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基于电子顺磁共振谱的残磁测量应用及进展

光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 22-28页

作者：张全哲邹升张红北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 北京量子信息科学研究院北京100193

电子顺磁共振类似于核磁共振,是一种基于电子磁矩在外磁场中的顺磁性及塞曼分裂的方法,该方法与物质中未成对电子和外磁场相联系,通过获取和分析物质的电子顺磁共振谱,能够得到物质的结构信息或环境的磁场信息,因此其常被用来分析物质... 详细信息

电子顺磁共振类似于核磁共振,是一种基于电子磁矩在外磁场中的顺磁性及塞曼分裂的方法,该方法与物质中未成对电子和外磁场相联系,通过获取和分析物质的电子顺磁共振谱,能够得到物质的结构信息或环境的磁场信息,因此其常被用来分析物质结构、探测磁场等。极弱磁场通常指nT或以下量级的磁场,目前一些科学研究的进行常常要求在极弱磁环境下进行,例如基础物理研究、心脑磁探测等,因此稳定可靠的磁屏蔽常被用来创建所需的极弱磁环境。磁屏蔽包括被动磁屏蔽和主动磁补偿,被动磁屏蔽指利用磁屏蔽室屏蔽外界磁场,其内部往往有一定量的残余磁场,因此为方便进一步主动磁补偿,探测屏蔽后的残余磁场是有必要的。目前屏蔽室内残余磁场的测量手段主要分为商用化磁强计测量和装置原位测量,商用化磁强计测量方法简单,但精度低、噪声大,且不利于小型化,利用装置原位测量能够减少噪声,是目前主要的研究方法。由于碱金属原子最外层含有一个未成对电子,其成为电子顺磁共振实验的理想样品。而随着激光和光泵技术的发展,利用法拉第旋光效应作为光学手段探测气体原子的电子顺磁共振谱已经成为了可能。通过测量碱金属原子气体的电子顺磁共振谱进行残余磁场的原位测量效果好、精度高,具有极大的应用前景。通常基于电子顺磁共振的残磁测量系统包括残磁环境和样品模块、光学探头模块、信号调制模块、环境监测模块以及信号收集与处理模块,核心是光学探头模块,决定了磁场测量的灵敏度。简要描述了电子顺磁共振技术的原理,以光泵磁力计为主介绍了基于该技术的典型磁力计和目前的发展,重点概述了基于电子顺磁共振谱的残磁测量系统、各个组成模块以及相关技术近年来的发展现状。

关键词：电子顺磁共振磁场传感磁屏蔽极弱磁环境

无线电能传输系统带磁屏蔽任意位置矩形线圈的互感计算

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电工技术学报 2022年第17期37卷 4294-4305页

作者：李中启李晶全倡辉张学毅黄守道湖南工业大学交通工程学院株洲412007 湖南大学电气与信息工程学院长沙412008 湖南工业大学电气与信息工程学院株洲412007

互感是无线电能传输系统的一个关键参数,在电动汽车线圈耦合机构中添加磁屏蔽材料,可以有效减少磁泄漏,增强线圈之间的互感。目前还没有方法计算带磁屏蔽任意位置矩形线圈之间的互感。为此该文基于双傅里叶变换和麦克斯韦方程组推导了... 详细信息

互感是无线电能传输系统的一个关键参数,在电动汽车线圈耦合机构中添加磁屏蔽材料,可以有效减少磁泄漏,增强线圈之间的互感。目前还没有方法计算带磁屏蔽任意位置矩形线圈之间的互感。为此该文基于双傅里叶变换和麦克斯韦方程组推导了带磁屏蔽条件下的磁通密度。并在此基础上,利用空间直角坐标变换法,得到了任意相对位置两个矩形线圈的互感计算式。与传统的近似计算方法不同,所提出的方法是计算互感的解析方法,可以对线圈间互感进行精确的数值求解。最后,以两个具有多种位置变化情况的矩形螺旋线圈为例进行了模型验证,互感的理论计算值和有限元仿真结果及实验结果吻合良好,验证了所提方法的有效性。

关键词：无线电能传输矩形线圈互感计算磁屏蔽

基于过渡边界条件的无线充电纳米晶薄层屏蔽磁场计算方法

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电工技术学报 2022年第23期37卷 6083-6092页

作者：朱子旭张献杨庆新沙琳刘立东天津市电气装备智能控制重点实验室(天津工业大学) 天津300387 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300130 河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130 横店集团东磁股份有限公司东阳322118

电动汽车无线充电系统中的纳米晶薄层屏蔽结构在大幅度降低耦合机构的体积与质量的同时,也为复合屏蔽的仿真计算增加了难度。该文为减小纳米晶薄层屏蔽周围磁场计算时间,结合过渡边界条件(TBC)计算方法,分析具有高磁导率的纳米晶薄层屏... 详细信息

电动汽车无线充电系统中的纳米晶薄层屏蔽结构在大幅度降低耦合机构的体积与质量的同时,也为复合屏蔽的仿真计算增加了难度。该文为减小纳米晶薄层屏蔽周围磁场计算时间,结合过渡边界条件(TBC)计算方法,分析具有高磁导率的纳米晶薄层屏蔽内磁场分布,为电动汽车无线充电中纳米晶薄层屏蔽复合系统提出了无线充电薄层TBC计算模型。分别搭建无线充电系统的一般计算模型与TBC计算模型,根据趋肤深度调整计算单元,得出精确划分情况下,TBC模型与一般模型计算和实验测量结果相吻合,TBC模型计算时间最多可减小为一般模型的41.7%,大幅度加快无线充电复合屏蔽模型计算速度。

关键词：纳米晶薄层屏蔽过渡边界条件磁屏蔽各向异性计算模型

磁屏蔽对电磁出钢系统中感应加热电源功率损耗的影响

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金属学报 2019年第2期55卷 249-257页

作者：何明李显亮王情伟王连钰王强东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室沈阳110819 东北大学冶金学院沈阳110819 东北大学材料科学与工程学院沈阳110819

为降低钢包结构对电磁出钢系统中电源功率损耗的影响,提出了在线圈下侧与四周布置磁屏蔽材料的方法。采用数值模拟的方法分析了磁屏蔽对感应线圈周围磁感应强度和线圈最佳加热位置的影响,并通过实验进行了验证。确定了适用于电磁出钢技... 详细信息

为降低钢包结构对电磁出钢系统中电源功率损耗的影响,提出了在线圈下侧与四周布置磁屏蔽材料的方法。采用数值模拟的方法分析了磁屏蔽对感应线圈周围磁感应强度和线圈最佳加热位置的影响,并通过实验进行了验证。确定了适用于电磁出钢技术的最佳的磁屏蔽尺寸和结构。结果表明,采用磁屏蔽的方法能够有效降低线圈的功率损耗,并提高线圈的最佳加热区域。当使用Cu作为磁屏蔽材料时,其最佳尺寸为高度200 mm、长度和宽度290 mm及厚度1 mm,并且网状结构在不影响水口座砖寿命的同时能够达到与传统结构基本相同的磁屏蔽效果。此时线圈的最佳加热位置会上移20.2 mm,这有利于电磁出钢系统中感应线圈的安装及其使用寿命的提高。

关键词：电磁出钢系统磁屏蔽磁感应强度最佳加热位置感应加热

谐波及直流偏磁下变压器叠片式磁屏蔽杂散损耗模拟与验证

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电工技术学报 2022年第15期37卷 3733-3742页

作者：张长庚田亚坤李永建利雅婷杜振斌程志光杨庆新省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学) 天津300130 保变电气输变电技术研究院保定071056

为研究电力变压器叠片式磁屏蔽在谐波和直流偏磁条件下的杂散损耗,对TEAM P21基准族(V.2009)进行拓展改进,增加激励线圈匝数,增大导线截面积和磁屏蔽叠片的尺寸。搭建变压器杂散损耗测量平台,提出并实现了谐波及直流偏磁下杂散损耗的测... 详细信息

为研究电力变压器叠片式磁屏蔽在谐波和直流偏磁条件下的杂散损耗,对TEAM P21基准族(V.2009)进行拓展改进,增加激励线圈匝数,增大导线截面积和磁屏蔽叠片的尺寸。搭建变压器杂散损耗测量平台,提出并实现了谐波及直流偏磁下杂散损耗的测量方法。测量得到取向硅钢片在谐波和直流偏磁下的磁性能数据,完成了复杂激励条件下杂散场和损耗的多工况三维瞬态有限元计算。通过杂散场和损耗的仿真与实验结果的对比,验证了测量方法及仿真计算的有效性。结合仿真及实验结果,分析了谐波和直流偏磁下杂散损耗的分布及其影响,所得结果及结论有助于变压器磁屏蔽的优化设计和提高电磁设备的可靠性。

关键词： TEAM P21基准族磁屏蔽杂散损耗谐波激励直流偏磁

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磁屏蔽装置结构参数的组合优化方法

兵工学报 2018年第11期39卷 2211-2219页

作者：吕志峰赵欣张金生王仕成李婷火箭军工程大学精确制导与仿真实验室陕西西安710025

针对磁屏蔽装置结构参数优化问题,将解析法计算简单和数值法计算精确的优点相结合,提出一种"解析+数值"组合优化方法。确定装置的磁屏蔽性能计算是否存在解析表达式,若难以得到解析表达式,则采用人工神经网络建立其磁屏蔽性能计算模型,... 详细信息

针对磁屏蔽装置结构参数优化问题,将解析法计算简单和数值法计算精确的优点相结合,提出一种"解析+数值"组合优化方法。确定装置的磁屏蔽性能计算是否存在解析表达式,若难以得到解析表达式,则采用人工神经网络建立其磁屏蔽性能计算模型,得到其"黑箱解析式";采用智能优化算法在短时间内对解析式或"黑箱解析式"进行快速"粗"寻优,进而以此为基准,再采用数值法在一次寻优结果附近进行小步长精细扫描计算,实现"精"寻优;采用交互验证的方式确认寻优结果的可信度。对双层圆柱形和单层矩形磁屏蔽装置的结构参数进行优化,结果表明"解析+数值"这种从"粗"到"精"的组合寻优方法是正确的,该方法得到的优化结果比纯解析优化得到的结果具有更高的可信度。

关键词：磁屏蔽结构参数优化组合优化交互验证

采煤机滚筒高度测量传感器工作环境磁场仿真与屏蔽研究

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煤炭科学技术 2022年第8期50卷 204-209页

作者：李曼郑思雨刘浩东王志鹏西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能监测重点实验室陕西西安710054

为实现煤矿井下综采工作面复杂电磁环境下采煤机滚筒高度的测量,保证工况条件下传感器的可靠性,在分析滚筒式采煤机摇臂结构和工作原理的基础上,利用TLE5012B磁敏感角度传感元件设计了采煤机滚筒高度传感器。传感器通过安装于摇臂销轴... 详细信息

为实现煤矿井下综采工作面复杂电磁环境下采煤机滚筒高度的测量,保证工况条件下传感器的可靠性,在分析滚筒式采煤机摇臂结构和工作原理的基础上,利用TLE5012B磁敏感角度传感元件设计了采煤机滚筒高度传感器。传感器通过安装于摇臂销轴处的摇杆—旋转装置获取摇臂摆角,由角度计算获得采煤机滚筒高度。依据现有煤矿井下工况条件、设备分布以及传感器安装位置,分析确定滚筒高度传感器在井下工作环境中的主要磁场干扰源为采煤机的截割电机、破碎电机、牵引电机以及采煤机供电电缆和巷道铺设电缆。采用SolidWorks三维建模软件,以Eickhoff公司的SL1000型采煤机为参照,建立相关电缆、电动机、采煤机摇臂及周边部分等干扰源模型。采用COMSOL Multiphysics仿真软件,求解各干扰源模型的磁场分布,并对采煤机滚筒高度传感器工作位置的磁场环境进行了定量分析。仿真结果表明:截割电机及巷道铺设电缆处的磁感应强度较大,是影响传感器工作的主要电磁干扰源。采煤机摇臂及周边部位和传感器安装部位的磁感应强度为1~4 T,超出了TLE5012B的30~50 mT正常工作范围。为减小电磁干扰对传感器的影响,基于低频磁屏蔽原理及传感器结构,以硅钢片为屏蔽材料设计了磁屏蔽装置,该装置可有效屏蔽99%的磁场干扰,屏蔽后传感器周围磁感应强度为10~45 mT。

关键词：传感器滚筒高度电磁干扰磁屏蔽采煤机

弹体磁屏蔽效应及目标运动状态对磁探测的影响

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兵器装备工程学报 2023年第12期44卷 8-16页

作者：李明程晋伟北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081

为实现隐埋式弹药对于铁磁类目标的探测能力,对隐埋式弹药弹体的磁屏蔽特性进行仿真研究及分析。利用仿真软件对隐埋式弹体进行二维及三维建模仿真,分析了弹体材质、弹体开孔大小、弹体开孔朝向以及目标运动状态对弹体磁屏蔽特性的影响... 详细信息

为实现隐埋式弹药对于铁磁类目标的探测能力,对隐埋式弹药弹体的磁屏蔽特性进行仿真研究及分析。利用仿真软件对隐埋式弹体进行二维及三维建模仿真,分析了弹体材质、弹体开孔大小、弹体开孔朝向以及目标运动状态对弹体磁屏蔽特性的影响。结果表明:开孔朝向平行于外界磁场情况下,开孔处磁感应强度随开孔直径成对数增长;开孔朝向垂直于外界磁场时,开孔处磁感应强度最小,并随着夹角的变小逐渐增大,目标运动速度不影响其磁特征信号幅值。进行了运动目标与地磁场成不同角度下产生的磁特征信号的采集验证实验,获得了其变化曲线,为隐埋式弹体后续目标识别算法设计提供了参考。

关键词：隐埋式弹药磁屏蔽磁特征信号仿真目标朝向

基于人工神经网络在线学习方法优化磁屏蔽特性参数

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物理学报 2019年第13期68卷 77-86页

作者：彭向凯吉经纬李琳任伟项静峰刘亢亢程鹤楠张镇屈求智李唐刘亮吕德胜中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电子研究中心北京100049

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际... 详细信息

磁屏蔽在磁场敏感的装置如原子钟、原子干涉仪等精密设备中发挥重要的作用,在变化外磁场下的某个磁屏蔽内部剩余磁场,可以通过Jiles-Atherton磁滞模型和磁屏蔽系数计算得出,根据计算结果可以进行主动补偿来抵消内部磁场的改变.然而实际应用中磁滞模型中五个与磁屏蔽相关的参数以及磁场衰减的两个参数的准确值的获得是比较困难的,通常根据实测磁滞回线人工匹配调节参数会花费大量时间且很难确保最终参数是全局最优值.基于人工神经网络的机器学习方法已经成为一种对复杂模型进行参数优化的有效手段,得益于现代计算机强大的运算能力,该过程通常远远快于人工参数调节,并有更大概率找到全局最优值,获得优于手工调节的参数值.本文利用人工神经网络在线机器学习的方法,对磁滞模型的五个参数与磁屏蔽的另外两个屏蔽相关参数进行优化测定,并对模拟卫星磁场环境下磁屏蔽内剩余磁场进行预测.通过实际测量屏蔽筒内剩余磁场与预测值比对,发现通过机器学习方法得到的磁屏蔽特性参数优于手动找到的参数,且所用时间大大缩短.该结果不仅有助于更好地进行磁场补偿,用于冷原子系统参数优化调整,更重要的是验证了神经网络在多参数物理系统中的应用,可以使其他多参数共同作用的物理实验进行最优参数的快速确定.

关键词：人工神经网络磁屏蔽磁滞效应冷原子钟