一种带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室及其设计方法

本发明涉及磁科学与，具体而言，涉及一种带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室及其设计方法。

背景技术：

1、磁性是物质的基本属性之一，在研究物质磁性的过程中，物质所处的磁场环境是重要因素，是磁科学技术发展的不可回避事项。随着量子理论的发展，为了测得物质的磁性，量子传感器不断发展、逐渐成熟，开始应用于诸如电偶极矩测量、生物磁测量、地球物理量测量等精密实验，然而这些测量领域都提出了稳定弱磁工作环境的需求，所以我们需要利用零磁装置屏蔽外界磁场以提供符合要求的弱磁测试环境。

2、实现弱磁环境可以采用磁屏蔽技术和磁补偿技术。磁屏蔽技术是通过多层高导磁材料和高导电材料排列组合实现弱磁环境的，常用的高导磁材料为坡莫合金，可以屏蔽低频(dc-10hz)的磁场；常用的高导电材料为铝和铜，通过涡流效应屏蔽高频(10hz-mhz)磁场；磁补偿技术主要通过控制补偿线圈中的电流大小产生不同大小的磁场补偿内部剩余场，从而提高空间内磁场屏蔽的效果。

3、由于坡莫合金的铁磁性，将其置于磁场中，坡莫合金内部会被磁化形成感应磁场，磁补偿技术可以补偿残余的内部磁场。磁补偿技术会引入补偿线圈，补偿线圈通电会给坡莫合金施加的外磁场。基于坡莫合金的铁磁性，有可能形成相当强烈的磁化和感应磁场，从而破坏内部磁场分布，导致磁场均匀性的减小，这个现象一般称之为耦合。

4、然而，目前的市面上的屏蔽室总质量非常大，选址安装后不便移动，不符合市场上小型化可移动的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术缺陷，且提供了一种能够向电子纸显示区输出多组驱动电压的带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室及其设计方法。

2、本发明提供的一种带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室，其技术方案如下：

3、一种带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室，所述轻型磁屏蔽室包含有绝缘底座，并且，所述轻型磁屏蔽室还包含有建立在所述绝缘底座之上的舱墙和舱顶；

4、其中，

5、所述舱墙和舱顶所围区域内设置有用于为所述轻型磁屏蔽室内特定区域提供磁补偿的网格约束线圈；

6、所述舱墙和舱顶均由磁屏蔽材料砌成，所述舱墙和/或所述舱顶上呈等间距分布设置有若干个开孔；

7、所述网格约束线圈包括由多个线圈网格拼接形成的多面体网。

8、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少可以带来的有益效果有：由于采用磁屏蔽材料砌成舱墙和舱顶，舱墙和/或舱顶上呈等间距分布设置有若干个开孔，进而形成开放式轻质屏蔽舱，有效的降低了屏蔽舱的整体重量。而且，采用空间约束线圈作为磁补偿线圈，从各个方向提供磁补偿，进而在实现降低屏蔽室质量的前提下，为屏蔽室内部区域提供磁补偿。

9、本发明提供的一种带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室设计方法，其技术方案如下：

10、一种带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室设计方法，基于本发明技术方案所述的带有主动磁补偿的轻型磁屏蔽室，包括如下步骤：

11、步骤一、通过计算机设备，结合拟定的磁屏蔽室的屏蔽层开孔个数、大小，以最大的材料去除量为优化目标，以屏蔽室内剩余磁场为评价标准进行优化，得到屏蔽层开孔个数、大小，以及最大的材料去除量；

12、步骤二、对由所述步骤一得到的屏蔽层开孔个数、大小，以及最大的材料去除量进行工程化处理，进而得到工程应用性能优异的屏蔽层开孔个数及大小；

13、步骤三、制备绝缘底座，采用磁屏蔽材料，根据所述步骤二获得的工程应用性能优异的屏蔽层开孔个数及大小，在所述绝缘底座之上建立舱墙和舱顶；

14、步骤四、在所述磁屏蔽室内建立网格约束线圈，所述网格约束线圈包括由多个线圈网格拼接形成的多面体网；

15、步骤五、在所述网格约束线圈所包围的内部区域中选定目标区域，并将所述目标区域离散化，将经离散化后形成的诸点进行磁感应强度赋值；

16、步骤六、以所述步骤五中目标区域离散化形成诸点磁感应强度赋值所合成的向量为常向量，利用毕-萨定律，建立线性方程组并求解该线性方程组，获得所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流数值；

17、步骤七、将所述步骤六获得的所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流数值进行化简处理，以降低通电接口数量。

18、采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少可以带来的有益效果有：首先通过步骤一和步骤二，得到工程应用性能优异的屏蔽层开孔个数及大小，而后以此为基础，采用磁屏蔽材料，在绝缘底座上搭建而成墙和舱顶，进而制成了有多个开孔，且开孔个数优异而确保屏蔽室轻质的开放式轻质屏蔽舱，有效的降低了屏蔽舱的整体重量。以此为根据，于磁屏蔽室内建立网格约束线圈，以从多个方向提供磁补偿，这种优先确定线圈在空间中的几何占位的举措，能够有效的避免机械干涉的同时可以针对孔洞、门缝处进行线圈密化处理。网格约束线圈各边的电流则根据于特定区域选定离散点，通过毕-萨定律建立线性方程组，求解线性方程组而获得各边电流的方式而确定，最后通过电流化简，尽可能降低通电接口数量，从而在实现降低屏蔽室质量的前提下，为屏蔽室内部区域提供精密磁补偿。

19、作为优选，所述步骤一包括如下步骤：

20、步骤1.1、通过计算机设备，求解如下优化问题：

21、

22、s.t.25％≤s％≤50％，

23、3≤n≤8，

24、l1≥25，

25、l2≤60，

26、获得一组优化解，其中，nm为开孔数量，代表所述磁屏蔽室上孔占比为s％，表面积为s的一个面上等间距开设的所述开孔为n行、m列，所述开孔为边长l1的正方形，相邻两个所述开孔间距为l2；

27、步骤1.2、在计算机设备上利用多物理场仿真软件的磁场模块，对所述步骤1.1所获的一组优化解进行有限元分析，以屏蔽室内剩余磁场为评价标准进行优化，得到屏蔽层开孔个数、大小，以及最大的材料去除量；

28、进而，通过定义开孔数量，开孔边长以及开孔间距。以对磁屏蔽室的屏蔽层开孔个数、大小进行扫参，通过建立优化问题，以最大的材料去除量为优化目标，获得一组优化解，利用有限元分析方法，以屏蔽室内剩余磁场为评价标准进行优化，从所获的这一组优化解种筛选出最优的屏蔽层开孔个数、大小，以及最大的材料去除量。

29、作为优选，所述步骤二包括如下步骤：

30、步骤2.1、将由所述步骤1.2得到的屏蔽层开孔个数、大小，以及最大的材料去除量在合理范围内舍入和圆整，获得新的屏蔽层开孔个数、大小，以及最大的材料去除量数值；

31、步骤2.2、通过有限元计算分析经所述步骤2.1处理后得到的结果是否合理，误差是否在可接受范围内，若通过所述有限元计算分析得出结果合理，误差可接受的结论，则将所述步骤2.1所得到的屏蔽层开孔个数和大小作为工程应用性能优异的屏蔽层开孔个数及大小；若通过所述有限元计算分析得出结果不合理和/或误差不可接受的结论，则重新执行所述步骤2.1；

32、进而得到工程应用性能优异的屏蔽层开孔个数及大小，为构建屏蔽室时在舱墙和舱顶提供挖空依据，以最大程度降低屏蔽室的质量。

33、作为优选，所述步骤六包括如步骤：

34、步骤6.1、以所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流在所述目标区域诸离散点引发磁场的磁感应强度值所合成的向量为常向量，以所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流为未知量，利用毕-萨定律，建立源电流对应的线性方程组；

35、步骤6.2、以所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流于所述磁屏蔽材料的镜像电流在所述目标区域诸离散点引发磁场的磁感应强度值所合成的向量为常向量，以所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流于所述磁屏蔽材料的镜像电流为未知量，利用毕-萨定律，建立镜像电流对应的线性方程组；

36、步骤6.3、基于镜像法中的耦合效应，将所述源电流对应的线性方程组与所述镜像电流对应的线性方程组融合为一线性方程组，求解该线性方程组，获得所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流数值；

37、进而，在网格约束线圈各边源电流的基础上，结合该源电流镜像电流，将空间约束线圈的正向设计法和镜像法结合起来，可以降低耦合效应，得到设计更加简单，补偿效果更加优秀的补偿线圈，而且，该过程与本方法中前面过程的顺序合并，结合了开放式屏蔽箱的设计方法和镜像法设计补偿线圈，验证了镜像法可以用于在开放式屏蔽箱中设计补偿线圈。

38、作为优选，所述步骤6.2中，所述网格约束线圈中所有线圈网格的电流于所述磁屏蔽材料的镜像电流包括二阶镜像电流；

39、因为线圈通电后会使铁磁材料磁化，用假想的线圈来描述铁磁材料在线圈作用下产生的磁场，我们描述磁场值时通常会将其泰勒展开或者傅里叶展开等变化，一阶镜像通常不能完全描述耦合电流，二阶镜像则基本能表示绝大部分耦合电流项，三阶镜像对于精度的提升不大，但是计算次数是幂函数形式上升，而更高阶镜像的精度贡献则会更小，计算难度指数级增大，类似一种边际效应。

40、作为优选，所述步骤七包括如下步骤：

41、步骤7.1、根据电流相加的运算法则，线圈网格共享边上的有效电流为所有共享此边的线圈网格所通过的电流之和，据此计算出所述网格约束线圈(2)中所有边的电流；

42、步骤7.2、将所述步骤7.1中得到的，所述网格约束线圈(2)中所有边的电流按照从大到小的顺序进行排序，取出所述网格约束线圈(2)中所有边的电流最大值，以此最大值为基准iref；

43、步骤7.3、以任意电流大小等于所述基准iref的边为起始边，判断与该起始边相邻的边的电流是否大于或等于所述基准iref，若有与该起始边相邻任意一边的电流大于或等于所述基准iref，则将所述起始边作为新电流环路的边，并执行下一步；若有与该起始边相邻其中一边的电流小于所述基准iref，则执行步骤7.6；

44、步骤7.4、取所述起始边的一条相邻边，判断与该相邻边相邻的边的电流是否大于或等于所述基准iref，若有与该相邻边相邻任意一边的电流大于或等于所述基准iref，则将该相邻边同所述起始边一起作为所述新电流环路的边；

45、步骤7.5、取该相邻边的一条相邻边，按所述步骤7.4的过程执行，直到完成所述新电流环路的构建，并以所述基准iref作为所述新电流环路所通过的电流大小，执行下一步，且在执行下一步时，将所述新电流环路中每条边的电流视为相应边的电流与所述基准iref之差；若在执行中途出现某个边相邻其中一边的电流小于所述基准iref，则执行下一步；

46、步骤7.6、以电流次大值为基准iref，执行所述步骤7.3，直到遍历所述网格约束线圈中所有边的电流或执行到零电流的边，结束化简；

47、进而有利于最终得到电流接口简化的线圈，对每一个简化线圈的电流值舍入圆整，得到简化的线圈和电流。