[發明專利]一種基于磁屏蔽筒耦合的圓柱形和球形勻強磁場線圈設計方法

有效

• 申請號: 202110737371.8
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113343551B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 全偉;龐昊穎;范文峰;段利紅;劉峰;劉祀潯
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06N3/00;G06F111/04;G06F111/06
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;朱亞娜

一種基于磁屏蔽筒耦合的圓柱形和球形勻強磁場線圈設計方法，圓柱形線圈或球形線圈被放置于一個圓柱形磁屏蔽筒中，用于在磁屏蔽筒內產生高度均勻的縱向磁場；圓柱形和球形線圈采用格林函數法結合粒子群算法進行優化設計；首先通過格林函數法分析圓柱形磁屏蔽筒的耦合效應并建立磁屏蔽筒內線圈磁場分析模型；其次，根據優化目標將磁場模型轉化為非線性優化模型，根據實際應用需求確定約束條件；最后使用粒子群優化算法進行優化求解獲得線圈參數。本發明可在圓柱形磁屏蔽筒中產生高度均勻的縱向磁場，克服了線圈與屏蔽筒耦合導致的線圈常數與理論不符和均勻度下降的問題，進一步提高了線圈均勻度。

技術領域

本發明屬于原子傳感器技術領域，具體涉及一種工作于圓柱形磁屏蔽筒內的圓柱形和球形勻強磁場線圈。

背景技術

磁場線圈在工業領域和科學研究中起到至關重要的作用，可為前沿物理裝置、原子傳感器、磁共振成像、無線電力傳輸系統等產生特定的磁場分布。在原子傳感器中，高均勻度的線圈系統被用來進行磁場補償和信號調制來實現超高精度的磁場或慣性測量。

通常，磁場線圈被封閉在磁屏蔽筒或者磁屏蔽房中，用來屏蔽地磁場，保證零場環境的穩定性，避免磁敏感部件受到磁干擾。圓柱形磁屏蔽筒因其磁屏蔽性能高、造價低等優點被廣泛使用。但由于磁屏蔽筒磁導率較高，具有匯聚磁力線的功能，會與內部線圈產生耦合作用，使其產生的磁場被扭曲，影響磁場的均勻性和準確性。

目前，解決上述問題的一種方法是利用自屏蔽線圈來抑制線圈與屏蔽筒的耦合作用，其外部磁場在屏蔽筒附近被迅速衰減到0，達到抑制耦合的效果。但其結構復雜，體積較大，且通常屏蔽筒附近的磁場不能完全衰減到0。另一種方法是根據線圈與屏蔽筒的耦合效應調整線圈的幾何形狀，設計基于圓柱形磁屏蔽筒的勻強磁場線圈。但現階段的研究僅給出了理論模型，且模型求解十分復雜，無法找到具有最佳性能的線圈參數。

隨著原子傳感器測量精度的提高，對線圈的精度和均勻度的要求也隨之提高，磁屏蔽筒與線圈耦合導致的線圈均勻度下降的問題不可忽視。因此，在圓柱形磁屏蔽筒存在的情況下，設計高度均勻的磁場線圈成為了一項亟待解決的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：基于磁屏蔽筒的耦合效應，提出一種用于圓柱形磁屏蔽筒內的圓柱形和球形線圈設計方法，大幅提高縱向磁場線圈的均勻性，解決線圈與磁屏蔽筒耦合導致的線圈均勻度下降的問題，與現有技術相比，本發明具有以下優點：采用格林函數法結合粒子群算法進行優化設計；利用格林函數法分析磁屏蔽筒的耦合效應并對磁屏蔽筒中線圈的磁場進行準確描述；利用粒子群優化算法進行全局尋優，尋找磁場性能最佳的線圈參數；在圓柱形磁屏蔽筒中產生高度均勻的縱向磁場，克服了線圈與屏蔽筒耦合導致的線圈常數與理論不符和均勻度下降的問題。

本發明的技術解決方案如下：

基于磁屏蔽筒耦合的圓柱形和球形勻強磁場線圈設計方法，其特征在于，包括兩個相同的圓柱形磁屏蔽筒，將待設計的圓柱形線圈和球形線圈對稱地放置于各自的圓柱形磁屏蔽筒中，線圈中心與磁屏蔽筒中心重合；圓柱形和球形線圈采用格林函數法結合粒子群算法進行優化設計。

所述優化設計包括：首先利用格林函數法分析圓柱形磁屏蔽筒的耦合效應并建立磁屏蔽筒內線圈磁場分析模型，并通過此模型對圓柱形和球形線圈的磁場表達式進行推導；其次，根據磁場高均勻度的優化目標將表達式轉化為非線性優化模型，并根據應用需求確定約束條件；最后結合粒子群優化算法進行優化求解獲得線圈參數。