一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈制造技术

本发明专利技术提供了一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈，包括：三维线圈组，所述三维线圈组由x轴Braunbeck线圈、y轴Braunbeck线圈、z轴Braunbeck线圈构成，每一维线圈组均由两对共四只线圈组成，且线圈共轴，四只线圈两两相对安装，并由一条漆包线绕制在四只线圈上将四只线圈串联，留出抽头；共轴的四只线圈分一大一小两组，且关于其几何中心O对称，通过设定大小两组线圈之间位置关系，达到扩大中心均匀区的目的。本发明专利技术通过线圈间的磁场叠加，消除中心磁场误差余项，从而提高磁场均匀性。本发明专利技术应用Braunbeck线圈取代传统的亥姆霍兹线圈，具有体积小、中心磁场均匀度好的特点，对于核磁共振陀螺仪的小型化具有十分重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈
本专利技术涉及核磁共振陀螺仪
，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。
技术介绍
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专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术中，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，本专利技术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，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例的单维线圈原理简图；图2为本专利技术一实施例的整体示意图；图3为本专利技术一实施例的俯视图；图4为本专利技术一实施例的左视图；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专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。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共本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种核磁共振陀螺仪的三维Braunbeck驱动线圈，其特征在于，所述x...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昢，程翔，王帝，刘华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31