环境磁场的补偿与控制

　　由于心脏电活动产生的磁场信号非常微弱，约为o一looH:的低频信号，所以利用超导量子干涉器(sQuID)检测心脏磁场时，需要消除环境磁场低频扰动的影响。通常的做法是利用磁场屏蔽室，但成本较高。还有一种简单实用的方案，即采用亥姆霍兹补偿线圈，可以达到局部屏蔽的效果。

　　本文的目的是研究亥姆霍兹线圈中心区域环境磁场的控制及模拟电路实现。图1为系统的原理图。

　　图2所示的方型亥姆霍兹线圈为本研究采用的补偿线圈。

　　由于地球磁场的存在，用磁通门计可以在长方体型补偿线圈的中心测得一直流电压信号。理想情况下环境磁场非常稳定，没有低频漂移。如图1所示，将该电压信号放大后与跟随器的输出比较，偏差调零后，系统位于稳定工作点。如果环境磁场因为干扰源的存在如电网、运动车辆、电子电器等产生扰动，磁通门计的输出电压发生变化，比例积分环节的输出经Wl变换后将在补偿线圈中产生一个电流信号，使得该线圈产生相反的附加磁场，可消除环境场的扰动。总之，线圈中补偿电流的存在可以使环境磁场在一定范围内可调(包括调零)，从而实现对环境磁场的控制。

　　1系统跟踪误差分析【1】

　　将磁通门计输出信号对磁场的跟踪函数视作一阶惯性环节k0/1+Ts,则图1的系统可用图3的传递函数表示。其中，R(s)为磁通门计的输出，R0(s)为图中跟随器的输出。该系统的开环传递函数为:

　　根据拉氏变换的终值定理，系统的稳态误差为:

　　由(2)式可见，当输入为阶跃信号时，ess=0，系统对阶跃变化的环境磁场无跟踪误差。当环境磁场为斜坡变化时，ess=K/k0k1，有一定的跟踪误差，但是通过调节放大倍数k0kl，可以将该误差减至很小。因此，放大倍数调节是重要的环节。当输人为加速度信号时，ess=K/k0k1，系统不能跟踪按加速度变化的环境磁场。

　　2 V/I模块的设计[2一3]

　　V/I模块的作用是将电压信号转换成大电流信号，需要事先估计补偿电流的范围。假设下线圈中心为坐标原点，可得电流同向和反向时，方形Helinhaltz线圈轴线的中心磁场分别为[4一5]:

　　该线圈的中心产生均匀分布的磁场，中心位置的磁场强度分别为:

　　假如最大补偿磁场为1OoonT(即干扰磁场)计算可得N*I=0.37。如果要抵消大地产生的均匀磁场，则N*I值还要加大。

　　图4是电路中的V/I模块，通过Q，，Q:向线圈提供大电流，用R19作为采样电阻，用电流反馈的方式形成闭环，从而实现电压一大电流的转换。