一步的，优选参数：每只线圈上绕制漆包线的匝数为5-20匝。

在部分实施例中，优选参数：所述z轴braunbeck线圈3在z轴方向上产生的磁场强度在10^-5t数量级。

在部分实施例中，优选参数：所述x轴braunbeck线圈1在x轴、y轴braunbeck线圈2在y轴方向上产生的磁场强度在10^-6t数量级。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。