一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法技术

本发明专利技术公开的一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，用于紧凑型应用场合的高精度自屏蔽均匀磁场控制，解决以往的自屏蔽均匀磁场线圈嵌套结构在结构配合和体积方面存在的问题。所设计的平面型自屏蔽均匀磁场线圈由两相互平行的平面上的多对方形线圈组成，平面线圈的边长与两平面之间的距离相等。由实际均匀区域和衰减区域的要求进行特征点的选择，并确定平面型自屏蔽均匀磁场线圈设计的约束条件，采用遗传算法求解上述带约束条件的非线性优化问题，从而获得所设计的平面型自屏蔽均匀磁场线圈优化参数合集，以保证线圈外部磁场的快速衰减和线圈内部磁场的高度均匀。快速衰减和线圈内部磁场的高度均匀。快速衰减和线圈内部磁场的高度均匀。

【技术实现步骤摘要】
一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法


[0001]本专利技术涉及一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，属于磁场操控
，用于应用磁场线圈的阵列式传感器系统及其他紧凑型应用场合中的高精度自屏蔽均匀磁场控制。

技术介绍

[0002]在科学研究、计量测试、医学影像等领域，均匀磁场线圈用于提供均匀磁场以实现高精度的磁场操控。在实际应用中，磁场线圈的性能常受所处环境条件的影响，例如，邻近磁场线圈之间会存在相互串扰，线圈与附近磁性材料之间会相互耦合，这均会影响均匀磁场线圈原本的设计均匀性，进而影响磁场线圈的实际性能指标。自屏蔽均匀磁场线圈可以实现线圈外部磁场的快速衰减，削弱上述问题对线圈产生磁场性能的影响，进而保证各种复杂场合中线圈内部磁场的均匀性。在应用磁场线圈的阵列式传感器系统中及其他紧凑型应用场合中，由于体积较大、均匀区占比小，传统构型的自屏蔽均匀磁场线圈难以应用，需要完善紧凑型应用场合的自屏蔽均匀磁场线圈构型设计，并提出与之相应的线圈设计方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：科学研究、计量测试、医学影像等高精度应用场合对线圈性能提出了高要求。由于所处环境条件会影响线圈产生磁场原本的分布特性，如邻近磁场线圈之间的相互串扰以及线圈与磁性材料之间的耦合，需要采用自屏蔽均匀磁场线圈来削弱环境条件的影响。然而，传统的自屏蔽均匀磁场线圈主要采用主线圈和屏蔽线圈嵌套的结构，一般为不同半径或尺寸的线圈的组合，因此体积较大、均匀区占比小。本专利技术针对现有技术中的不足，提出一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，实现自屏蔽均匀磁场线圈在紧凑型场合的应用。
[0004]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案如下：
[0005]一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1，确定平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型，平面型自屏蔽均匀磁场线圈包括两相互平行平面上的多对正方形线圈，平面是正方形，平面的边长与两平面之间的距离相等，多对方形线圈中的电流方向为正向和逆向组合，以同时保证磁场均匀性和衰减性；
[0007]步骤2，根据实际应用中线圈常数的要求，确定自屏蔽均匀磁场线圈系统的线圈对数目N，N为正整数，线圈对数目需要综合平衡线圈复杂性和线圈性能之间的关系，以线圈系统中心为原点建立三轴xyz直角坐标系，根据应用场景的需要确定线圈所在平面的边长和两边长之间的距离L，每对线圈关于y＝0平面对称，分别位于y＝+L/2平面和y＝﹣L/2平面，每对线圈由两个方形线圈组成，同一对线圈内的电流方向相同，正向电流和逆向电流分别用n＝+1和n＝
‑
1表示；
[0008]步骤3，由步骤1所确定的平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型，以及步骤2所确定的自
屏蔽均匀磁场线圈相关参数，由毕奥
‑
萨伐尔定律建立平面型自屏蔽均匀磁场线圈系统产生的空间磁场表达式；
[0009]步骤4，根据步骤3中建立的平面型自屏蔽均匀磁场线圈的空间磁场表达式以及对磁场衰减性及均匀性的要求，选取磁场特征点，并根据特征点的磁场值及其相关运算结果为目标，根据实际需要确定平面型自屏蔽均匀磁场线圈的约束条件，采用遗传算法求解上述带约束条件的非线性优化问题，从而获得所设计的平面型自屏蔽均匀磁场线圈优化参数合集；
[0010]步骤5，采用基于毕奥
‑
萨伐尔定律的计算方法或软件仿真验证所设计平面型自屏蔽均匀磁场线圈的均匀性及衰减性效果，如设计效果不满足设计目标，则通过改变特征点位置及约束条件重新设计直至获得预期指标。
[0011]所述步骤2中包括：各对线圈的安匝比均相等，设置为1，以便采用电路板集成加工方式；每对线圈由两个方形线圈组成，各对方形线圈的边长为d
i
，i＝1,2,3
…
,N，i为线圈对序号。
[0012]所述步骤3中的空间磁场表达式如下：
[0013][0014]其中I为线圈中的电流，C为线圈路径，r0为任意场点，B(r0)为线圈内的电流在任意场点r0产生的磁感应强度，μ0为真空磁导率，dl为闭合回路C上的微元，r为电流源点到场点间的矢径，r是电流源点到场点间的距离。
[0015]所述步骤4中磁场特征点包括线圈内部中心区域的内部特征点和线圈外部轴线上的外部特征点，特征点处磁场的优化目标为磁场均匀性和衰减性，分别用磁场相对偏差和轴线磁场相对中心磁场比例表示。
[0016]在线圈内部考虑磁场相对偏差δ，用空间任意一点处磁场大小B
r
与原点处磁场大小B0的相对比值表示，空间内磁场相对偏差值越小，则区域内各个点之间的磁场值差异越小，区域内磁场均匀性越高，反之亦然，磁场相对偏差表达式如下：
[0017][0018]在线圈外部考虑相对中心磁场比例P0，由空间任意一点处磁场大小B
r
与原点处磁场大小B0的比值确定，相对比值越小，则衰减性越好，反之亦然，磁场相对中心磁场比例表达式如下：
[0019][0020]平面型自屏蔽均匀磁场线圈的约束条件主要包括相邻两线圈对之间的最小间距d
smin
和线圈对的最小和最大边长取值d
min
和d
max
。平面型自屏蔽均匀磁场线圈的优化参数主要包括结构参数和电流方向，其中结构参数主要包括各对方形线圈的边长d
i
，i＝1,2,3
…
,N，电流方向为n
i
，i＝1,2,3
…
,N。
[0021]平面型自屏蔽均匀磁场线圈的电流分布限制在两个平面内，由两个相互平行的平面上的多对方形线圈组成，平面线圈的边长与两平面之间的距离相等。
[0022]本专利技术的技术效果如下：本专利技术一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，与传统嵌套型自屏蔽均匀磁场线圈相比，平面型自屏蔽均匀磁场线圈的电流分布限制在两个平面内，解决了由磁屏蔽线圈引入的体积增大的问题，设计方法通过合适的磁场特征点的选择和遗传算法对带约束条件的非线性优化问题的求解，能够同时保证线圈内部磁场高均匀性和外部磁场的快速衰减。
[0023]本专利技术公开的一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，用于紧凑型应用场合的高精度自屏蔽均匀磁场控制，解决以往的自屏蔽均匀磁场线圈嵌套结构在结构配合和体积方面存在的问题。所设计的平面型自屏蔽均匀磁场线圈由两相互平行的平面上的多对方形线圈组成，平面线圈的边长与两平面之间的距离相等。由实际均匀区域和衰减区域的要求进行特征点的选择，并确定平面型自屏蔽均匀磁场线圈设计的约束条件，采用遗传算法求解上述带约束条件的非线性优化问题，从而获得所设计的平面型自屏蔽均匀磁场线圈优化参数合集，以保证线圈外部磁场的快速衰减和线圈内部磁场的高度均匀。
附图说明
[0024]图1是实施本专利技术一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法所涉及的平面型自屏蔽均匀磁场线圈所在平面示意图。图1中设计的平面型自屏蔽均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型，平面型自屏蔽均匀磁场线圈包括两相互平行平面上的多对正方形线圈，平面是正方形，平面的边长与两平面之间的距离相等，多对方形线圈中的电流方向为正向和逆向组合，以同时保证磁场均匀性和衰减性；步骤2，根据实际应用中线圈常数的要求，确定自屏蔽均匀磁场线圈系统的线圈对数目N，N为正整数，线圈对数目需要综合平衡线圈复杂性和线圈性能之间的关系，以线圈系统中心为原点建立三轴xyz直角坐标系，根据应用场景的需要确定线圈所在平面的边长和两边长之间的距离L，每对线圈关于y＝0平面对称，分别位于y＝+L/2平面和y＝﹣L/2平面，每对线圈由两个方形线圈组成，同一对线圈内的电流方向相同，正向电流和逆向电流分别用n＝+1和n＝
‑
1表示；步骤3，由步骤1所确定的平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型，以及步骤2所确定的自屏蔽均匀磁场线圈相关参数，由毕奥
‑
萨伐尔定律建立平面型自屏蔽均匀磁场线圈系统产生的空间磁场表达式；步骤4，根据步骤3中建立的平面型自屏蔽均匀磁场线圈的空间磁场表达式以及对磁场衰减性及均匀性的要求，选取磁场特征点，并根据特征点的磁场值及其相关运算结果为目标，根据实际需要确定平面型自屏蔽均匀磁场线圈的约束条件，采用遗传算法求解上述带约束条件的非线性优化问题，从而获得所设计的平面型自屏蔽均匀磁场线圈优化参数合集；步骤5，采用基于毕奥
‑
萨伐尔定律的计算方法或软件仿真验证所设计平面型自屏蔽均匀磁场线圈的均匀性及衰减性效果，如设计效果不满足设计目标，则通过改变特征点位置及约束条件重新设计直至获得预期指标。2.根据权利要求1所述的一种平面型自屏蔽均匀磁场线圈构型设计方法，其特征在于，所述步骤2中包括：各对线圈的安匝比均相等，设置为1，以便采用电路板集成加工方式；每对线圈由两个方形线圈组成，各对方形线圈的边长为d
i
，i＝1,2,3
…
,N，i为线圈对序号。3.根据权利要求1所述的一种平面型自屏蔽均匀磁场线...

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，王淑莹，陆吉玺，全伟，汪惠敏，唐硕，丁晓舒，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：