三維線圈動(dòng)態(tài)屏蔽系統(tǒng)
南京理工大學(xué)動(dòng)態(tài)屏蔽線圈設(shè)計(jì)方案
三維線圈動(dòng)態(tài)屏蔽系統(tǒng)
主要功能
u 屏蔽地磁環(huán)境磁場(chǎng)
三維方線圈可將中心區(qū)域直流與交流環(huán)境磁場(chǎng)屏蔽到10nT以下（閉環(huán)控制模式）
u 屏蔽動(dòng)態(tài)干擾磁場(chǎng)
三維方線圈可屏蔽中心區(qū)域不同頻率交流動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇性屏蔽
u 生成靜態(tài)恒定磁場(chǎng)
三維方線圈在屏蔽交直流環(huán)境磁場(chǎng)后，可產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)值可調(diào)整。三維磁場(chǎng)可按序列發(fā)生，周期可設(shè)置。（產(chǎn)生前自動(dòng)屏蔽無(wú)需二次操作）
u 模擬交流動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)
三維方線圈在屏蔽交直流環(huán)境磁場(chǎng)后，可產(chǎn)生交流動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)值可調(diào)整。（產(chǎn)生前自動(dòng)屏蔽無(wú)需二次操作）
u 線圈可升級(jí)項(xiàng)
如果需要對(duì)環(huán)境梯度進(jìn)行屏蔽，之后可增加梯度線圈繞組，控制電源及軟件。以應(yīng)對(duì)環(huán)境梯度帶來(lái)的不均勻性。
u 關(guān)于線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布
本套方案線圈均勻性為中心800*800*800mm空間內(nèi)均勻性優(yōu)于1%，如定義該區(qū)域?yàn)?00*500*500mm則空間內(nèi)均勻性優(yōu)于0.3%，即均勻區(qū)則均勻性越優(yōu)，所以將樣品居中或縮小樣品尺寸可以獲得更好的均勻性。
u 關(guān)于均勻性的定義
系統(tǒng)組成
三維動(dòng)態(tài)地磁屏蔽系統(tǒng)由三維線圈、磁場(chǎng)檢測(cè)裝置、測(cè)控裝置組成。
u 磁場(chǎng)發(fā)生裝置
磁場(chǎng)發(fā)生裝置由一臺(tái)3HLF185-2型三維磁場(chǎng)線圈和三臺(tái)功率放大器構(gòu)成。三維線圈的每軸線圈組由兩個(gè)邊長(zhǎng)相同且平行的正方形線圈組成，每軸線圈組之間相互正交。線圈采用無(wú)磁的高強(qiáng)度玻璃纖維作為主體框架，其他連接部件采用POM、PMMA和純銅等無(wú)磁材質(zhì)。每軸線圈組的兩個(gè)線圈串聯(lián)，最終與其對(duì)應(yīng)的電源連接，通過(guò)控制電源輸出的電流以改變每軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而生成對(duì)應(yīng)方向的磁場(chǎng)分量Bx、By、Bz。
u 磁場(chǎng)檢測(cè)裝置
磁場(chǎng)檢測(cè)裝置由CH-330F磁通門計(jì)和巴廷頓三維磁通門探頭組成，放置于線圈均勻區(qū)內(nèi)的三維磁通門探頭是采用線圈感應(yīng)原理制成的磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器，采用三維高精度磁通門探頭，分辨率可達(dá)0.1nT，磁通門計(jì)為三維磁通門探頭提供穩(wěn)定的工作電壓，同時(shí)采集探頭輸出的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波、AD采集后轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)信號(hào)顯示于液晶屏幕上，并可通過(guò)通訊串口將實(shí)時(shí)磁場(chǎng)信息上傳至上位機(jī)軟件。
u 三通道磁場(chǎng)測(cè)控裝置
測(cè)控裝置包含移動(dòng)終端控制設(shè)備及上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件通過(guò)通訊串口與三臺(tái)功率放大器通訊，可通過(guò)控制指令設(shè)置各臺(tái)電源輸出電流值，同時(shí)上位機(jī)軟件通過(guò)串口與磁通門計(jì)通訊，可解析指令讀取當(dāng)前磁場(chǎng)值。由此，可形成磁場(chǎng)設(shè)置-磁場(chǎng)檢測(cè)-磁場(chǎng)調(diào)整的控制閉環(huán)，通過(guò)PID算法準(zhǔn)確控制線圈內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度。
控制原理
核心控制算法由三通道磁場(chǎng)控制單元的單片機(jī) CPU 完成。放置于線圈內(nèi)部的三軸磁通門陣列實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線圈內(nèi)部磁場(chǎng)，單片機(jī) CPU 采集讀取三軸磁通門探頭數(shù)據(jù)輸入至 DC 磁場(chǎng)計(jì)算模型，DC 磁場(chǎng)計(jì)算模型是用戶根據(jù)不同需求定制的 DC 磁場(chǎng)計(jì)算方法，比較器對(duì)用戶在上位機(jī)軟件設(shè)定的目標(biāo) DC 磁場(chǎng)和 DC 磁場(chǎng)計(jì)算模型輸出的實(shí)時(shí) DC 磁場(chǎng)進(jìn)行做差處理，差值經(jīng) PID 計(jì)算模型處理后得到控制信號(hào)，單片機(jī) CPU 通過(guò) SPI 高速總線將數(shù)字控制信號(hào)發(fā)送至低速 DAC，生成模擬電壓控制后輸出至執(zhí)行器-功率放大器，驅(qū)動(dòng)線圈繞組產(chǎn)生直流磁場(chǎng)，磁通門探頭監(jiān)測(cè)更新后的直流磁場(chǎng)環(huán)境，閉環(huán)輸入至比較器，反復(fù)執(zhí)行 DC 磁場(chǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程，直至 DC 磁場(chǎng)誤差在允許的范圍內(nèi)，由此形成 DC 磁場(chǎng)閉環(huán)控制模型。
當(dāng)設(shè)定的目標(biāo)磁場(chǎng)為 0 時(shí)，DC 磁場(chǎng)閉環(huán)控制模型可實(shí)現(xiàn)低頻段磁場(chǎng)屏蔽，包含地球磁場(chǎng) DC 段和低頻波動(dòng)段，地鐵或電梯運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)等。
當(dāng)設(shè)定的目標(biāo)磁場(chǎng)不為 0 時(shí)，DC 磁場(chǎng)閉環(huán)控制模型可實(shí)現(xiàn) DC 磁場(chǎng)發(fā)生功能，可通過(guò)單點(diǎn)設(shè)定和軌跡導(dǎo)入兩種方式設(shè)定 DC 磁場(chǎng)環(huán)境。
由 PID 算法可知，選取合適的 KP，KI，KD 參數(shù)后，控制模型可實(shí)現(xiàn) DC 段跳動(dòng)小于 10nT 的屏蔽效果
當(dāng)設(shè)定的目標(biāo)磁場(chǎng)不為 0 時(shí)，DC 磁場(chǎng)閉環(huán)控制模型可實(shí)現(xiàn) DC 磁場(chǎng)發(fā)生功能，可通過(guò)單點(diǎn)設(shè)定和軌跡導(dǎo)入兩種方式設(shè)定 DC 磁場(chǎng)環(huán)境。
由 PID 算法可知，選取合適的 KP，KI，KD 參數(shù)后，控制模型可實(shí)現(xiàn) DC 段跳動(dòng)小于 10nT 的屏蔽效果
系統(tǒng)參數(shù)
一、 三維方形Helmholtz線圈
u 產(chǎn)品規(guī)格
· 3HLF185-2型方形三軸Helmholtz線圈，可生成三軸Bx、By、Bz磁場(chǎng)分量；
· X軸等效邊長(zhǎng)3700mm；
Y軸等效邊長(zhǎng)3785mm；
Z軸等效邊長(zhǎng)3870mm；
· 無(wú)磁骨架；
u 電氣參數(shù)
· X軸線圈冷態(tài)直流電阻0.4Ω；
· Y軸線圈冷態(tài)直流電阻0.41Ω；
· Z軸線圈冷態(tài)直流電阻0.42Ω；
· 線圈絕緣電阻優(yōu)于10MΩ；
u 冷卻方式
· 自然冷卻；
u 尺寸及質(zhì)量
· 線圈包絡(luò)尺寸3850*3849*3934mm
· 整體重量約116Kg
u 磁場(chǎng)參數(shù)
· 中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為2Gs；
· 中心800*800*800mm空間內(nèi)均勻性優(yōu)于1%；
· 三維磁場(chǎng)正交度小于±1°
u 線圈廠內(nèi)產(chǎn)品實(shí)拍參考圖
二、 功率放大器
u產(chǎn)品參數(shù)
· HEA-500G型功率放大器；
· 交流輸入，單相220V±10%（50Hz/60Hz）；
· 輸出電壓40Vp，輸出電流40Ap，最大輸出功率1600W；
u輸出
· 非線性失真度＜2%；
· 輸出信噪比＞80db；
u負(fù)載保護(hù)
· 有輸出短路、開(kāi)路無(wú)障、操作無(wú)禁手；
u交互能力
· 輸出電流、電壓顯示；
· 輸出指示精度優(yōu)于2%；
u使用環(huán)境
·室內(nèi)使用設(shè)計(jì)，溫度： 0℃～40℃；濕度：10％～80％ RH
·溫度：0℃～40℃；濕度：10％～80％ RH
u功放及其他配件廠內(nèi)參考圖（針對(duì)本套設(shè)備機(jī)柜尺寸為1.2*0.6米23U機(jī)柜）
三、 磁通門計(jì)
u 產(chǎn)品主要參數(shù)
· CH-330F磁通門計(jì)是精確測(cè)量微弱的靜態(tài)和低頻矢量磁場(chǎng)的儀器。
· 具有高穩(wěn)定性、線性和精確度，與霍爾效應(yīng)原理或磁電阻效應(yīng)原理的磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器相比，它是測(cè)量弱磁場(chǎng)最好的選擇。
· 包含一個(gè)主機(jī)和一個(gè)磁通門探頭（英國(guó)巴廷頓探頭）。主機(jī)單元提供控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)探頭和處理探頭輸出的信號(hào)，探頭通過(guò)測(cè)量三個(gè)正交軸磁場(chǎng)都能夠測(cè)量磁場(chǎng)的三個(gè)矢量組分，分析磁場(chǎng)角度及矢量合成值。
· 具有很寬的測(cè)試范圍及很高的測(cè)試精度及穩(wěn)定性。
u 性能參數(shù)
u 產(chǎn)品圖片
四、 三通道磁場(chǎng)采集控制系統(tǒng)
u 核心功能：STM32單片機(jī)CPU、4路24bitAD高速采集、3路16bitDAC輸出、以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸；
u 可實(shí)現(xiàn)地球磁場(chǎng)的抵消與補(bǔ)償，采用PID閉環(huán)控制方式對(duì)線圈中心均勻區(qū)磁場(chǎng)進(jìn)行控制，均勻區(qū)內(nèi)的剩余磁場(chǎng)Hs始終小于10nT（以CH-330F磁通門計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn)）；
u 可實(shí)現(xiàn)地磁環(huán)境模擬，產(chǎn)生任意方向的磁場(chǎng)H，即H=H_0+H_s，H為設(shè)定的磁場(chǎng)值，等同為線圈內(nèi)均勻區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的凈磁場(chǎng)， H_0為地磁場(chǎng)值，H_s為補(bǔ)償磁場(chǎng)值，磁場(chǎng)波動(dòng)小于10nT（以CH-330F磁通門計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn)）；
u 可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)：a）產(chǎn)生任意大小和方向的磁場(chǎng)值（支持XYZ輸入和柱坐標(biāo)輸入設(shè)定），輸入端為用戶設(shè)定的磁場(chǎng)值，三通道磁場(chǎng)采集控制電路板采用PID閉環(huán)控制方式對(duì)線圈中心均勻區(qū)磁場(chǎng)進(jìn)行控制
u 低頻動(dòng)態(tài)電磁干擾模擬：按照指定的磁場(chǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)表（單軸、雙軸或三軸矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)表），程序控制輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電流源產(chǎn)生激勵(lì)電流，驅(qū)動(dòng)線圈按照數(shù)據(jù)表產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的低頻動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)干擾，頻率范圍：DC-100Hz，磁場(chǎng)范圍±1Gs。
u 可實(shí)現(xiàn)三通道同步任意波形DAC輸出；
u 可實(shí)現(xiàn)磁通門計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)高速采集，采集頻率不低于5KHz/通道；
u 通訊接口：以太網(wǎng)，TCP/IP協(xié)議。
u 軟件可控制地球磁場(chǎng)的抵消與補(bǔ)償功能的開(kāi)啟與停止；
u 軟件可設(shè)定任意大小和方向的磁場(chǎng)值（支持XYZ輸入和柱坐標(biāo)輸入設(shè)定）；
u 軟件可導(dǎo)入Excel表格數(shù)據(jù)，按照表格中的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)控制產(chǎn)生低頻動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)干擾；
u 軟件磁場(chǎng)曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與導(dǎo)出。
