一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置及其磁场屏蔽方法

摘要

本发明公开了属于电磁兼容技术领域的涉及一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置，该磁场屏蔽装置由磁场探测线圈、磁场检测线圈、驱动电路，磁场调节线圈和相应配套的样品台构成；磁场探测线圈负责监测环境磁场变化，经过驱动电路功率放大后驱动磁场调节线圈对外磁场进行抵消，其中磁场探测线圈放在正上方，样品台置于磁场调节线圈中心，磁场检测线圈和磁场检测探头连接，并放在样品台面上，驱动电路放在磁场调节线圈外侧，被屏蔽磁场在驱动电路上方。本发明提供的全频段调节的磁场屏蔽装置更有利于工程实践。

权利要求

1.一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置的磁场屏蔽方法，该磁场屏蔽装置包括磁场探测线圈、磁场检测线圈、驱动电路\ 磁场调节线圈和相应配套的样品台构成；磁场调节线圈由超导线圈构成；驱动电路由直流放大偏置模块（8）、功率放大模块（9）构成；其中磁场探测线圈（1）放在磁场调节线圈（5）正上方，样品台（6）置于磁场调节线圈（5）中心，磁场检测线圈（2）放在样品台（6）面上，磁场检测探头（3）位于磁场检测线圈（2）附近；磁场探测线圈（1）接收磁场检测探头（3）的信号；驱动电路（4）放在磁场调节线圈（5）外侧，被屏蔽磁场（7）放在驱动电路（4）上方；其特征在于，该方法利用磁场探测线圈监测环境磁场变化，根据电磁感应定律，磁场探测线圈接收到磁场检测探头探测的信号，磁场探测线圈产生U=dΦ/dt的电压信号,其中Φ是磁场探测线圈包含面积内的磁通；其中环境磁场是由50Hz传输线产生的正弦磁场，磁场探测线圈的电压信号U与经过微分的环境磁场相位呈90°，将磁场探测线圈产生的电压信号U输入驱动电路，其中，驱动电路设计成输入电压与输出电压无相位差，经过驱动电路放大之后的电压驱动磁场调节线圈工作；磁场调节线圈采用超导线圈，磁场超导线圈电阻视为0，呈现出纯电感性，则纯电感电路电流满足i=-kdU/L,其中k为可调节的放大系数；L是线圈电感；当磁场调节线圈电流i相位与磁场探测线圈电压信号U相位呈

90°时，磁场调节线圈电流i相位与环境磁场相位恰好呈180°，相当于反相位，因此由磁场调节线圈产生的磁场与环境磁场相互抵消；调节磁场线圈的放大系数k，实现对外界磁场同相位的减小，抵消或者放大；将磁场检测线圈放置在样品台处，通过观测磁场检测线圈电压值，调节磁场调节线圈的放大系数k，形成对直流磁场的抵消能力；当磁场检测线圈无电压信号时达到最佳屏蔽效果;提高开放式全频段磁场屏蔽装置对于谐态外磁场的屏蔽能力。

说明书

一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置及其磁场屏蔽方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁兼容领域，特别涉及一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置，具体涉及一种开放式交、直流全频段调节的磁场屏蔽装置。

背景技术

[0002] 随着人类文明的不断发展，电磁环境也日益恶化。在高压线，大型用电器，大型钢结构建筑周围，电磁噪音尤其严重，磁场抵消是许多精密科学的通用保障性技术，在一些极端测量环境：如高精密原子钟电子束成像装置，质谱仪，中微子探测中得到广泛引用。在某些生物磁测量中，待测信号多处于10pT(1×10-11) 量级甚至更低。而环境噪音磁场要大3-6个数量级。去除噪音信号成为这类测量必不可少的环节。

[0003] 目前普遍采用的磁场屏蔽方式有两种：被动屏蔽式和主动抵消式。其中被动屏蔽式应用历史最为悠久，屏蔽系统采用高磁导率材料构建封闭腔体将被保护对象封闭其内，搭建屏蔽腔的材料的磁导率愈高，腔壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。常用高磁导率材料如软铁、硅钢、坡莫合金等。这种屏蔽质量大，重量沉，屏蔽磁场方向光学不透明。其次，就是一些抵消式的屏蔽系统，比如，现有技术提供了一种基于闭合超导线圈组结构的屏蔽装置，其基本结构是由特定半径比和匝数比的超导线圈组电连接形成。如专利200910237483.6，201310318660.X， 201310318686.4，201510128739.5。但这些专利设计的磁场调节器无法对直流磁场进行调节；其次，由于至少需要两个线圈，造成体积比大，不利于工程实践。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置，其特征在于，该磁场屏蔽装置由磁场探测线圈、磁场检测线圈、驱动电路，磁场调节线圈和相应配套的样品台构成；磁场探测线圈负责监测环境磁场变化，经过驱动电路功率放大后驱动磁场调节线圈对外磁场进行抵消，但是，磁场调节线圈必须由超导线圈构成；其中磁场探测线圈1放在磁场调节线圈5的正上方，样品台6置于磁场调节线圈5中心，磁场检测线圈2放在样品台6面上，磁场检测探头3位于磁场检测线圈2附近，磁场探测线圈1接收磁场检测探头3的信号；驱动电路4放在磁场调节线圈5外侧，被屏蔽磁场7在驱动电路4上方。

[0005] 所述驱动电路由直流放大偏置模块8、功率放大模块9构成。

[0006] 所述磁场调节线圈为亥姆霍兹(Helmholtz)线圈，采用三组5X、5Y、5Z线圈正交的方式构成磁场调节线圈组；该磁场调节线圈组形成一个能够屏蔽三个方向磁场的开放式全频段磁场屏蔽装置。

[0007] 该开放式全频段调节的磁场屏蔽装置的基本原理是利用磁场探测线圈监测环境磁场变化，根据电磁感应定律，磁场检测线圈接收到磁场检测探头探测的信号，探磁场探测线圈会产生U＝dΦ/dt的电压信号,其中Φ是磁场探测线圈包含面积内的磁通；假设空间磁场是正弦磁场，由50Hz传输线产生的磁场，那么磁场探测线圈的电压信号U经过微分与空间磁场呈90°，磁场探测线圈产生的电压信号U输入驱动电路，由于驱动电路是由直流放大偏置模块、功率放大模块构成的，并且驱动电路设计成输入电压与输出电压无相位差；经过驱动电路放大之后的电压驱动磁场调节线圈工作；磁场调节线圈是采用超导线圈，磁场超导线圈电阻可视为0，呈现出纯电感性，则纯电感电路电流满足i＝-kdU/L,其中k为放大系数，是可调节的参量，发现当磁场调节线圈电流i与磁场探测线圈电压U信号相位呈90°时，与空间磁场恰好呈180°，相当于反相位，因此由磁场调节线圈产生的磁场与空间磁场可相互抵消；调节磁场调节线圈的放大系数k来实现对外界磁场同时减小，抵消或者放大；此处需要特别说明是，磁场调节线圈需要采用超导线圈，如果利用常规线圈搭建，因为有电阻，磁场调节线圈电流一定会产生相移，无法与空间磁场相位形成反相位；磁场检测线圈放置在磁场调节线圈5的正上方，磁场检测探头位于磁场检测线圈附近，通过观测磁场检测线圈电压值，调节磁场调节线圈的放大系数k，使磁场检测线圈无电压信号输出时，即达到最佳屏蔽效果；由此说明了这种开放式全频段磁场屏蔽装置对于动态特别是谐态外磁场的屏蔽能力。

[0008] 其次，对于直流型外磁场调节能力主要依靠驱动电路的直流偏置功能完成；首先通过磁场检测线圈探测直流磁场，再通过直流放大偏置模块加载直流偏置，经功率放大模块放大后驱动磁场调节线圈调节其放大系数k，使磁场检测线圈无电压信号输出，形成对直流磁场的抵消能力。

[0009] 本发明的有益效果是相对于现有技术，本发明提供的全频段调节的磁场屏蔽装置更有利于工程实践。

附图说明

[0010] 图1为磁场屏蔽装置的结构示意图。

[0011] 图2为驱动电路结构示意图。

[0012] 图3为磁场屏蔽装置对噪音磁场屏蔽效果图。

具体实施方式

[0013] 本发明提供一种开放式全频段调节的磁场屏蔽装置，下面结合附图和实施例予以说明。

[0014] 图1所示为磁场屏蔽装置的结构示意图；该磁场屏蔽装置由磁场探测线圈、磁场检测线圈、驱动电路，磁场调节线圈和相应配套的样品台构成；磁场探测线圈负责监测环境磁场变化，经过驱动电路功率放大后驱动磁场调节线圈对外磁场进行抵消，但是，磁场调节线圈必须由超导线圈构成，超导线圈采用YBCO超导体绕制或采用Bi2223高温超导绕制。其中磁场探测线圈1放在磁场调节线圈5的正上方，样品台6置于磁场调节线圈5中心，磁场检测线圈2放在样品台6面上，磁场检测探头3位于磁场检测线圈2附近，驱动电路4放在磁场调节线圈5外侧，被屏蔽磁场7在驱动电路4上方。

[0015] 所述驱动电路由直流放大偏置模块8、功率放大模块9构成(如图2所示)；所述磁场调节线圈为亥姆霍兹(Helmholtz)线圈，采用三组5X、5Y、5Z线圈正交的方式构成磁场调节线圈组(如图3所示)；磁场调节线圈组形成一个可屏蔽三个方向磁场的开放式全频段磁场屏蔽装置。

[0016] 该开放式全频段调节的磁场屏蔽装置的基本原理是利用磁场探测线圈监测环境磁场变化，根据电磁感应定律，磁场检测线圈接收到磁场检测探头探测的信号，磁场探测线圈会产生U＝dΦ/dt的电压信号,其中Φ是磁场探测线圈包含面积内的磁通；假设空间磁场是正弦磁场，由50Hz传输线产生的磁场，那么磁场探测线圈的电压信号U经过微分与空间磁场呈90°，磁场探测线圈产生的电压信号U输入驱动电路，由于驱动电路是由直流放大偏置模块、功率放大模块构成的，并且驱动电路设计成输入电压与输出电压无相位差；经过驱动电路放大之后的电压驱动磁场调节线圈工作；磁场调节线圈是采用超导线圈，磁场超导线圈电阻可视为0，呈现出纯电感性，则纯电感电路电流满足i＝-kdU/L,其中k为放大系数，是可调节的参量，发现当磁场调节线圈电流i与磁场探测线圈电压U信号相位呈 90°时，与空间磁场恰好呈180°，相当于反相位，因此由磁场调节线圈产生的磁场与空间磁场可相互抵消；调节磁场调节线圈的放大系数k来实现对外界磁场同时减小，抵消或者放大；此处需要特别说明是，磁场调节线圈需要采用超导线圈，如果利用常规线圈搭建，因为有电阻，磁场调节线圈电流一定会产生相移，无法与空间磁场相位形成反相位；磁场检测线圈放置在磁场调节线圈的正上方；通过观测磁场检测线圈电压值，调节磁场调节线圈的放大系数k，使磁场检测线圈无电压信号输出时，即达到最佳屏蔽效果；由此说明了这种开放式全频段磁场屏蔽装置对于动态特别是谐态外磁场的屏蔽能力。

[0017] 其次，对于直流型外磁场调节能力主要依靠驱动电路的直流偏置功能完成；首先通过磁场检测线圈探测直流磁场，再通过直流放大偏置模块加载直流偏置，经功率放大模块放大后驱动磁场调节线圈调节其放大系数k，使磁场检测线圈无电压信号输出，形成对直流磁场的抵消能力。

[0018] 实施例1

[0019] 如图1所示，本实施例公开一种磁场屏蔽装置，包括：磁场探测线圈1，磁场检测线圈2，磁场检测探头3，驱动电路4，磁场调节线圈5，除此之外还有样品台6，被屏蔽磁场7。

[0020] 磁场探测线圈1负责监测环境磁场变化，磁场探测线圈1接收到磁场检测探头3探测的信号，磁场探测线圈会产生U＝dΦ/dt的电压信号，探测线圈的电压信号经过驱动电路功率放大后驱动磁场调节线圈5对外磁场7进行抵消。在实施例1中，为了获得尽可能大的匀场区，采用亥姆霍兹(Helmholtz)结构线圈的磁场调节线圈5是一种分离式线圈组结构，在中心可产生比较均匀的磁场。实施例1中亥姆霍兹线圈采用边长1米结构。在Helmholtz线圈中心区域放置样品台 6。实施例1中磁场检测线圈2放置在样品台之6上，磁场探测线圈1放置在亥姆霍兹线圈5之外，磁场探测线圈和磁场检测线圈均采用表面带有绝缘层的铜导线绕制。实施例1中磁场探测线圈采用半径1cm，匝数100匝扁平状线圈结构。

[0021] 根据电磁感应定律，磁场探测线圈产生会产生U＝dΦ/dt的电压信号。其中Φ是探测线圈包含面积内的磁通。假设空间磁场是正弦磁场，比如是由50Hz传输线产生的磁场，那么探测线圈的电压信号经过微分后，与空间磁场呈90°，探测线圈产生的电压信号输入驱动电路。驱动电路由直流放大模块8、功率放大模块9构成的。其中驱动电路基本要求输入电压与输出电压无相位差。

[0022] 经过驱动电路4放大之后的电压驱动磁场调节线圈5工作。磁场调节线圈最为重要的是采用超导线圈，超导线圈电阻可视为0，体现为一个纯电感性质。纯电感电路电流满足i＝-kdU/L,其中k为放大系数是可以人为调节的参量，L是线圈电感。可发现调节线圈电流i与探测线圈电压信号相位呈90°与空间磁场恰好呈180°相当于反相位。因此由调节线圈产生的磁场与空间磁场可相互抵消。仔细调节系数k可实现对外界磁场同相位的减小，抵消或者放大。此处需要特别说明是，调节线圈需要采用超导线圈，如果利用常规线圈搭建，因为有电阻，调节线圈电流一定会产生相移，无法与空间磁场相位形成反相位。在实施例1中，超导线圈采用YBCO超导体绕制而成。还可以采用Bi2223等高温超导绕制而成，系数k通过动态调整驱动电路功放放大系数获得最佳值。具体调节方式如下

[0023] 将磁场检测线圈2放置在样品台6处，通过观测磁场检测线圈电压值，调节系数k，当磁场检测线圈无电压信号时达到最佳屏蔽效果。

[0024] 以上介绍了这种开放式全频段磁场调节器对于动态特别是谐态外磁场的调节能力。对于直流型外磁场调节能力主要依靠驱动电路的直流偏置功能完成。首先通过放置在样品台6上的磁场检测探头3探测直流磁场，再通过加载直流偏置，经过放大电路驱动调节线圈产生一个可以抵消环境磁场的磁场，从而对直流磁场形成抵消能力。在实施例1中磁场检测探头采用基于磁通门原理的磁场探头。

[0025] 实施例2

[0026] 在实施例1中，提供了一种对单方向磁场屏蔽结构，实施例2中提供了一种可屏蔽三个方向磁场的开放式全频段磁场屏蔽装置。它是采用三组正交方式的 Helmholtz线圈构成磁场调节线圈组，如图3所示。相应的磁场探测线圈，磁场检测线圈也需匹配，在此不再赘述。