用于设计磁屏蔽装置的方法和装置以及磁屏蔽装置

本技术涉及磁屏蔽装置，具体涉及一种用于设计磁屏蔽装置的方法和装置、计算机可读存储介质、电子设备、软件和磁屏蔽装置。

背景技术：

1、在很多情况下，人们需要对微弱的磁场信号进行测量，或者在磁场微弱的环境中开展实验。为了达到上述实验的开展条件，需要屏蔽地磁场及其它干扰源的干扰，创造一个弱磁场环境。目前，公认的实现方法是：使用高磁导率磁性材料建造多层屏蔽腔体形成磁屏蔽装置。磁屏蔽装置可以采取的基本几何结构包括：足球形(如日本cosmos磁屏蔽装置)，圆柱筒形，长方体形(如德国bmsr磁屏蔽房)等。一般来说，对称性越高，磁屏蔽效果越好，但是加工难度也越大。磁屏蔽筒具有柱面对称性，同时易于加工，可以在成本较低的情况下实现很好的磁屏蔽效果，可以加工成小型至中大型磁屏蔽装置。对于磁屏蔽筒，两端底面均封闭的情况下磁屏蔽性能最好，但是在一些情况下，需要设计制作单端开放的磁屏蔽筒，现有技术中，是通过在现有的双端封闭的磁屏蔽筒的基础上，将其中一端打开，使之成为单端开放的磁屏蔽筒。由于双端封闭的磁屏蔽筒无需特别优化设计也具有不错的性能，比如层间等间距或近似等间距的方案，为大多数制造商所采用，因此，并没有针对磁屏蔽筒的几何结构的参数进行优化设计，然而，如果单端开放的磁屏蔽筒也采用与双端封闭的磁屏蔽筒类似的几何结构，则存在屏蔽性能变差的问题。同样的，对于具有其他基本几何结构的磁屏蔽装置，仅是在其基础上设置了开口结构，也会使得该磁屏蔽装置的磁屏蔽性能显著降低。

2、鉴于此，亟待提供一种磁屏蔽装置的优化设计方法，提高磁屏蔽装置的屏蔽性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例提供了一种用于设计磁屏蔽装置的方法、计算机可读存储介质、电子设备、软件产品和磁屏蔽装置，通过构建完备参数集并优化其中的参数实现了对磁屏蔽装置性能的优化。

2、第一方面，本技术的实施例提供了一种用于设计磁屏蔽装置的方法，包括：确定磁屏蔽装置内部的感兴趣区域，感兴趣区域为预期实现磁场屏蔽效果的区域，磁屏蔽装置包括嵌套设置的n层壳体；

3、确定完备参数集，完备参数集用于描述n层壳体中的至少一层壳体的几何结构以及感兴趣区域与至少一层壳体中的每层壳体的相对位置关系；

4、基于完备参数集获取描述几何结构的一组结果参数，其中，结果参数能够使感兴趣区域内的磁感应强度满足预设阈值。

5、在本技术某些实施例中，基于完备参数集获取描述几何结构的一组结果参数，包括：

6、以完备参数集为自变量，以感兴趣区域内的磁感应强度为因变量，输入到无导数优化模型中，得到一组最优参数，其中，自变量包括非单调递增自变量，非单调递增自变量增加时，因变量不单调增加，且设置常数用于在无导数优化模型中界定非单调递增自变量的上界；

7、验证最优参数中的非单调递增自变量是否达到了常数界定的上界，

8、如果是，则增大无导数优化模型的常数后再重新进行无导数优化模型的计算；

9、如果否，验证具有最优参数的磁屏蔽装置的感兴趣区域内的磁感应强度是否满足预设阈值；如果是，输出结果，且输出的结果为结果参数；如果否，调整无导数优化模型的输入，再重新进行无导数优化模型的计算。

10、在本技术某些实施例中，输入到无导数优化模型中，得到一组最优参数，包括：通过无导数优化模型计算得到基于完备参数集的优化参数，并且通过从几何结构得到磁屏蔽装置的磁场分布的方法将优化参数转化成磁感应强度，在无导数优化模型运算的过程中采用重复计算或迭代计算，来获得最优参数和具有最优参数的磁屏蔽装置的感兴趣区域内的磁感应强度。

11、在本技术某些实施例中，在无导数优化模型运算的过程中采用重复计算包括：在无导数优化模型运算的过程中根据重复计算的规则计算所有参数组合对应的目标函数值，选出对应最小目标函数值的最优参数并获取其值和与之对应的具有最优参数的磁屏蔽装置的感兴趣区域内的磁感应强度。

12、在本技术某些实施例中，在无导数优化模型运算的过程中采用迭代计算包括：在无导数优化模型运算的过程中基于先前计算采用的待优化参数的值和与之对应的目标函数值来获取新的优化参数，并且根据迭代终止条件不断地计算，直至得到最优参数和具有最优参数的磁屏蔽装置的感兴趣区域内的磁感应强度。

13、在本技术某些实施例中，从几何结构得到磁屏蔽装置的磁场分布的方法包括有限元法。

14、在本技术某些实施例中，n层壳体的基本几何结构相同且均具有对称性，感兴趣区域为三维空间。

15、在本技术某些实施例中，感兴趣区域的中心在n层壳体的对称面上。

16、在本技术某些实施例中，n层壳体具有旋转对称性，感兴趣区域的中心在n层壳体的对称轴上。

17、在本技术某些实施例中，感兴趣区域具有轴对称性，且感兴趣区域的对称轴与n层壳体的对称轴重合。

18、在本技术某些实施例中，确定完备参数集，包括：根据对感兴趣区域的磁感应强度的预设阈值来确定磁屏蔽装置的基本参数；

19、根据基本参数确定完备参数集，其中，基本参数包括用于表征磁屏蔽装置的基本几何结构的参数、磁屏蔽装置包括的壳体的层数、n层壳体的材料、每层壳体的厚度以及感兴趣区域的大小和感兴趣区域相对磁屏蔽装置的位置。

20、在本技术某些实施例中，基于完备参数集获取描述几何结构的一组结果参数，包括：确定约束条件；基于约束条件和完备参数集获取描述几何结构的一组结果参数，约束条件限制了完备参数集中的参数范围。

21、在本技术某些实施例中，还包括：基于完备参数集，选取与完备参数集中相同参数数目的独立的参数，其中独立的参数具有与完备参数集相同的完备性用以完整描述几何结构；基于独立的参数构建一级广义坐标；在一级广义坐标中，根据完备参数集，获得描述几何结构的差值特征参数。

22、在本技术某些实施例中，还包括：基于一级广义坐标，构建二级广义坐标；利用二级广义坐标对一级广义坐标进行归一化处理。

23、在本技术某些实施例中，磁屏蔽装置的基本几何结构为设有至少一个开口结构的几何结构，且n层壳体的基本几何结构的中心不重合，其中，开口结构连通感兴趣区域与n层壳体的外部空间。

24、在本技术某些实施例中，磁屏蔽装置的基本几何结构为具有柱面对称性且具有单端开口的圆柱形结构，n层壳体中的至少一层壳体的开口设有沿着壳体的外边缘向靠近圆柱形结构的对称轴方向延伸的环状结构，环状结构遮挡在相邻的壳体之间的垂直于对称轴方向的间隙；

25、完备参数集用于表征圆柱形结构的对称截面的参数，其中，对称截面是指经过对称轴且以对称轴为边界的半平面。

26、在本技术某些实施例中，n层壳体中除最内层壳体之外的n-1层壳体的开口设有环状结构。

27、在本技术某些实施例中，完备参数集的参数包括圆柱形的底面半径ri，底面到感兴趣区域的中心的轴向距离lai，n层壳体中的每一层壳体到感兴趣区域的中心的轴向距离lbi和环状结构的宽度ci，其中i代表第i层壳体，其中，

28、当n层壳体中的每一层壳体都设有环状结构时，lbi为环状结构的几何中心即质心到感兴趣区域的中心的轴向距离；

29、当n层壳体中至少有一层壳体不设有环状结构时，对于不设有环状结构的壳体，lbi为对应的不设有环状结构的壳体的外边缘到感兴趣区域的中心的轴向距离；对于n层壳体中设有环状结构的壳体，lbi为环状结构的几何中心即质心到感兴趣区域的中心的轴向距离。

30、在本技术某些实施例中，完备参数集中的参数被约束条件施加了范围限制，其中，约束条件包括：

31、外尺寸约束，用于界定磁屏蔽装置的最大外部边界；

32、内尺寸约束，用于界定磁屏蔽装置的最小内部空间；

33、间距约束，用以界定相邻壳体之间的最小间距；

34、最小宽度的约束，用于界定环状结构的最小宽度；

35、感兴趣区域约束，用于界定感兴趣区域距离磁屏蔽装置的最内层壳体的底面的最小轴向距离。

36、在本技术某些实施例中，约束条件还包括额外约束，额外约束用于限制相邻壳体之间更外层的半径差大于更内层的半径差，即ri+1-ri＞ri-ri-1。

37、第二方面，本技术的实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储介质存储有计算机程序，计算机程序用于执行上述中任一项的用于设计磁屏蔽装置的方法。

38、第三方面，本技术的实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器，其中，处理器用于执行上述中的任一项的用于设计磁屏蔽装置的方法。

39、第四方面，本技术的实施例提供了一种软件产品，该软件产品运行上述中的任一项的用于设计磁屏蔽装置的方法。

40、第五方面，本技术的实施例提供了一种磁屏蔽装置，其包括：嵌套在一起的n层壳体，其中，n＞1，且磁屏蔽装置是通过上述中的任一项的用于设计磁屏蔽装置的方法设计得到的。

41、在本技术某些实施例中，n层壳体中的相邻壳体之间在磁屏蔽装置的使用方向的两端的至少一端存在长度差，和/或，n层壳体中的相邻壳体之间在垂直于磁屏蔽装置的使用方向中存在装配间隙，且长度差和装配间隙是被用于设计磁屏蔽装置的方法设计得到的。其中，磁屏蔽装置设有待测样品的进出通道，该进出通道可以被盖子封闭，磁屏蔽装置的使用方向是待测样品的进出通道在未被盖子封闭时在最外层壳体形成的闭合曲线(开口的边缘)的几何中心与感兴趣区域中心所在的直线方向。待测样品包括光，物品，人体中任一种或多种。当然壳体之间的长度差和装配间隙并不局限于上述实施例中相对于使用方向的方向的设置。

42、在本技术某些实施例中，n层壳体中的壳体至少设置三层，且至少两个相邻两个壳体之间的装配间隙不相等和/或至少两个相邻两个壳体之间的长度差不相等。

43、在本技术某些实施例中，磁屏蔽装置的n层壳体的基本几何结构相同且均具有对称性；沿着n层壳体的对称轴的轴向上，在n层壳体的一端设有一开口，形成磁屏蔽装置的开端，与开端相对设置的另一端为磁屏蔽装置的闭端；在靠近磁屏蔽装置的开端处，n层壳体形成长度差。

44、在本技术某些实施例中，在n层壳体中的至少一层壳体的开端设有沿着壳体的外边缘向靠近n层壳体的对称轴方向延伸的屏蔽结构，且不同层的屏蔽结构之间在垂直于n层壳体的对称轴的方向上形成装配间隙。

45、在本技术某些实施例中，n层壳体中的最内层壳体的外边缘沿垂直于开口所在的平面的方向拉伸形成一曲面，屏蔽结构延伸至曲面。

46、在本技术某些实施例中，n层壳体中除最内层壳体之外的n-1层壳体的开口处设有屏蔽结构。

47、在本技术某些实施例中，n层壳体的基本几何结构为具有柱面对称性的圆柱形结构，屏蔽结构为环状结构。

48、第六方面，本技术的实施例提供了一种用于设计磁屏蔽装置的装置，其包括：

49、第一确定模块，用于确定磁屏蔽装置内部的感兴趣区域，感兴趣区域为预期实现磁场屏蔽效果的区域，磁屏蔽装置包括嵌套设置的n层壳体；

50、第二确定模块，用于确定完备参数集，完备参数集用于描述n层壳体中的至少一层壳体的几何结构以及感兴趣区域与至少一层壳体中的每层壳体的相对位置关系；

51、参数优化模块，用于基于完备参数集获取描述几何结构的一组结果参数，其中，结果参数能够使感兴趣区域内的磁感应强度满足预设阈值。

52、本技术实施例提供了一种用于设计磁屏蔽装置的方法和装置以及磁屏蔽装置，在该方法中设置了感兴趣区域以及完备参数集，并通过优化完备参数集中的参数实现了对该磁屏蔽装置的性能的优化。

53、附图说明

54、图1是本技术一示例性实施例中提供的用于设计磁屏蔽装置的方法的流程示意图。

55、图2是本技术一示例性实施例中提供的用于设计磁屏蔽装置的方法的流程示意图。

56、图3是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置的三维示意图。

57、图4是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置的二维剖面示意图。

58、图5是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置的每一层壳体的结构示意图。

59、图6是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置的对称截面在三维图示中的结构示意图。

60、图7是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置的对称截面在二维剖面图中的结构示意图。

61、图8是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置的每一层的结构在对称截面中的结构示意图。

62、图9是本技术一示例性实施例中圆柱形感兴趣区域在对称截面中的结构示意图。

63、图10是本技术一示例性实施例中描述单独一层结构(第i层)和感兴趣区域所需要的完备参数集。

64、图11是本技术一示例性实施例中提到的待优化的磁屏蔽装置等间距方案的二维剖面图。

65、图12是本技术一示例性实施例中优化后的磁屏蔽装置的三维示意图。

66、图13是本技术一示例性实施例中优化后的磁屏蔽装置二维剖面图。