一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统及设计方法技术方案

本发明专利技术公开一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统及设计方法，首先，结合磁场表达式和磁屏蔽筒内背景磁场分布确定磁场补偿范围，设计两级主动磁补偿算法，通过开环粗补偿和闭环精补偿共同实现磁场补偿；其次，设计实现磁补偿闭环控制系统功能单元，设计高精度信号采集单元、补偿控制单元及驱动输出单元，实现闭环反馈回路；最后，设计补偿控制上位机系统，实现人机交互、实时调节、实时补偿。本发明专利技术在已有被动磁屏蔽方案的基础上，增加了主动磁补偿闭环控制方案，有效实现了长期均匀稳定的极弱磁环境；设计两级主动磁补偿方案，实现对静态剩余磁场和动态扰动磁场的同时补偿，消除外部干扰，提升心脏极弱磁信号测量的准确性。提升心脏极弱磁信号测量的准确性。提升心脏极弱磁信号测量的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统及设计方法


[0001]本专利技术属于磁屏蔽
，具体涉及一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统及设计方法。

技术介绍

[0002]SERF原子磁强计是目前低频灵敏度最高的一种磁强计，通过SERF原子磁强计可以实现心磁信号的测量。心磁测量是一种无侵袭、无损伤、无接触的检测技术，对冠心病、心肌梗死等的诊断具有心电图等传统检查方法所不可比拟的精确性与敏感性，且检查时间可以由数小时降到20分钟左右。
[0003]要实现超高灵敏度的SERF原子磁强计需要满足实现SERF态的三个条件，即抽运光、高温和弱磁环境，要形成大均匀区高稳定性的弱磁环境，其中，磁屏蔽和磁补偿技术的研究是关键问题。使用磁屏蔽筒可以对高频以及射频磁扰动有着极高的屏蔽能力，但对低频磁场的屏蔽能力有限，且材料本身的剩磁与易磁化的特性限制了被动磁屏蔽的性能。同时，环境地磁场、人员走动及环境中其他电磁设备的影响等因素也会产生动态扰动磁场，使心磁测量装置中的磁场产生波动，影响心磁测量信号的准确性。
[0004]主被动相结合是新一代磁屏蔽装置技术的应用趋势，在使用磁屏蔽筒的基础上，采用主动磁补偿可以进一步减小剩余磁场，施加电流作用在补偿线圈上可以产生补偿磁场，同时搭建磁补偿闭环控制系统，则可以有效抑制磁场波动，根据检测磁场值来实时调节补偿磁场值大小，可以使磁场长时间稳定在零磁附近，提升心磁测量装置的稳定性，也能提高心磁测量数据的准确性。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统及设计方法，该方法解决了SERF原子磁强计测量心磁信号时所需的弱磁环境，将被动磁屏蔽和主动磁补偿相结合来使磁场长时间稳定在零点附近，有利于提升心磁测量装置的稳定性，也能提高心磁测量数据的准确性。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统，包括：高精度信号采集单元、补偿控制单元、驱动输出单元、补偿控制上位机系统；所述高精度信号采集单元包括原子磁强计、信号放大模块、电平调整模块及AD采集模块，所述补偿控制单元包括滤波模块、数据转换模块及PID控制模块，驱动输出单元包括DA转换模块、压控电流源模块及补偿线圈；所述上位机系统实现采集磁场的实时显示、闭环控制系统参数的调节以及两级补偿开断的控制，实现人机交互、实时调节、实时补偿，使磁屏蔽筒内磁场长时间均匀稳定于零附近；结合磁场表达式和磁屏蔽筒内背景磁场分布确定磁场补偿范围及参考通道位置，设计两级主动磁补偿算法，通过开环粗补偿和闭环精补偿分别实现对静态直流分量和动态扰动分量磁场的补偿；设计高精度信号采集单元、补偿控制单元及驱动输出单元，实现闭环反馈回路进行磁场
补偿；通过RS232通信单元设计补偿控制上位机系统。
[0008]本专利技术还提供一种上述一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统的设计方法，包括以下步骤：
[0009]步骤(1)确定磁场补偿范围及参考通道位置，设计两级主动磁补偿算法，通过开环粗补偿和闭环精补偿共同实现磁场补偿；
[0010]步骤(2)设计实现磁补偿闭环控制系统功能单元，所述磁补偿闭环控制系统功能单元包括高精度信号采集单元、补偿控制单元及驱动输出单元，实现闭环反馈回路；
[0011]步骤(3)设计补偿控制上位机系统，在上位机系统实现采集磁场的实时显示，闭环控制系统参数的调节以及两级补偿开断的控制，实现人机交互、实时调节、实时补偿，使磁屏蔽筒内磁场长期均匀稳定在近零磁附近。
[0012]进一步地，所述步骤(1)中，确定磁场补偿范围及参考通道位置包括：
[0013]步骤(11)：对磁屏蔽筒内的磁场进行精确磁场值计算，依据磁场函数表达式，得到磁场计算的线性矩阵方程：
[0014]B
mat
α＝b
[0015]其中，α是包含8个系数的列向量，b是目标磁场列向量，B
mat
是一个矩阵，用于表征由八个单位加权场分量在N个零场磁力计阵列上产生的场，基于在每个T时间点测量的传感器位置和方向；其中，B
mat
有8列，T*N行，每列对应一个场分量，每个传感器在每个时间点都有一行，表示对应传感器在该时间点测量的磁场和传感器的位置和方向；目标磁场列向量b包含N个零场磁力计在T时间点测量的磁场，对应B
mat
中相同的位置和方向的零场磁力计；与b最佳拟合的系数α通过识别伪逆矩阵或类似的过程得到；
[0016]对于在T个时间点上测量其运动的N个零场磁力计的数组，B
mat
具有T*N行；目标场列向量b也有T*N行，系数α的列向量不变，公式如下求得α的值，从而得到装置中的磁场值：
[0017][0018]步骤(12)：对磁屏蔽筒内心脏磁场测量阵列盒的磁场分布进行测量，得到筒轴方向和天地方向上每个行通道处的磁场值大小，从而得到磁场分布，对每个行通道进行磁场值平均处理，得到距离筒底距离越远，磁场值越大，选择在筒轴方向与阵列盒中心位置平齐，天地方向与阵列盒相同高度的位置放置参考通道，对心脏磁场测量阵列盒所在区域进行磁场的检测和补偿。
[0019]进一步地，所述步骤(1)中，两级主动磁补偿算法为：基于磁屏蔽筒内背景磁场分为静态直流分量和动态扰动分量两部分，采用两级主动磁补偿算法进行同时补偿，第一步，通过开环粗补偿对磁屏蔽筒内静态背景磁场进行补偿，消除静态直流分量，将磁场补偿在零点附近，第二步，通过闭环精补偿对动态扰动磁场进行实时补偿，消除动态扰动分量，使磁场长期稳定在零点附近。通过两级主动磁补偿算法，将补偿输出值驱动线圈产生补偿磁场，最终形成大均匀区高稳定性的近零磁环境。
[0020]进一步地，所述步骤(2)中，设计实现磁补偿闭环控制系统功能单元的过程分为以
下3个步骤：
[0021]步骤(21)所述高精度信号采集单元通过SERF原子磁强计检测磁屏蔽筒内背景磁场，原子磁强计输出信号的双极性的微弱模拟电压信号通过信号放大模块将信号放大到伏级，信号放大模块由AD623芯片及外围电路构成；再通过电平调整模块对产生的双极性信号进行电平抬升，叠加正电压使采集信号变为完整的正电压信号，电平调整模块由OP07芯片及相应的外围电路构成，电平调整参考电压为+1.5V；再经过AD采集模块采集进入主控芯片，基于采集电压范围、采集精度及采样率等因素，确定使用芯片AD7606进行采集，AD7606芯片是8通道16位的ADC芯片，采样率为2KHz，通过高速并行传输方式将信号传输到控制芯片中进行下一步操作；
[0022]步骤(22)所述补偿控制单元中使用TMS320F28335DSP作为控制芯片，实现数据的传输、处理和控制等功能，先对AD采集信号进行滤波处理和数据转换处理，滤波模块包括滑动平均滤波和限幅滤波，通过滑动平均滤波以固定大小为队列窗口，通过每位新数据的采集连续向前滑动窗口，实现数据的滑动平均，对周期性干扰进行有效抑制，同时通过限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统，其特征在于，包括：高精度信号采集单元、补偿控制单元、驱动输出单元、补偿控制上位机系统；所述高精度信号采集单元包括原子磁强计、信号放大模块、电平调整模块及AD采集模块，所述补偿控制单元包括滤波模块、数据转换模块及PID控制模块，驱动输出单元包括DA转换模块、压控电流源模块及补偿线圈；所述上位机系统实现采集磁场的实时显示、闭环控制系统参数的调节以及两级补偿开断的控制，实现人机交互、实时调节、实时补偿，使磁屏蔽筒内磁场长时间均匀稳定于零附近；结合磁场表达式和磁屏蔽筒内背景磁场分布确定磁场补偿范围及参考通道位置，设计两级主动磁补偿算法，通过开环粗补偿和闭环精补偿分别实现对静态直流分量和动态扰动分量磁场的补偿；设计高精度信号采集单元、补偿控制单元及驱动输出单元，实现闭环反馈回路进行磁场补偿；通过RS232通信单元设计所述上位机系统。2.一种权利要求1所述的一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)确定磁场补偿范围及参考通道位置，设计两级主动磁补偿算法，通过开环粗补偿和闭环精补偿共同实现磁场补偿；步骤(2)设计实现磁补偿闭环控制系统功能单元，所述磁补偿闭环控制系统功能单元包括高精度信号采集单元、补偿控制单元及驱动输出单元，实现闭环反馈回路；步骤(3)设计补偿控制上位机系统，实现人机交互、实时调节、实时补偿，使磁屏蔽筒内磁场长期均匀稳定在近零磁附近。3.根据权利要求2所述的一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，确定磁场补偿范围及参考通道位置包括：步骤(11)：对磁屏蔽筒内的磁场进行精确磁场值计算，依据磁场函数表达式，得到磁场计算的线性矩阵方程：B
mat
α＝b其中，α是包含8个系数的列向量，b是目标磁场列向量，B
mat
是一个矩阵，用于表征由八个单位加权场分量在N个零场磁力计阵列上产生的场，基于在每个T时间点测量的传感器位置和方向；其中，B
mat
有8列，T*N行，每列对应一个场分量，每个传感器在每个时间点都有一行，表示对应传感器在该时间点测量的磁场和传感器的位置和方向；目标磁场列向量b包含N个零场磁力计在T时间点测量的磁场，对应B
mat
中相同的位置和方向的零场磁力计；与目标磁场列向量b最佳拟合的系数α通过识别伪逆矩阵或类似的过程得到；对于在T个时间点上测量其运动的N个零场磁力计的数组，B
mat
具有T*N行；目标场列向量b也有T*N行，系数α的列向量不变，公式如下求得α的值，从而得到装置中的磁场值：步骤(12)：对磁屏蔽筒内心脏磁场测量阵列盒的磁场分布进行测量，得到筒轴方向和天地方向上每个行通道处的磁场值大小，从而得到磁场分布，选择在筒轴方向与阵列盒中心位置平齐，天地方向与阵列盒相同高度的位置放置参考通道，对心脏磁场测量阵列盒所
在区域进行磁场的检测和补偿。4.根据权利要求3所述的一种磁屏蔽筒内主动磁补偿闭环控制系统的设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，两级主动磁补偿算法为：基于磁屏蔽筒内背景磁场分为静态直流分量和动态扰动分量两部分，采用两级主动磁补偿算法进行同时补偿，第一步，通过开环粗补偿对磁屏蔽筒内静态背景磁场进行补偿，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周向阳，田琦，赵风文，王维乾，谢晓璇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：