一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置及方法

1.本发明涉及用于磁屏蔽房的主动磁补偿领域，特别涉及一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置及方法。


背景技术：

2.磁场是生活中常见的物理量，可定性地分为强磁场、地磁场以及弱磁场，针对弱磁场的研究近年来受到越来越多的学者关注，其主要的应用之一是人体心磁和脑磁等生物磁信号成像领域。通常获得弱磁场的方法是被动磁屏蔽和主动磁补偿，被动磁屏蔽是通过局部或者完整的金属包围体使得磁场从环境中经过磁屏蔽材料进入磁屏蔽体内部空间后被衰减，最终使得磁屏蔽体内部环境获得弱磁环境；主动磁补偿线圈主要采用通电线圈产生一个与环境大小相同方向相反的磁场，从而抵消环境磁场达到弱磁环境。
3.被动磁屏蔽方案是常采用磁屏蔽房屏蔽外界磁场，使内部产生一个弱磁环境，但仅仅依靠磁屏蔽房的被动屏蔽效果，内部剩余磁场环境达不到测量心磁和脑磁的条件，因此需要结合外部主动磁补偿线圈。目前实现主动磁补偿的方法主要是：将一个传感器放在磁屏蔽房工作区域中心处，磁屏蔽外部的三轴线圈通入电流产生相反的补偿磁场，若传感器测得三个方向的剩余磁场等于或者接近零，表示补偿完成，若与零磁场相差较大，改变三轴线圈补偿电流直至三个方向剩余磁场等于或者接近零。但在磁屏蔽房设计过程中，往往存在孔洞和门缝以方便导线的贯通和人员的进出，这些孔洞和门缝会导致磁屏蔽房内部剩余磁场分布不对称，从而降低工作区域剩余磁场的均匀性。目前的主动磁补偿方法是将各轴上的两个补偿线圈串联通入相同的补偿电流，因此只能产生均匀磁场，不能补偿非对称的剩余磁场。在实现主动磁补偿后，只能保证中心点剩余磁场等于或者接近零，不能在整个工作区域获得均匀性较好的剩余磁场环境。为此，研究一种既可以使磁屏蔽房中心点剩余磁场等于或者接近零，又能保证整体工作区域剩余磁场均匀性较高的主动磁补偿方法具有重要意义。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置及方法，其能保证磁屏蔽房工作区域中心点剩余磁场等于或者接近零，又能保证整体工作区域剩余磁场均匀性较高的一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置，同时还提供了使用本发明用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿的具体补偿方法。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置，包括一个带有铰链门的磁屏蔽房、六个独立的补偿线圈、六个测磁传感器以及闭环系统模块，所述的闭环系统模块具体包括放大滤波模块、a/d数据采集模块、控制模块、d/a数据输出模块、功率放大模块
以及六个电流源模块，所述六个独立的补偿线圈位于磁屏蔽房外部，所述六个测磁传感器与放大滤波模块连接，所述放大滤波模块与a/d数据采集模块连接，所述a/d数据采集模块与控制模块连接，所述控制模块与d/a数据输出模块连接，所述d/a数据输出模块与功率放大模块连接，所述功率放大模块与六个电流源模块连接，所述六个电流源模块与六个独立的补偿线圈连接；
7.所述六个测磁传感器以磁屏蔽房工作区域的中心点为中心，分别对称摆放到x轴、y轴和z轴上，用于采集磁屏蔽房内工作区域边界处三个方向共六个点的剩余磁场并将信号经过放大滤波模块以及a/d数据采集模块处理后传输给控制模块；
8.所述控制模块判断所采集的剩余磁场信息是否满足要求，若满足要求，则完成补偿，若不满足要求，将输出一个控制信号给d/a数据输出模块；
9.所述d/a数据输出模块根据控制模块给予的控制信号，输出一个电压控制信号到功率放大模块和六个电流源模块；
10.所述六个电流源模块根据电压控制信号，输出一个电流控制量到六个独立的补偿线圈，进一步产生六个独立的补偿磁场；
11.六个测磁传感器再测量各点剩余磁场，重复过程，直至完成补偿。
12.本发明还提供一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿方法，使用如上所述的一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置，按以下步骤进行：
13.step1：使用六个测磁传感器中的一个，将其置于工作区域中心点，将各轴对应的两个补偿线圈串联，启动补偿装置，记录此时三个方向磁场为零对应的三个补偿电流，记为ix0、iy0和iz0。
14.step2：选定工作区域大小，以中心区域边长为2l的立方体为工作区域，将六个测磁传感器分别置于工作区域中心点对应的x轴、y轴和z轴的
±
l处，首先测出六个点剩余磁场的大小，将同方向两个点的剩余磁场最大位置标记为坐标的正方向。
15.step3：将step1中的补偿线圈分开成六个独立的补偿线圈，依次调整x轴、y轴和z轴方向六个补偿线圈的补偿电流。在step1的基础上，选取电流步长δi，将x轴正方向的线圈依次通入ix0+n*δi的补偿电流，与此同时，x轴负方向的线圈依次通入ix0-n*δi的补偿电流，其中n＝0，1，2，3
…
，直至x方向两个测磁传感器测得的剩余磁场相等。
16.step4：按照step3，依次完成y轴和z轴方向的补偿，记下六个独立线圈的补偿电流，分别记为ix1、ix2、iy1、iy2、iz1和iz2。
17.step5：在得到六个补偿电流后，保持补偿电流不变，将其中一个测磁传感器置于工作区域中心点，若测得三个方向的剩余磁场等于或者接近零，保持六个独立的补偿线圈输出电流不变，则整个补偿过程完成。若三个方向存在剩余磁场较大的方向，则将该方向的两个补偿电流同时改变一个微小量，保证
±
l处的剩余磁场相等且工作区域中心点的剩余磁场等于或者接近零。
18.通过以上5个步骤，实现对磁屏蔽房三个方向剩余磁场的补偿。
19.本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明与传统的主动磁补偿装置和方法相比，既能使工作区域中心点剩余磁场等于或者接近零，又能提高整个工作区域的剩余磁场均匀性，提高了补偿精度。
附图说明
20.结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更好地理解本发明以及容易得知其中伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，其中：
21.图1为本发明的用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置的系统示意图；
22.图2为本发明的用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置及方法的硬件系统框图；
23.图3为本发明的用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿方法的流程图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
25.实施例1：
26.如图1所示，本发明的一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置包括一个带有铰链门的磁屏蔽房1，其中9表示磁屏蔽房1的铰链门、六个独立的补偿线圈，分别为第一补偿线圈2、第二补偿线圈3、第三补偿线圈4、第四补偿线圈5、第五补偿线圈7和第六补偿线圈8，其中第一补偿线圈2表示y轴负方向的补偿线圈，第二补偿线圈3表示x轴负方向的补偿线圈，第三补偿线圈4表示z轴正方向的补偿线圈，第四补偿线圈5表示y轴正方向的补偿线圈，第五补偿线圈7表示z轴负方向的补偿线圈，第六补偿线圈8表示x轴正方向的补偿线圈，还包括六个测磁传感器10以及闭环系统模块6，其中六个测磁传感器10以磁屏蔽房1工作区域的中心点为中心，分别对称摆放到x轴、y轴和z轴，闭环系统模块6的具体硬件结构如图2所示，包括放大滤波模块、a/d数据采集模块、控制模块、d/a数据输出模块、功率放大模块以及六个电流源模块。所述六个测磁传感器与放大滤波模块连接，所述放大滤波模块与a/d数据采集模块连接，所述a/d数据采集模块与控制模块连接，所述控制模块与d/a数据输出模块连接，所述d/a数据输出模块与功率放大模块连接，所述功率放大模块与六个电流源模块连接，所述六个电流源模块与六个独立的补偿线圈连接。所述第一补偿线圈2、第二补偿线圈3、第三补偿线圈4、第四补偿线圈5、第五补偿线圈7和第六补偿线圈8位于磁屏蔽房1外部，所述六个测磁传感器10与闭环系统模块6连接，所述闭环系统模块6与第一补偿线圈2、第二补偿线圈3、第三补偿线圈4、第四补偿线圈5、第五补偿线圈7和第六补偿线圈8连接；
27.所述六个测磁传感器10用于采集磁屏蔽房1内工作区域边界处三个方向共六个点的剩余磁场并将信号经过放大滤波模块以及a/d数据采集模块处理后传输给控制模块；
28.所述控制模块判断所采集的剩余磁场信息是否满足要求，若满足要求，则完成补偿，若不满足要求，将输出一个控制信号给d/a数据输出模块；
29.所述d/a数据输出模块根据控制模块给予的控制信号，输出一个电压控制信号到功率放大模块和六个电流源模块；
30.所述六个电流源模块根据电压控制信号，输出一个电流控制量到六个独立的补偿线圈，进一步产生六个独立的补偿磁场。
31.六个测磁传感器10测量各点剩余磁场，重复过程，直至完成补偿。
32.实施例2：
33.如图3所示，本发明的一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿方法，使用如实施例1所述的一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置进行剩余磁场补偿，按以下步骤进行：
34.step1：使用六个测磁传感器10中的一个，将其置于工作区域中心点，将各轴对应的两个补偿线圈串联，启动主动磁补偿装置，记录此时三个方向磁场为零对应的三个补偿电流，记为ix0、iy0和iz0。
35.step2：选定工作区域大小，以中心区域边长为2l的立方体为工作区域，将六个测磁传感器10分别置于工作区域中心点对应的x轴、y轴和z轴的
±
l处，首先测出六个点剩余磁场的大小，将同方向两个点的剩余磁场最大位置标记为坐标的正方向。
36.step3：将step1中的补偿线圈分开成六个独立的补偿线圈，依次调整x轴、y轴和z轴方向六个补偿线圈的补偿电流。在step1的基础上，选取电流步长δi，将x轴正方向的线圈依次通入ix0+n*δi的补偿电流，与此同时，x轴负方向的线圈依次通入ix0-n*δi的补偿电流，其中n＝0，1，2，3
…
，直至x方向两个测磁传感器测得的剩余磁场相等。
37.step4：按照step3，依次完成y轴和z轴方向的补偿，记下六个独立的补偿线圈的补偿电流，分别为ix1、ix2、iy1、iy2、iz1和iz2。
38.step5：在得到六个补偿电流后，保持补偿电流不变，将其中一个测磁传感器10置于工作区域中心点，若测得三个方向的剩余磁场等于或者接近零，保持六个独立的补偿线圈的输出电流ix1、ix2、iy1、iy2、iz1和iz2不变，则整个补偿过程完成。若三个方向存在剩余磁场较大的方向，则将该方向的两个补偿电流同时改变一个微小量，保证
±
l处的剩余磁场相等且工作区域中心点的剩余磁场等于或者接近零。
39.通过以上5个步骤，既能使磁屏蔽房工作区域中心点剩余磁场等于或者接近零，又能提高整个工作区域的剩余磁场均匀性，提高了补偿精度。
40.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
41.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置，其特征在于：包括一个带有铰链门的磁屏蔽房、六个独立的补偿线圈、六个测磁传感器以及闭环系统模块，所述的闭环系统模块具体包括放大滤波模块、a/d数据采集模块、控制模块、d/a数据输出模块、功率放大模块以及六个电流源模块，所述六个独立的补偿线圈位于磁屏蔽房外部，所述六个测磁传感器与放大滤波模块连接，所述放大滤波模块与a/d数据采集模块连接，所述a/d数据采集模块与控制模块连接，所述控制模块与d/a数据输出模块连接，所述d/a数据输出模块与功率放大模块连接，所述功率放大模块与六个电流源模块连接，所述六个电流源模块与六个独立的补偿线圈连接；所述六个测磁传感器以磁屏蔽房工作区域的中心点为中心，分别对称摆放到x轴、y轴和z轴上，用于采集磁屏蔽房内工作区域边界处三个方向共六个点的剩余磁场并将信号经过放大滤波模块以及a/d数据采集模块处理后传输给控制模块；所述控制模块判断所采集的剩余磁场信息是否满足要求，若满足要求，则完成补偿，若不满足要求，将输出一个控制信号给d/a数据输出模块；所述d/a数据输出模块根据控制模块给予的控制信号，输出一个电压控制信号到功率放大模块和六个电流源模块；所述六个电流源模块根据电压控制信号，输出一个电流控制量到六个独立的补偿线圈，进一步产生六个独立的补偿磁场，六个测磁传感器再测量各点剩余磁场，重复过程，直至完成补偿。2.根据权利要求1所述的一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置的主动磁补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：step1：使用六个测磁传感器中的一个，将其置于工作区域中心点，将各轴对应的两个补偿线圈串联，启动补偿装置，记录此时三个方向磁场为零对应的三个补偿电流，记为ix0、iy0和iz0；step2：选定工作区域大小，以中心区域边长为2l的立方体为工作区域，将六个测磁传感器分别置于工作区域中心点对应的x轴、y轴和z轴的
±
l处，测出六个点剩余磁场的大小，将同方向两个点的剩余磁场最大位置标记为坐标的正方向；step3：将step1中的补偿线圈分开成六个独立的补偿线圈，依次调整x轴、y轴和z轴方向六个独立补偿线圈的补偿电流；在step1的基础上，选取电流步长δi，将x轴正方向的线圈依次通入ix0+n*δi的补偿电流，与此同时，x轴负方向的线圈依次通入ix0-n*δi的补偿电流，其中n＝0，1，2，3
…
，直至x方向两个测磁传感器测得的剩余磁场相等；step4：按照step3，依次完成y轴和z轴方向的补偿，记下六个独立补偿线圈的补偿电流，分别记为ix1、ix2、iy1、iy2、iz1和iz2；step5：在得到六个补偿电流后，保持补偿电流不变，将其中一个测磁传感器置于工作区域中心点，若测得三个方向的剩余磁场等于或者接近零，保持六个独立的补偿线圈输出电流不变，则整个补偿过程完成；若三个方向存在剩余磁场较大的方向，则将该方向的两个补偿电流同时改变一个微小量，保证
±
l处的剩余磁场相等且工作区域中心点的剩余磁场等于或者接近零。

技术总结
本发明提供了一种用于提高磁屏蔽房剩余磁场均匀性的主动磁补偿装置及方法，装置包括一个带有铰链门的磁屏蔽房、六个独立的补偿线圈、六个测磁传感器以及闭环系统模块，所述六个独立的补偿线圈位于磁屏蔽房外部，所述六个测磁传感器与闭环系统模块连接，所述闭环系统模块与六个独立的补偿线圈连接。本发明补偿原理实现简单，既能使工作区域中心点剩余磁场等于或者接近零，又能提高整个工作区域的剩余磁场均匀性，提高了补偿精度。提高了补偿精度。提高了补偿精度。


技术研发人员：崔培玲 杨周强 刘习凯 李衍宾 李玉鹏 郑世强 周新秀
受保护的技术使用者：北京航空航天大学宁波创新研究院
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/12