一种用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置的制作方法

1.本发明属于心脑磁控制领域，特别是涉及一种用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置。


背景技术：

2.心脑磁的测量是生物医学中一个非常重要的研究方向。脑磁是脑部神经组织控制的神经信号在传输过程中产生的局部磁场，这种极微弱磁场的量级通常在100ft以下，心磁则是心脏跳动过程中伴随激活电流产生的磁场，所对应的磁场的幅值要比脑磁磁场高一个数量级，二者的主要测量方式均为超导量子干涉仪(squid)。
3.超导量子干涉仪传感器阵列磁成像技术是一种广为接受的测量人体生理现象所产生的微弱磁场的技术。但是由于超导量子干涉仪只有在低温条件下才能实现超高灵敏度，限制了其广泛应用。室温替代超导量子干涉仪的方案是自旋交换弛豫自由原子磁强计(serf)，但是它需要很低的环境磁场，而地磁场的强度为30000～50000nt,因此需要动态磁场补偿装置抵消地磁场，使得装置中心区域的磁感应强度达到原子磁强计的工作范围。一般的磁屏蔽装置所采用的高磁导率屏蔽材料价格昂贵，所采用的梯度线圈增加了主动磁补偿装置的体积，使得磁屏蔽成本增加。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服一般磁屏蔽装置在成本和体积上的不足，构建一种小型化、低成本、能够提供大均匀区极弱磁环境的动态磁场补偿装置。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置，包括：
6.反向亥姆霍兹线圈、正向亥姆霍兹线圈、磁通门传感器、均匀场补偿模块、梯度补偿模块；
7.所述反向亥姆霍兹线圈、正向亥姆霍兹线圈平行相对，用于产生感应磁场；
8.所述磁通门传感器用于将感应磁场的磁感应强度转换为电压信号；
9.均匀场补偿模块，用于为所述反向亥姆霍兹线圈提供梯度磁场，以抵消地磁场中的非均匀项；
10.梯度补偿模块，用于使所述正向亥姆霍兹线圈产生相应的偏置均匀磁场，以抵消地磁场中的均匀项。
11.优选地，所述均匀场补偿模块包括依次连接的第一pid控制器、第一数模转换器、第一压控电流源、第一模数转换器；
12.所述第一pid控制器用于产生控制量作用于所述第一压控电流源为正向亥姆霍兹线圈提供电流，产生均匀磁场。
13.优选地，所述梯度补偿模块包括依次连接的差分运算电路、第二模数转换器、第二pid控制器、第二数模转换器、第二压控电流源；
14.所述第二模数转换器用于将电压信号转换为数字信号；
15.所述第二pid控制器用于产生控制量作用于所述第二压控电流源为反向亥姆霍兹线圈提供电流，产生梯度磁场。
16.优选地，所述磁通门传感器包括第一磁通门传感器、第二磁通门传感器；
17.所述第一磁通门传感器、第二磁通门传感器分别与差分运算电路连接；
18.所述第一磁通门传感器与第一模数转换器连接。
19.优选地，所述控制装置还包括补偿控制模块，所述补偿控制模块用于防止梯度补偿与均匀场补偿之间出现耦合；
20.所述补偿控制模块包括第一控制单元、第二控制单元；
21.所述第一控制单元用于控制梯度补偿模块进行梯度补偿；
22.所述第二控制单元用于判断梯度补偿模块输出的磁场是否稳定，当磁场稳定后，控制开启均匀场补偿模块。
23.优选地，所述反向亥姆霍兹线圈、正向亥姆霍兹线圈产生的感应磁场为叠加磁场，所述叠加磁场的磁感应强度与z轴方向的关系为：
24.b
sum
＝kz+bh25.其中，k为反向亥姆霍兹线圈产生的磁场沿z方向的变化率，bh为方形亥姆霍兹线圈产生的偏置均匀磁场的大小。
26.优选地，所述正向亥姆霍兹线圈的单级线圈在z轴上的磁感应强度分量基于真空磁导率、通入线圈中的电流、正向亥姆霍兹线圈两极线圈之间的间距、正向亥姆霍兹线圈的边长获得。
27.优选地，所述梯度磁场的磁感应强度的计算公式为：
[0028][0029]
其中，b
zi
为反向亥姆霍兹线圈的单级线圈在z轴上的磁感应强度分量，i为通入线圈中的电流。
[0030]
本发明公开了以下技术效果：
[0031]
本发明提供的一种用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置，利用方形亥姆霍兹线圈产生均匀磁场，利用反向亥姆霍兹线圈产生梯度磁场，两对线圈产生的磁场在中心区域叠加，从而抵消地磁场中的均匀项和非均匀项。利用磁通门传感器产生的电压信号作为负反馈信号构成对线圈电流的闭环稳定控制。既缩小了磁屏蔽装置体积，减少材料成本，而且能够在装置中心区域产生大均匀区极弱磁环境。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明实施例的系统结构示意图；
[0034]
图2为本发明实施例的双亥姆霍兹线圈原理图；
[0035]
图3为本发明实施例的comsol仿真模型图；
[0036]
图4为本发明实施例所产生的磁场仿真结果图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0039]
本发明用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置主要包括均匀场补偿模块和梯度补偿模块，一对方形亥姆霍兹线圈，一对反向亥姆霍兹线圈，两个模块均包含模数转换器、数模转换器、pid控制器、压控电流源，磁通门传感器。该装置是通过磁通门传感器将磁感应强度转换成电压信号，其中梯度补偿模块将两个磁通门传感器输出的电压信号先经过差分电路，然后经模数转换器转换成数字信号进入pid控制器，产生的控制量作用于压控电流源为反向亥姆霍兹线圈提供电流，使其产生梯度磁场。均匀场补偿模块直接利用单个磁通门传感器的输出电压信号，经过模数转换器进入pid控制器，控制器产生的控制量作用于压控电流源为方形亥姆霍兹线圈提供电流使其产生均匀磁场，最终实现在双亥姆霍兹线圈中心区域产生与轴向位置呈一阶线性关系的磁场，抵消抵偿地磁场，实现中心区域的极弱磁环境。
[0040]
如图1所示，本发明提供了一种用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置,包括：
[0041]
梯度补偿模块：
[0042]
以梯度δb
ref
＝0作为参考量，两个磁通门传感器的差分信号经过模数转换器转换成数字量进入控制器与参考量进行比较，得到偏差量，在控制器中采用pid控制算法产生控制量，经数模转换器转换成模拟量作为压控电压源的参考量，最后使得反向亥姆霍兹线圈提供合适的梯度磁场抵消地磁场中的非均匀项。
[0043]
均匀场补偿模块：
[0044]
以磁感应强度b
ref
＝0作为参考量，利用一个磁通门传感器的信号经过模数转换器转换成数字量进入控制器，得到的偏差量进入pid控制器，pid控制器产生的控制量经过数模转换器转换成数字量作用于压控电流源输出电流，最终使得方形亥姆霍兹线圈产生相应的偏置均匀磁场抵消地磁场中的均匀项。
[0045]
为防止梯度补偿与均匀场补偿之间出现耦合，简化调参过程，首先进行梯度补偿，在梯度补偿模块输出的磁场稳定后，再开启均匀场补偿模块，两组亥姆霍兹线圈在中心区域的产生的磁场是叠加的，产生的磁感应强度总和与z呈一阶线性关系：
[0046]bsum
＝kz+bhꢀꢀꢀ
(1)
[0047]
上式中k为反向亥姆霍兹线圈产生的磁场沿z方向的变化率，bh为方形亥姆霍兹线圈产生的偏置均匀磁场的大小。
[0048]
如图2所示，首先由毕奥-萨伐尔定律可以得到在空间中长度为l的导线l1，通入的
电流大小为i对空间中一点m(x,y,z)所产生的磁感应强度在z轴方向上的分量的大小如下：
[0049][0050]
上式中μ0为真空磁导率，i为通入线圈中的电流，h为方形亥姆霍兹线圈两极线圈之间的间距，长度l作为方形亥姆霍兹线圈的边长，由式(2)可得方形亥姆霍兹线圈中单极线圈另外三条边l2，l3，l4对点m(x,y,z)所产生的z轴方向上的磁感应强度分量大小如下所示：
[0051][0052][0053][0054]
由式(2)(3)(4)(5)可得方形亥姆霍兹线圈另一极线圈对点m(x,y,z)所产生的z轴方向上的磁感应强度分量大小为：
[0055][0056]
则方形亥姆霍兹线圈通入同向电流i时，在空间点m(x,y,z)处所产生的z轴方向上的磁感应强度分量大小为：
[0057][0058]
为使方形亥姆霍兹线圈在中心区域产生的磁感应强度最大，需满足：
[0059][0060]
为使方形亥姆霍兹线圈在中心区域产生的磁场均匀，需满足：
[0061][0062]
求解式(8)，(9)可得要使方形亥姆霍兹线圈在中心区域产生的磁感应强度最大、形成的磁场均匀，方形亥姆霍兹线圈边长与两极线圈之间的间距需满足：
[0063]
h＝0.54l
ꢀꢀꢀ
(10)
[0064]
当方形亥姆霍兹线圈边长与两极线圈之间的间距满足式(10)时，方形亥姆霍兹线圈在中心点产生的磁感应强度大小为：
[0065]
[0066]
由于地磁场中不仅包含均匀磁场，还包含梯度磁场。为抵消梯度磁场，实现零磁空间，可在方形亥姆霍兹线圈两极线圈中通入相反方向的电流，产生的梯度磁场如下式所示：
[0067][0068]
由式(12)可得反向亥姆霍兹线圈在中心区域产生的梯度最大，产生的梯度变化均匀，需满足下列条件：
[0069][0070]
根据式(13)计算可得反向亥姆霍兹线圈线圈边长l2与线圈间距h2之间的关系为：
[0071]
h2＝1.064l2ꢀꢀꢀ
(14)
[0072]
由式(10)和式(14)可知，要使得方形亥姆霍兹线圈和反向亥姆霍兹线圈的间距相等，即h＝h2，可得两种线圈对应的线圈边长为：
[0073]
l＝1.97l2ꢀꢀꢀ
(15)
[0074]
如图3所示，本发明的comsol仿真模型，其中外围的方形亥姆霍兹线圈的边长为550mm，线圈匝数为120匝，通入的电流为0.42a。内部反向亥姆霍兹线圈的边长为282mm，线圈匝数40匝，通入的电流为0.1a，两对线圈的间距均为300mm。
[0075]
如图4所示，可以看出本发明所产生的磁场仿真结果与设计结论相符，方形亥姆霍兹线圈与反向亥姆霍兹线圈在中心区域的叠加磁场与轴向位置呈一阶线性关系，能够产生足够的磁场去抵消地磁场。
[0076]
本发明所设计的单轴动态磁场补偿可以扩展到三轴动态磁场补偿，从而实现对三个方向上的地磁场的动态补偿，是一个具有通用性的磁场补偿装置。
[0077]
本实施例提供的一种用于动态磁场补偿的双亥姆霍兹控制装置，能够对地磁场进行实时的自动补偿，能够在装置中心区域产生极弱磁环境。其主要包括均匀场补偿模块，梯度磁场补偿模块，两个模块均包含了pid控制器、数模转换器、模数转换器和压控电流源。pid控制器产生的控制量经过压控电流源作用于两对线圈间距相等的方形亥姆霍兹线圈，其中外围亥姆霍兹线圈提供偏置均匀磁场，内部亥姆霍兹线圈提供梯度磁场。本发明所采用的双亥姆霍兹线圈结构在缩小屏蔽装置尺寸的同时补偿了地磁场中的均匀项与非均匀项，能够提供大均匀区极弱磁环境。
[0078]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。