阅读说明：本技术 实时补偿杂散磁场的装置及方法 (Device and method for compensating stray magnetic field in real time ) 是由 李玉清 宋素雅 马杰 武寄洲 肖连团 贾锁堂 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明是一种实时补偿杂散磁场的装置及方法,属于消除环境中杂散磁场技术领域。本发明的线性电源、补偿线圈I、补偿线圈Ⅱ、采样电阻和场效应管依次串联,线性电源的正极与补偿线圈组连接,其负极与场效应管的源极连接,磁通门计设置在补偿线圈组的外侧,采样电阻两端电压接入到反馈电路,反馈电路分别与磁通门计、采样电阻和场效应管连接,测量磁通门计x、y方向的输出电压与其z方向杂散磁场的依赖关系,将磁通门计x、y方向的输出电压的平均值乘以一比例因子后的电压信号与采样电阻两端的电压比较,所获得的误差信号经过带有比例、积分的反馈电路处理,输入到场效应管的栅极-源极电压端口,以实现对环境中变化杂散磁场的实时补偿。(The invention discloses a device and a method for compensating stray magnetic fields in real time, and belongs to the technical field of stray magnetic field elimination in the environment. The linear power supply, the compensating coil I, the compensating coil II, the sampling resistor and the field effect transistor are connected in series in sequence, the anode of the linear power supply is connected with the compensating coil group, the negative electrode of the magnetic flux gate meter is connected with the source electrode of the field effect tube, the magnetic flux gate meter is arranged on the outer side of the compensation coil group, voltages at two ends of the sampling resistor are connected to the feedback circuit, the feedback circuit is respectively connected with the magnetic flux gate meter, the sampling resistor and the field effect tube, the dependency relationship between output voltages in the x direction and the y direction of the magnetic flux gate meter and stray magnetic fields in the z direction of the magnetic flux gate meter is measured, voltage signals obtained by multiplying the average value of the output voltages in the x direction and the y direction of the magnetic flux gate meter by a scale factor are compared with the voltages at two ends of the sampling resistor, and obtained error signals are processed by the feedback circuit with proportion and integral and input to a grid electrode-source electrode voltage port of the field effect tube.)

实时补偿杂散磁场的装置及方法

技术领域

本发明是一种实时补偿杂散磁场的装置及方法，属于消除环境中杂散磁场技术领域。

背景技术

采用一组通电的亥姆霍兹线圈可以在一个局部的空间范围内产生均匀磁场。空间磁场的精度和稳定性对众多科学研究与工程应用非常重要，如精密测量、原子干涉仪和新产品校准等。采用带有霍尔传感器和场效应管的反馈电路可以精确控制线圈中的电流，提高了线圈对称中心处磁场的精确度和稳定性。然而，空间中的磁场会受到环境中杂散磁场的影响，使磁场的精度及稳定性变差。环境中的杂散磁场主要包括地磁场、未消磁的材料、电源及其他带电仪器产生的微弱磁场，此外，离通电线圈较近的电梯和地铁会在线圈对中心处产生一个幅值随时间变化的杂散磁场。因此，如何消除环境中杂散磁场的影响，特别是随时间呈现出无规律变化的磁场，成为提高空间磁场精度和稳定性的关键。

发明内容

本发明的目的在于消除环境中杂散磁场对空间磁场的精度和稳定性的影响，针对实际中随时间无规律变化的杂散磁场，提出了一种实时补偿杂散磁场的装置及方法。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种实时补偿杂散磁场的装置，包括线性电源、补偿线圈组、采样电阻、场效应管、磁通门计、反馈电路，线性电源、补偿线圈组、采样电阻和场效应管通过导线依次串联构成电流回路，线性电源的正极与补偿线圈组连接，其负极与场效应管的源极连接；磁通门计设置在补偿线圈组的外侧，且使磁通门计的z方向与补偿线圈组的轴向一致，且使补偿线圈组中心处沿z方向的目标磁场对磁通门计处x、y方向的磁场没有影响；反馈电路接入采样电阻的两端，反馈电路还分别与磁通门计和场效应管连接。

进一步地，线性电源工作在恒压模式。

进一步地，补偿线圈组包括补偿线圈Ｉ和补偿线圈Ⅱ ，补偿线圈Ｉ和补偿线圈Ⅱ为方形线圈，通过方向相同、大小相等的电流。

进一步地，补偿线圈Ｉ和补偿线圈Ⅱ两线圈之间的距离和线圈的平均边长相等。

进一步地，测量磁通门计x、y方向的输出电压与其z方向杂散磁场的依赖关系。将磁通门计x、y方向的输出电压的平均值乘以一比例因子后的电压信号与采样电阻两端的电压比较，所获得的误差信号经过带有比例和积分的反馈电路处理，输入到场效应管的栅极-源极电压端口，以实现对变化杂散磁场的实时补偿。

本发明还提出了一种实时补偿杂散磁场的方法，根据上述的装置进行，包括以下步骤：

（1）调节补偿线圈Ｉ和补偿线圈Ⅱ的距离，使补偿线圈组满足亥姆霍兹线圈的要求，使得在较小的空间范围内产生大小相等的均匀磁场；

（2）将补偿线圈Ｉ和补偿线圈Ⅱ放置在空间位置，使补偿线圈组中心与要求的目标磁场位置重合；

（3）使线性电源工作在恒压模式，补偿线圈Ｉ和补偿线圈Ⅱ通有方向同向、大小相等的电流；

（4）采样电阻用于测量补偿线圈组中的电流，当电流流过采样电阻后，其两端会产生一个电压信号，且该电压信号和补偿线圈组产生的补偿磁场具有确定的比例关系；

（5）场效应管可通过控制其栅极-源极的电压改变漏极-源极的电阻，将反馈电路输出的信号输入栅极-源极上，通过调节场效应管漏极-源极的有效电阻来改变补偿线圈组的电流，使得补偿线圈组在中心处产生一均匀磁场来补偿环境中的杂散磁场；

（6）磁通门计放置在补偿线圈外侧，使磁通门计的z方向沿补偿线圈组的轴向，补偿线圈中心处沿z方向的目标磁场对磁通门计处x、y方向的磁场没有影响；由于空间磁场的分布满足麦克斯韦方程散度为零的要求，磁通门计x、y方向的磁场与补偿线圈中心处沿轴向的杂散磁场成正比例，且会随着杂散磁场的变化而改变；

（7）通过测量可获得磁通门计x、y方向的输出电压与z方向杂散磁场的依赖关系；将磁通门计x、y方向的输出电压的平均值乘以一比例因子后的电压信号与采样电阻两端的电压比较，所获得的误差信号经过带有比例、积分的反馈电路处理，输入到场效应管的栅极-源极电压端口，以实现对变化杂散磁场的实时补偿。

本发明的有益效果是：能够消除环境中由于杂散磁场随时间的变化对目标磁场带来的影响，方法简单，有效地提高空间磁场精度和稳定性。

附图说明

图1是实施例1的原理图。

图2是实施例1中的反馈电路的电路图。

图中：1、线性电源；2、补偿线圈Ｉ；3、补偿线圈Ⅱ；4、采样电阻；5、场效应管；6、磁通门计；7、反馈电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的实时补偿杂散磁场的装置及方法进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例的实时补偿杂散磁场的装置，如图1所示，包括线性电源1、补偿线圈组、采样电阻4、场效应管5、磁通门计6、反馈电路7，线性电源1、补偿线圈组、采样电阻4和场效应管5通过导线依次串联构成电流回路，线性电源1的正极与补偿线圈组连接，其负极与场效应管5的源极连接，线性电源1工作时处于恒压模式；补偿线圈组包括补偿线圈Ｉ2和补偿线圈Ⅱ3，补偿线圈Ｉ2和补偿线圈Ⅱ3为方形线圈，补偿线圈Ｉ2和补偿线圈Ⅱ3两线圈之间的距离和线圈的平均边长相等，工作时通过的电流方向相同、大小相等；磁通门计6设置在补偿线圈组的外侧，且使磁通门计6的z方向与补偿线圈组的轴向一致，且使补偿线圈组中心处沿z方向的目标磁场对磁通门计6处x、y方向的磁场没有影响；反馈电路7接入采样电阻4的两端，反馈电路7还分别与磁通门计6和场效应管5连接。

测量磁通门计6的x、y方向的输出电压与其z方向杂散磁场的依赖关系。将磁通门计6的x、y方向的输出电压的平均值乘以一比例因子后的电压信号与采样电阻4两端的电压比较，所获得的误差信号经过带有比例、积分的反馈电路7处理，输入到场效应管5的栅极-源极电压端口，以实现对变化杂散磁场的实时补偿。

反馈电路7包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、比例电阻R7、电阻R8、比例电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电容C1、电容C2、运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U4，其中运算放大器U1为INA114，运算放大器U2为AD711，运算放大器U3和U4由双运放芯片AD712提供。运算放大器U1的正输入端通过电阻R2接地，运算放大器U1的负输入端通过电阻R1接地，运算放大器U1的输入端通过BNC接头与采样电阻4连接，运算放大器U1的引脚1和引脚8间接入电阻R3，使采样电阻两端压降经运算放大器U1放大10倍后由其输出端输出，运算放大器U1的输出端通过电阻R4与运算放大器U3的负输入端连接；磁通门计6的输出电压Vx、Vy分别与输入电阻R5和R6连接，运算放大器U2与电阻R5、R6、R7、R8组成了加法器，设置比例电阻R7为输入电阻R5、R6的一半，使运算放大器U2的输出电压为Vx和Vy的平均值，并通过比例电阻R9与运算放大器U3的负输入端连接；电阻R10为电位器，其输出端通过电阻R11与运算放大器U3的负输入端连接，为消除电压Vx、Vy中不随时间变化的恒定电压提供偏置电压；运算放大器U3的负输入和输出端之间连接有电阻R12，运算放大器U3的正输入端通过电阻R13接地，运算放大器U3的输出端与电阻R14连接，通过R14可以调节反馈电路的比例；运算放大器U4与电阻R15、电阻R16、电容C1、电容C2组成了积分电路，其中运算放大器U4的正输入端接地，运算放大器U4的输出端经电阻R17后通过BNC头连接到场效应管5。电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、比例电阻R7、电阻R8、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R15、电阻R17的电阻分别为100KΩ、100KΩ、5.5 KΩ、10 KΩ、20 KΩ、20 KΩ、10 KΩ、10 KΩ、10 KΩ、20 KΩ、10 KΩ、10 KΩ、10 KΩ，比例电阻R9、电阻R10、电阻R14、电阻R16采用最大量程均为50 KΩ的电阻，电容C1的电容值为10pF，电容C2的电容值为10nF。

该装置工作时，调节补偿线圈组中两个线圈的距离，让其尽可能满足亥姆霍兹线圈的要求，在较小的空间范围内产生大小相等的均匀磁场。将补偿线圈放置在合适的位置，使两补偿线圈中心与要求的目标磁场位置重合，且补偿线圈组产生的磁场与目标磁场方向一致，此时补偿线圈组产生的磁场可以被用于消除杂散磁场对目标磁场的影响。在线性电源1输出电压不变的情况下，通过调节场效应管5的有效电阻可以改变两补偿线圈的电流大小，电流流过采样电阻4后，采样电阻4两端会出现一电位差，即采样电阻4两端压降Vd监视补偿线圈组中电流的大小，根据安培定律可以得到补偿线圈组在中心处产生的磁场大小。

将磁通门计6放置在补偿线圈的外侧，使磁通门计6的z方向与补偿线圈组的轴向一致，且补偿线圈组中心处沿z方向的目标磁场对磁通门计6处x、y方向的磁场没有影响。根据麦克斯韦方程中磁场散度为零▽▪B = 0的要求，磁通门计6处x、y方向的磁场Bx、By与两补偿线圈中心处沿z方向的杂散磁场B成正比例，且会随着杂散磁场的变化而改变，在给磁通门计6供电后，磁通门计6x、y方向的输出电压Vx、Vy与z方向上的杂散磁场B成正比例关系。取磁通门计6x、y方向输出电压的平均值，即(Vx+Vy)/2,乘以一比例因子后得到电压信号Vs，采样电阻4两端的电压经放大后变为Vd，将两者的差值Vs-Vd作为反馈电路7的误差信，经过带有比例和积分的反馈电路7处理后，输入到场效应管5的栅极-源极电压端口。当环境中杂散磁场变化时，磁通门计6输出的电压Vx、Vy会随着杂散磁场发生同比例的变化，电压Vs也会改变。在杂散磁场变化的瞬间，由于放大后的采样电压Vd保持原电压值不变，形成的误差信号由零变为非零，使通过反馈电路7后加载到场效应管5栅极-源极端口的电压发生变化，从而改变场效应管5漏极-源极的有效电阻来产生新的补偿电流，在补偿线圈中心处产生一新的补偿磁场来消除环境中变化杂散磁场带来的影响。

实施例2：

本实施例的实时补偿杂散磁场的方法，根据实施例1的实施补偿杂散磁场的装置进行操作，包括以下步骤：

（1）调节补偿线圈Ｉ2和补偿线圈Ⅱ3的距离，使补偿线圈组满足亥姆霍兹线圈的要求，使得在较小的空间范围内产生大小相等的均匀磁场；

（2）将补偿线圈Ｉ2和补偿线圈Ⅱ3放置在空间位置，使补偿线圈组中心与要求的目标磁场位置重合；

（3）使线性电源1工作在恒压模式，补偿线圈Ｉ2和补偿线圈Ⅱ3通有方向同向、大小相等的电流；

（4）采样电阻4用于测量补偿线圈组中的电流，当电流流过采样电阻4后，其两端会产生一个电压信号，且该电压信号和补偿线圈组产生的补偿磁场具有确定的比例关系；

（5）场效应管5可通过控制其栅极-源极的电压改变漏极-源极的电阻，将反馈电路7输出的信号输入栅极-源极上，通过调节场效应管5漏极-源极的有效电阻来改变补偿线圈组的电流，使得补偿线圈组在中心处产生一均匀磁场来补偿环境中的杂散磁场；

（6）磁通门计6放置在补偿线圈外侧，使磁通门计6的z方向沿补偿线圈组的轴向，补偿线圈中心处沿z方向的目标磁场对磁通门计6x、y方向的磁场没有影响；由于空间磁场的分布满足麦克斯韦方程散度为零的要求，磁通门计6x、y方向的磁场与补偿线圈中心处沿轴向的杂散磁场成正比例，且会随着杂散磁场的变化而改变；

（7）通过测量可获得磁通门计x、y方向的输出电压与z方向杂散磁场的依赖关系；将磁通门计6x、y方向的输出电压的平均值乘以一比例因子后的电压信号与采样电阻4两端的电压比较，所获得的误差信号经过带有比例和积分的反馈电路7处理，输入到场效应管5的栅极-源极电压端口，以实现对变化杂散磁场的实时补偿。