【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于极弱磁场测量领域，尤其涉及一种基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置及工作方法。
技术介绍
1、随着科技的进步，极弱磁测量在生物医疗、地质勘探以及基础物理学的研究日益重要，而光抽运磁强计(opm)凭借其极高的磁场灵敏度，在极弱磁测量领域发挥着越来越关键的作用。尤其在生物磁学测量中，人体心脑磁等生物磁信号的被动式磁测量是目前医学领域重要的研究方向，也是探究多种心脑血管疾病(如冠心病和脑卒中)的关键技术所在。而基于无自旋交换驰豫(serf)原理的光抽运磁强计其灵敏度已经达到了ft量级，具备了替代超导量子干涉仪(squid)的潜力，受到研究人员的广泛关注。但是在极弱磁探测时，无论是opm还是squid都需要屏蔽地球环境磁场(约50000nt)，以提供探头可以正常工作的近零磁环境。同时，心脑磁信号极其微弱，分别为10pt量级和100ft量级，也需要屏蔽环境磁场干扰进行测试。
2、目前，大多数零磁装置利用高磁导率的软磁材料，如坡莫合金、铁氧体等，拼接形成一定尺寸的立方体式或桶式屏蔽结构，即磁屏蔽房和磁屏蔽桶，实现对于外部环境磁场的被动磁屏蔽作用，建造周期长且成本极高。同时，磁屏蔽装置在安装和使用过程中，软磁材料会由于应力等外界因素产生额外残余磁场，需要定期对其进行消磁维护。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置及工作方法，以解决现有技术中存在的的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一
3、磁场采集系统，用于测量补偿区域磁场参数；
4、外部磁补偿线圈，用于对补偿区域磁场进行粗补偿；
5、内部磁补偿线圈，用于对粗补偿后的补偿区域磁场进行精确补偿；
6、控制驱动系统，分别与所述外部磁补偿线圈、内部磁补偿线圈和磁场采集系统连接，用于根据补偿区域磁场参数控制内部磁补偿线圈和外磁补偿线圈对补偿区域磁场进行实时补偿。
7、优选地，所述磁场采集系统包括磁通门磁强计和serf光抽运磁强计；
8、所述磁通门磁强计用于实时测量补偿区域磁场变化；
9、所述serf光抽运磁强计用于测量粗补偿和精确补偿之后的补偿区域磁场参数。
10、优选地，所述外部磁补偿线圈包括三轴亥姆霍兹线圈，所述三轴亥姆霍兹线圈用于在线圈间产生轴向均匀磁场。
11、优选地，所述三轴亥姆霍兹线圈包括三对亥姆霍兹线圈，每对线圈的半径、间距和导线匝数相等，且电流流向相同，每对线圈轴线相互垂直。
12、优选地，所述内部磁补偿线圈包括3组双平面匀场线圈和5组梯度线圈，所述3组双平面匀场线圈和5组梯度线圈用于产生不同方向的匀强磁场和梯度磁场。
13、优选地，所述内部磁补偿线圈的设计方法包括：
14、将双平面上的电流分布等效为二维连续流体，通过二维傅里叶级数对二维连续流体的流函数进行表示，并根据线圈对称性确定二维连续流体的流函数；
15、通过所述流函数确定双平面线圈电流密度表达式，根据比奥萨法尔定则与预设的目标场点磁场联立方程组；
16、采用tikhonov正则化的方式对所述方程组求解，得到双平面线圈电流密度函数，采用等高线的方式将所述双平面线圈电流密度函数离散为具体线圈构型。
17、优选地，所述控制驱动系统包括功率放大器、数据采集输出板卡和上位机所述功率放大器用于驱动外部磁补偿线圈和内部磁补偿线圈；
18、所述数据采集输出板卡用于将补偿区域磁场参数转换为数字信号并传输至上位机；
19、所述上位机用于根据所述数字信号调整功率放大器参数。
20、本专利技术还提供了一种基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置的工作方法，包括以下步骤：
21、开启磁通门磁强计测试装置中心补偿区域的磁场参数，通过数据采集板卡将所述磁场参数传输至上位机，根据所述磁场参数调整上位机的pid控制参数，通过上位机控制功率放大器驱动外部磁补偿线圈完成第一次粗补偿；
22、开启磁场采集系统中的serf光抽运磁强计采集粗补偿后的磁场参数，上位机通过粗补偿后的磁场参数判断第一次粗补偿后的磁场环境是否满足工作要求，若不满足，重新调整pid参数，进行第二次粗补偿，若满足则根据粗补偿后的磁场参数调整pid控制参数，通过上位机控制功率放大器驱动内部磁补偿线圈进行精确补偿；
23、通过serf光抽运磁强计测试精确补偿后的装置中心补偿区域的磁场功率谱密度判断是否满足心脑磁测试的要求，当不满足心脑磁测试的要求时则重复以上过程；
24、当满足心脑磁测试的要求时，进行心脑磁测量。
25、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
26、本专利技术零磁装置无需基于高磁导率软磁材料构成的磁屏蔽房或磁屏蔽桶，仅依靠两组磁补偿线圈和闭环控制系统实现对环境磁场的屏蔽作用，在装置中心区域形成近零磁空间，利用多线圈组成的磁补偿系统可以产生反向磁场对环境磁场进行实时反馈补偿，为serf原子磁强计和心脑磁成像提供所需的极弱磁测量环境，极大降低建造周期和成本，节省了传统零磁装置的建造和维护成本，并使被试患者无需处于封闭式的磁屏蔽房或磁屏蔽桶内，便于测试过程中的观察。
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1.一种基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
5.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
6.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
7.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
8.一种基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
4.根据权利要求3所述的基于多线圈磁补偿的无软磁屏蔽材料零磁装置，其特征在于，
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨剑之，张旭，刘一锦，曹富智，师泯夏，郑世强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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