專利名稱：基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng) 及方法。
背景技術(shù)：
通常情況下，地球環(huán)境磁場(chǎng)為3(Γ50μ T。由于受外界干擾，如交通工具的移動(dòng)，工 頻及其倍頻等的影響，環(huán)境磁場(chǎng)具有時(shí)間波動(dòng)性。尤其是對(duì)于位于市區(qū)的實(shí)驗(yàn)室，工作時(shí) 間環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)非常大，豎直方向的漲落達(dá)微特斯拉(μ Τ)量級(jí)，水平方向波動(dòng)也超過(guò) IOOnT0而許多實(shí)驗(yàn)設(shè)備，比如掃描電子顯微鏡、中子散射測(cè)試儀及生物磁檢測(cè)儀(心磁圖 儀、腦磁圖儀)等，對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)的要求比較高，需要工作在相對(duì)穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境中，因此必須 對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)進(jìn)行有效地壓制。目前常用的方法是建造一個(gè)高性能的磁屏蔽室，而磁屏蔽室不易于搭建，且成本 極高。作為一種低成本的替代方案，基于負(fù)反饋原理的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作為一種有效、簡(jiǎn)潔的 磁場(chǎng)穩(wěn)定方法被提出了。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)一般由三部分組成(三軸)磁信號(hào)探測(cè)器，用于檢 測(cè)外界磁場(chǎng)環(huán)境的變化；反饋電路對(duì)磁探測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，放大，并驅(qū)動(dòng)反饋 線圈；反饋線圈，由反饋電路驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生與外界磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，補(bǔ)償磁場(chǎng)的波動(dòng)。目前采用的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法通常是將磁傳感器置于線圈的中央，這種方法雖然 能獲得很好的補(bǔ)償效果，但對(duì)于一些對(duì)磁性材料或器件敏感的實(shí)驗(yàn)，比如基于超導(dǎo)量子干 涉器件(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)的生物磁及極低場(chǎng)磁 共振等實(shí)驗(yàn)，需要將磁傳感器遠(yuǎn)離線圈中心，使得上述動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法不再適用。這時(shí)，為了 獲得穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境，需要考慮利用遠(yuǎn)離線圈中心的磁場(chǎng)變化信息來(lái)補(bǔ)償線圈中心的磁場(chǎng) 的可能性。磁場(chǎng)的低頻波動(dòng)往往是由于較遠(yuǎn)距離的干擾引起的，因而通常具有很好的空間相 關(guān)性，即不同位置磁場(chǎng)的波動(dòng)基本一致，這將為本發(fā)明提供很好的前提。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)以 及運(yùn)用該系統(tǒng)的方法，使得環(huán)境磁場(chǎng)的低頻波動(dòng)(f :(T20 Hz)降低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng) 態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，包括第一亥姆霍茲線圈架、第二亥姆霍茲線圈架、第一磁通門計(jì)、第二磁通門 計(jì)和反饋電子電路，所述的第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架之間留有間距，并 且相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；所述的第 一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上均分別繞制有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩套線圈；所述的第 一亥姆霍茲線圈架中心設(shè)有第一磁通門計(jì)，所述的第一磁通門計(jì)的探測(cè)方向與所述的第一 亥姆霍茲線圈架方向一致；所述的第二亥姆霍茲線圈架中心設(shè)有第二磁通門計(jì)，所述的第 二磁通門計(jì)的探測(cè)方向與所述的第二亥姆霍茲線圈架方向一致；所述的第二磁通門計(jì)通過(guò)所述的反饋電子電路與第一亥姆霍茲線圈架相連。所述的第一亥姆霍茲線圈架由1.9mX2.0mX2. Im三對(duì)相互垂直的方形線圈組 成；所述的第二亥姆霍茲線圈架由0. 62mX0. 62mX0. 62m三對(duì)相互垂直的方形線圈組成。所述的第一亥姆霍茲線圈架與第二亥姆霍茲線圈架之間的間距為3飛米。所述的反饋電子電路為PID負(fù)反饋電子電路，包括依次串聯(lián)的前置放大器、比例 積分微分器、功率放大器；所述的前置放大器、比例積分微分器和功率放大器的偏移值和帶 寬可調(diào)。所述的反饋電子電路根據(jù)所述的第一亥姆霍茲線圈架上動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈和第二亥 姆霍茲線圈架上動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈的連接方式設(shè)置成比例輸出或者積分輸出兩種工作模式。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是還提供一種基于空間相關(guān)性的比例 型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，包括以下步驟
(1)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架3飛米處，兩者保持相互平 行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于第一亥姆 霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架 大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；
(2)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處 磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；
(3)將反饋電子電路設(shè)置為比例輸出模式；
(4)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、 放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小 相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié) 反饋電子電路中的偏移值及帶寬獲得最佳補(bǔ)償效果。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是還提供一種基于空間相關(guān)性的串聯(lián) 積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，包括以下步驟
(1)通過(guò)理論計(jì)算得到第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的靜態(tài)及動(dòng)態(tài) 補(bǔ)償線圈的匝數(shù)比，使得在相同電流下，兩線圈的靜態(tài)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)一致，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)也一致，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈 架；
(2)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架；Γ5米處，兩者保持相互平 行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于第一亥姆 霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行；
(3)將第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以串聯(lián)的方式連 接起來(lái)；
(4)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處 磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；
(5)將反饋電子電路設(shè)置為積分輸出模式；
(6)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、 放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小 相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電子電路中的偏移值及帶寬獲得最佳補(bǔ)償效果。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是還提供一種基于空間相關(guān)性的并聯(lián) 積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，包括以下步驟
(1)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架;Γ5米處，兩者保持相互平 行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于第一亥姆 霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架 大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；
(2)將第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以并聯(lián)的方式連 接起來(lái)，并通過(guò)串聯(lián)可調(diào)電阻的方式使一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架產(chǎn)生的磁 場(chǎng)一致；
(3)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處 磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；
(4)將反饋電子電路設(shè)置為積分輸出模式；
(5)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、 放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小 相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié) 反饋電子電路中的偏移值及帶寬獲得最佳補(bǔ)償效果。有益效果
由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果系 統(tǒng)易于搭建、成本低、操作簡(jiǎn)單，并能夠獲得很好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，同時(shí)該方法可以最大程 度地消除磁通門計(jì)對(duì)線圈中心處其他磁探測(cè)器件的影響，在基于SQUID的極低場(chǎng)核磁共振 及其成像以及其他生物磁研究中有很好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的豎直方向磁場(chǎng)空間相關(guān)性示意圖2是本發(fā)明的比例型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償亥姆霍茲線圈架示意圖； 圖3是本發(fā)明的串聯(lián)積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償亥姆霍茲線圈架示意圖； 圖4是本發(fā)明的并聯(lián)積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償亥姆霍茲線圈架示意圖； 圖5是水平方向補(bǔ)償前后對(duì)比示意圖； 圖6是豎直方向補(bǔ)償前后對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，包括第一 亥姆霍茲線圈架、第二亥姆霍茲線圈架、第一磁通門計(jì)、第二磁通門計(jì)和反饋電子電路，所 述的第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架之間的間距為3飛米，并且相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈架，圖1是豎直方向磁場(chǎng)空 間相關(guān)性示意圖，圖中曲線1和曲線2分別是兩磁通門計(jì)測(cè)得的環(huán)境磁場(chǎng)波動(dòng)曲線，由圖可 見，空間相關(guān)性很好；所述的第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上均分別繞制有 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩套線圈；所述的第一亥姆霍茲線圈架中心設(shè)有第一磁通門計(jì)，所述的第一磁 通門計(jì)的探測(cè)方向與所述的第一亥姆霍茲線圈架方向一致；所述的第二亥姆霍茲線圈架中 心設(shè)有第二磁通門計(jì)，所述的第二磁通門計(jì)的探測(cè)方向與所述的第二亥姆霍茲線圈架方向 一致；所述的第二磁通門計(jì)通過(guò)所述的反饋電子電路與第一亥姆霍茲線圈架相連。本發(fā)明中可使用大小兩套方形亥姆霍茲線圈架，其中大線圈架(即第一亥姆霍茲 線圈架)由1.9mX2. OmX2. Im三對(duì)相互垂直的方形線圈組成，小線圈架(即第二亥姆霍茲線 圈架)由0. 62mX0. 62mX0. 62m三對(duì)相互垂直的方形線圈組成。在每對(duì)線圈上均分別繞制 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩套線圈，將兩套線圈架分開一段距離，并使兩套線圈架的每對(duì)線圈兩兩平行。本發(fā)明中使用的兩個(gè)磁通門計(jì)分別放置于兩套線圈的中心，其中一個(gè)置于小線圈 中心，用于探測(cè)磁場(chǎng)的變化，并反饋給反饋電子電路；另一個(gè)置于大線圈中心，起到檢測(cè)補(bǔ) 償效果的作用(在實(shí)際應(yīng)用中也可以不使用)。兩磁通門計(jì)的探測(cè)方向應(yīng)保持與線圈方向一 致。本發(fā)明中的電子反饋電路可以采用比例積分微分控制器(Proportional Integral Differentiated Controller，簡(jiǎn)稱“PID”)負(fù)反饋電子電路，PID負(fù)反饋電子電 路包含三個(gè)的組成部分前置放大器、比例積分微分器和功率放大器，該三個(gè)部件均可以手 動(dòng)調(diào)節(jié)的偏移值和帶寬。該電路可根據(jù)兩套線圈連接方式的不同而設(shè)置成比例輸出或者積 分輸出兩種工作模式，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)呢?fù)反饋功能。本發(fā)明的第二實(shí)施方式涉及一種基于空間相關(guān)性的比例型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，其 具體步驟如下(1)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架;Γ5米處，兩者保 持相互平行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于 第一亥姆霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行，其中，所述的第一亥姆霍 茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；(2)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲 線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；(3)將反饋電子電路 設(shè)置為比例輸出模式；(4)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反 饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生 與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的 效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電子電路中的偏移值及帶寬獲得最佳補(bǔ)償效果。圖2是比例型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償亥姆霍茲線圈架示意圖。圖中，線圈架1為大亥姆霍 茲線圈架，線圈架2為小亥姆霍茲線圈架。大亥姆霍茲線圈架與小亥姆霍茲線圈架相距一 定的距離，比如3米，且保持相互平行，在兩者的中心位置各置入一個(gè)磁通門計(jì)，兩磁通門 計(jì)也要保持相互平行。PID反饋電路設(shè)置為比例輸出模式。磁通門計(jì)2探測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)的變 化，將其輸入PID反饋電路，進(jìn)行運(yùn)算、放大后驅(qū)動(dòng)線圈架1，在其中心位置產(chǎn)生大小相等， 方向相反的補(bǔ)償磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定磁場(chǎng)的目的。本發(fā)明的第三實(shí)施方式涉及一種基于空間相關(guān)性的串聯(lián)積分磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法， 其具體步驟如下(1)通過(guò)理論計(jì)算得到第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的 靜態(tài)及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈的匝數(shù)比，使得在相同電流下，兩線圈的靜態(tài)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)一致，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)也一致，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架大于所述的第二亥 姆霍茲線圈架；(2)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架；Γ5米處，兩者保 持相互平行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于 第一亥姆霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行；(3)將第一亥姆霍茲線 圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以串聯(lián)的方式連接起來(lái)；(4)調(diào)節(jié)第一亥姆 霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處磁場(chǎng)的直流偏移值接 近于零；(5)將反饋電子電路設(shè)置為積分輸出模式；(6)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào) 輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài) 補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆 霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電子電路中的偏移值及帶寬獲得最佳 補(bǔ)償效果。圖3是串聯(lián)積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償亥姆霍茲線圈架示意圖。圖中，線圈架1為大亥姆 霍茲線圈架，線圈架2為小亥姆霍茲線圈架。大亥姆霍茲線圈架與小亥姆霍茲線圈架相距 一定的距離，比如5米，且保持相互平行，兩亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以串聯(lián)的方 式連接起來(lái)。在兩者的中心位置各置入一個(gè)磁通門計(jì)，兩磁通門計(jì)也要保持相互平行。PID 反饋電路設(shè)置為積分輸出模式。磁通門計(jì)2探測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)的變化，將其輸入PID反饋電路， 進(jìn)行運(yùn)算、放大后驅(qū)動(dòng)線圈架1，在其中心位置產(chǎn)生大小相等，方向相反的補(bǔ)償磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn) 定磁場(chǎng)的目的。本發(fā)明的第四實(shí)施方式涉及一種基于空間相關(guān)性的并聯(lián)積分磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法， 其具體步驟如下(1)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架;Γ5米處，兩者 保持相互平行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置 于第一亥姆霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行，其中，所述的第一亥姆 霍茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；(2)將第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲 線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以并聯(lián)的方式連接起來(lái)，并通過(guò)串聯(lián)可調(diào)電阻的方式使一亥姆霍 茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架產(chǎn)生的磁場(chǎng)一致；(3)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥 姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；(4)將反饋電 子電路設(shè)置為積分輸出模式；(5)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路 中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處 產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁 場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電子電路中的偏移值及帶寬獲得最佳補(bǔ)償效果。圖4是并聯(lián)積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償亥姆霍茲線圈架示意圖線圈架1為大亥姆霍茲 線圈架，線圈架2為小亥姆霍茲線圈架。大亥姆霍茲線圈架與小亥姆霍茲線圈架相距一定 的距離，比如4米，且保持相互平行，兩亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以并聯(lián)的方式連 接起來(lái)，并在兩條支路中各串聯(lián)一個(gè)可調(diào)變阻器。在兩者的中心位置各置入一個(gè)磁通門計(jì)， 兩磁通門計(jì)也要保持相互平行。PID反饋電路設(shè)置為積分輸出模式。磁通門計(jì)2探測(cè)環(huán)境 磁場(chǎng)的變化，將其輸入反饋電路PID，進(jìn)行運(yùn)算、放大后驅(qū)動(dòng)線圈架1，在其中心位置產(chǎn)生大 小相等，方向相反的補(bǔ)償磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定磁場(chǎng)的目的。圖5是水平方向補(bǔ)償前后對(duì)比示意圖，圖中曲線1是補(bǔ)償前磁場(chǎng)變化曲線， ΔΒ=206 ηΤ;曲線2是補(bǔ)償后磁場(chǎng)變化曲線，ΔΒ=13 ηΤ。圖6是豎直方向補(bǔ)償前后對(duì)比示意圖，圖中曲線1是補(bǔ)償前磁場(chǎng)變化曲線，ΔΒ=1503 ηΤ，曲線2是補(bǔ)償后磁場(chǎng)變化曲線， ΔΒ=14 ηΤ。不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可以最大程度地消除磁通門計(jì)對(duì)線圈中心處其他磁探測(cè)器件 的影響，在基于SQUID的極低場(chǎng)核磁共振及其成像以及其他生物磁研究中有很好的應(yīng)用前
權(quán)利要求
一種基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，包括第一亥姆霍茲線圈架、第二亥姆霍茲線圈架、第一磁通門計(jì)、第二磁通門計(jì)和反饋電子電路，其特征在于，所述的第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架之間留有間距，并且相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；所述的第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上均分別繞制有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩套線圈；所述的第一亥姆霍茲線圈架中心設(shè)有第一磁通門計(jì)，所述的第一磁通門計(jì)的探測(cè)方向與所述的第一亥姆霍茲線圈架方向一致；所述的第二亥姆霍茲線圈架中心設(shè)有第二磁通門計(jì)，所述的第二磁通門計(jì)的探測(cè)方向與所述的第二亥姆霍茲線圈架方向一致；所述的第二磁通門計(jì)通過(guò)所述的反饋電子電路與第一亥姆霍茲線圈架相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的 第一亥姆霍茲線圈架由1.9mX2. OmX2. Im三對(duì)相互垂直的方形線圈組成；所述的第二亥 姆霍茲線圈架由0. 62mX0. 62mX0. 62m三對(duì)相互垂直的方形線圈組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的 第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架之間的間距為3飛米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的 反饋電子電路為PID負(fù)反饋電子電路，包括依次串聯(lián)的前置放大器、比例積分微分器、功率 放大器；所述的前置放大器、比例積分微分器和功率放大器的偏移值和帶寬可調(diào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述的 反饋電子電路根據(jù)所述的第一亥姆霍茲線圈架上動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈和第二亥姆霍茲線圈架上 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈的連接方式設(shè)置成比例輸出或者積分輸出兩種工作模式。
6.一種使用如權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的方法，其特征 在于，包括以下步驟(1)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架;Γ5米處，兩者保持相互平 行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于第一亥姆 霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架 大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；(2)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處 磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；(3)將反饋電子電路設(shè)置為比例輸出模式；(4)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、 放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小 相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié) 反饋電子電路中的偏移值及帶寬參數(shù)獲得最佳補(bǔ)償效果。
7.一種使用如權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的方法，其特征 在于，包括以下步驟(1)通過(guò)理論計(jì)算得到第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的靜態(tài)及動(dòng)態(tài) 補(bǔ)償線圈的匝數(shù)比，使得在相同電流下，兩線圈的靜態(tài)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)一致，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)也一致，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架大于所述的第二亥姆霍茲線圈 架；(2)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架3飛米處，兩者保持相互平 行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于第一亥姆 霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行；(3)將第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以串聯(lián)的方式連 接起來(lái)；(4)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處 磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；(5)將反饋電子電路設(shè)置為積分輸出模式；(6)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、 放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小 相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié) 反饋電子電路中的偏移值及帶寬參數(shù)獲得最佳補(bǔ)償效果。
8. 一種使用如權(quán)利要求1所述的基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)的方法，其特征 在于，包括以下步驟(1)將第二亥姆霍茲線圈架放到距離第一亥姆霍茲線圈架;Γ5米處，兩者保持相互平 行，然后將第二磁通門計(jì)置于第二亥姆霍茲線圈架中心處，將第一磁通門計(jì)置于第一亥姆 霍茲線圈架的中心處，并使兩個(gè)磁通門計(jì)保持相互平行，其中，所述的第一亥姆霍茲線圈架 大于所述的第二亥姆霍茲線圈架；(2)將第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈以并聯(lián)的方式連 接起來(lái)，并通過(guò)串聯(lián)可調(diào)電阻的方式使一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架產(chǎn)生的磁 場(chǎng)一致；(3)調(diào)節(jié)第一亥姆霍茲線圈架和第二亥姆霍茲線圈架的靜態(tài)補(bǔ)償電流使得兩者中心處 磁場(chǎng)的直流偏移值接近于零；(4)將反饋電子電路設(shè)置為積分輸出模式；(5)將第二磁通門計(jì)探測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)輸入到反饋電子電路中，反饋電子電路經(jīng)運(yùn)算、 放大后驅(qū)動(dòng)第一亥姆霍茲線圈架上的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償線圈，在其中心處產(chǎn)生與探測(cè)到的磁場(chǎng)大小 相等、方向相反的磁場(chǎng)，達(dá)到穩(wěn)定第一亥姆霍茲線圈架中心處磁場(chǎng)的效果，其中，通過(guò)調(diào)節(jié) 反饋電子電路中的偏移值及帶寬參數(shù)獲得最佳補(bǔ)償效果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)基于PID負(fù)反饋電子電路及環(huán)境磁場(chǎng)波動(dòng)的空間相關(guān)性，利用大、小兩套亥姆霍茲線圈架及兩個(gè)磁通門計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)三軸方向上環(huán)境磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。本發(fā)明還公開了三種使用該系統(tǒng)的方法包括(1)比例型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法；(2)串聯(lián)積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法；(3)并聯(lián)積分型磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。本發(fā)明的系統(tǒng)易于搭建、成本低、操作簡(jiǎn)單，并能夠獲得很好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，同時(shí)方法可以最大程度地消除磁通門計(jì)對(duì)線圈中心處其他磁探測(cè)器件的影響，在基于SQUID的極低場(chǎng)核磁共振及其成像以及其他生物磁研究中有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01R33/3875GK101893693SQ201010228159
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者劉超, 王永良, 謝曉明, 邱隆清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所