CN104215919A - 用于测量磁场梯度张量的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量磁场梯度张量的装置，包括放置被测物体的支撑装置和用于测量被测物体磁场梯度张量的磁强计阵列单元，磁强计阵列单元与支撑装置平行设置并对准被测物体的某个平面，支撑装置包括用于使被测物体沿空间坐标三个方向移动调节空间位置的三轴位移台和通过悬梁水平设置在三轴位移台上的转台，转台用于使支撑其上的被测物体旋转来调节其与磁强计阵列的相对表面和相对位置，磁强计阵列包括若干磁强计，磁强计支架和支撑磁强计支架的支撑底座，磁强计支架为具有若干竖直支架条的框架。

Description

用于测量磁场梯度张量的装置及其测量方法

技术领域

本发明属于磁性测量技术领域，具体涉及一种测量物体周围磁场分布并以此计算出磁场梯度张量的磁性测量方法以及利用该方法进行磁场梯度张量测量的装置。

背景技术

磁场梯度张量具有良好的数学性质，受磁化方向影响小，其特征根和不变量能更好地反演场源参数(方位、磁矩等)并对场源进行定位、追踪。因此，磁场梯度张量的应用越来越广泛，对磁场梯度张量测量技术的研究也越来越多。

对于磁场梯度张量的测量主要有两种方式，一是直接利用磁场梯度计进行测量，二是先利用磁强计进行比较密集的磁场分布测量，然后以此计算出磁场梯度张量。

目前，磁梯度计长度尺寸较大，一般大于30cm，多用于资源勘探等大面积磁场梯度张量测量。磁强计比较小巧，所以在测量一般物体周围的磁场梯度张量时，会选择利用磁强计测量出物体周围的磁场分布，然后通过磁场分布计算出磁场梯度张量。

对于利用磁强计测量磁场，然后计算磁场梯度张量的方法，基线距离(相邻测量点之间的距离)是一个重要的参数。基线距离越小，意味着理论上的磁场梯度张量值越准确，但是同时也意味着所需磁场测量点个数的增多和测量时间的增加。

为了能够实现任意基线距离的可调，同时减小磁场测量点数，缩短测量时间，研制一种利用高精度、高分辨率的磁强计阵列扫描空间磁场并以此计算磁场梯度张量的装置是非常必要的。

发明内容

本发明目在于提供一种能够探测物体周围磁场分布，并能够以此计算出物体周围各点处磁场梯度张量的装置。

本发明利用阵列式磁强计进行物体周围空间的磁场三维扫描测量，并以此计算出磁场梯度张量，从而能够对物体周围的空间磁场进行高精度地测量。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

用于测量磁场梯度张量的装置，包括放置被测物体的支撑装置和用于测量被测物体磁场梯度张量的磁强计阵列单元，磁强计阵列单元与支撑装置平行设置并对准被测物体的某个平面，支撑装置包括用于使被测物体沿空间坐标三个方向移动调节空间位置的三轴位移台和通过悬梁水平设置在三轴位移台上的转台，转台用于使支撑其上的被测物体旋转来调节其与磁强计阵列的相对表面和相对位置，磁强计阵列包括若干磁强计，磁强计支架和支撑磁强计支架的支撑底座，磁强计支架为具有若干竖直支架条的框架，若干磁强计对应滑动设置在竖直支架条上并可根据测量位点进行固定。

其中，若干磁强计组成一个平面阵列，使被测物体在距磁强计阵列平面不同距离处的平行平面上按照测量点位置需求进行移动，在被测物体移动的同时，进行磁场数据采集，完成物体周围空间的磁场分布扫描。

其中，三轴位移台包括沿空间坐标系X轴移动的X向移动板，设置在X向移动板上的沿空间坐标系Y轴移动的Y向移动板和竖直设置在Y向移动板上可高度调节的Z向移动板，悬梁水平连接设置在竖直的Z向移动板上。

其中，悬梁与Z向移动板可一体成型或机械连接或焊接。

其中，用于测量磁场梯度张量的装置还包括电控部件，以对转台和三轴位移台的移动和旋转进行控制。

其中，电控部件与若干磁强计还分别通过电缆连接有数据采集系统以对各测量数据进行采集、存储与计算。

其中，将被测物体按照最大包络尺寸等效为一个长方体，确定长方体的六个面，也即磁场测量所需的六个平面。

一种利用上述测量装置进行磁场强度张量测量的方法，包括以下步骤：

1)预热电控部件后将被测物体置于转台上，使被测物体的一个平面对准磁强计阵列；

2)按照测量需求，设定三轴位移台的移动步长，也即计算磁场梯度张量的基线距离；

3)控制三轴位移台移动，同时控制数采进行磁场数据采集和存储，完成该面磁场分布的测量；

4)将转台旋转90°，重复第3)步，完成第二个面的测量；

5)继续将转台旋转90°两次，完成第三和第四两个面的磁场分布测量；

6)如果被测物体允许，将被测物体上底面和下底面分别对准磁强计阵列，重复第3)步，完成被测物体的六面的磁场分布测量；

7)完成测量，移走被测物体，关闭设备；

8)利用公式计算出所需磁场梯度张量，每个点处的磁场梯度张量都有九个元素g_xx、g_xy、g_xz、g_yx、g_yy、g_yz、g_zx、g_zy、g_zz，以图2为例，测量点5处的磁场梯度张量值计算公式如下：

$g_{\mathrm{xx}}=\frac{(B_{1x}-B_{3x})}{2d}---\left(1\right)$

$g_{\mathrm{xy}}=g_{\mathrm{yx}}=\frac{(B_{2x}-B_{4x})}{2d}---\left(2\right)$

$g_{\mathrm{xz}}=g_{\mathrm{zx}}=\frac{(B_{1z}-B_{3z})}{2d}---\left(3\right)$

$g_{\mathrm{yy}}=\frac{(B_{2y}-B_{4y})}{2d}---\left(4\right)$

$g_{\mathrm{yz}}=g_{\mathrm{zy}}=\frac{(B_{2z}-B_{4z})}{2d}---\left(5\right)$

g_zz＝-g_xx-g_yy   (6)

其中，B_ij是物体在第i个测量点处j方向的磁场值，i＝1,2,3，4，j＝x，y，z。

最后，通过磁场分布计算出物体周围磁场梯度张量的值。

本发明所描述的装置可以通过扫描的方式测量出物体周围三维空间的磁场分布。其中，相邻测量点距离和空间探测范围容易调节，目前相邻测量点距离一般优于0.1mm，极大提高了磁场梯度的测量精度。另外，本装置采用了阵列式磁强计组合，减小了空间磁场扫描所需时间，缩短了测量周期。同时，该方法由于磁强计位置固定，且计算磁场梯度时使用的大多是同一个磁强计的数据，这就有效避免了磁强计相对位置偏差带来的误差。

附图说明

图1-a、图1-b为本发明的用于测量磁场梯度张量的装置的结构示意图。

其中1——X向移动板；2——Z向移动板；3——Y向移动板；4——悬梁；5——转台；6——磁强计支架；7——磁强计；8——底座；

图2为实施本发明的测量方法中的磁场梯度张量计算示意图。

11——测量点1；12——测量点2；13——测量点3；14——测量点4；15——测量点5；d——测量点之间的距离。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

图1-a、图1-b为本发明的磁场探测装置的结构示意图。本发明的用于测量磁场梯度张量的装置，包括放置被测物体的支撑装置和用于测量被测物体磁场梯度张量的磁强计阵列单元，磁强计阵列单元与支撑装置平行设置并对准被测物体的某个平面，支撑装置包括用于使被测物体沿空间坐标三个方向移动调节空间位置的三轴位移台和通过悬梁水平设置在三轴位移台上的转台，三轴位移台包括沿空间坐标系X轴移动的X向移动板1，设置在X向移动板1上的沿空间坐标系Y轴移动的Y向移动板2和竖直设置在Y向移动板2上可高度调节的Z向移动板3，悬梁4水平连接设置在竖直的Z向移动板3上。转台5用于使支撑其上的被测物体旋转来调节其与磁强计阵列的相对表面和相对位置，磁强计阵列包括若干磁强计7，磁强计支架6和支撑磁强计支架6的支撑底座8，磁强计支架6为具有若干竖直支架条的框架，若干磁强计7对应滑动设置在竖直支架条上并可根据测量位点进行固定。

在一实施方式中，若干磁强计7组成一个平面阵列，使被测物体在距磁强计阵列平面不同距离处的平行平面上按照测量点位置需求进行移动，在被测物体移动的同时，进行磁场数据采集，完成物体周围空间的磁场分布扫描。

在一具体的实施方式中，悬梁4与Z向移动板3可一体成型或机械连接或焊接。

在另一实施方式中，用于测量磁场梯度张量的装置还包括电控部件，以对转台和三轴位移台的移动和旋转进行控制。电控部件与若干磁强计还分别通过电缆连接有数据采集系统以对各测量数据进行采集、存储与计算。

图1-a、图1-b中磁强计支架可放置三列磁强计，具体研制时，可根据需要确定磁强计支架列数。磁强计支架6中的磁强计7上下距离可调节。转台5通过转轴与悬梁4相连接，转台5可以水平面任意旋转。悬梁4与X向移动板1固定在一起。X向移动板1可以在Z向移动板3上直线移动，Z向移动板3可以在Y向移动板2上直线移动，通过此方式可以实现转台5在三维方向上的自由移动。

图2为实施本发明的测量方法中的磁场梯度张量计算示意图。下面对利用本发明进行磁场梯度张量进行测量的步骤进行详细说明。

1)预热电控部件后将被测物体置于转台上，使被测物体的一个平面对准磁强计阵列；

2)按照测量需求，设定三轴位移台的移动步长，也即计算磁场梯度张量的基线距离。

3)控制三轴位移台移动，同时控制数采进行磁场数据采集和存储，完成该面磁场分布的测量。

4)将转台旋转90°，重复第3)步，完成第二个面的测量。

5)继续将转台旋转90°两次，完成第三和第四两个面的磁场分布测量；

6)如果被测物体允许，将被测物体上底面和下底面分别对准磁强计阵列，重复第3)步，完成被测物体的六面的磁场分布测量；

7)完成测量，移走被测物体，关闭设备；

8)计算磁场梯度张量。以图2为例说明磁场梯度张量的计算方法，对于任意一个测量点，假设为测量点5，如果在其周围，一个平面内上下左右同等距离处存在四个测量点，分别为测量点1、测量点2、测量点3、测量点4，即可按照下列公式计算出测量点5处的磁场梯度张量(磁场梯度张量有九个元素gxx、gxy、gxz、gyx、gyy、gyz、gzx、gzy、gzz)。如果对于一个点，其周围没有如图2所示的四个测量点，就不能算出该点的磁场梯度张量，也即对于一个测量面，边缘处的测量点是计算不出磁场梯度张量的。

$g_{\mathrm{xx}}=\frac{(B_{1x}-B_{3x})}{2d}---\left(1\right)$

$g_{\mathrm{xy}}=g_{\mathrm{yx}}=\frac{(B_{2x}-B_{4x})}{2d}---\left(2\right)$

$g_{\mathrm{xz}}=g_{\mathrm{zx}}=\frac{(B_{1z}-B_{3z})}{2d}---\left(3\right)$

$g_{\mathrm{yy}}=\frac{(B_{2y}-B_{4y})}{2d}---\left(4\right)$

$g_{\mathrm{yz}}=g_{\mathrm{zy}}=\frac{(B_{2z}-B_{4z})}{2d}---\left(5\right)$

g_zz＝-g_xx-g_yy   (6)

其中，B_ij是物体在第i个测量点处j方向的磁场值，i＝1,2,3，4，j＝x，y，z。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (8)

1.用于测量磁场梯度张量的装置，包括放置被测物体的支撑装置和用于测量被测物体磁场梯度张量的磁强计阵列单元，磁强计阵列单元与支撑装置平行设置并对准被测物体的某个平面，支撑装置包括用于使被测物体沿空间坐标三个方向移动调节空间位置的三轴位移台和通过悬梁水平设置在三轴位移台上的转台，转台用于使支撑其上的被测物体旋转来调节其与磁强计阵列的相对表面和相对位置，磁强计阵列包括若干磁强计，磁强计支架和支撑磁强计支架的支撑底座，磁强计支架为具有若干竖直支架条的框架，若干磁强计对应滑动设置在竖直支架条上并可根据测量位点进行固定。

2.如权利要求1所述的装置，其中，若干磁强计组成一个平面阵列，使被测物体在距磁强计阵列平面不同距离处的平行平面上按照测量点位置需求进行移动，在被测物体移动的同时，进行磁场数据采集，完成物体周围空间的磁场分布扫描。

3.如权利要求1所述的装置，其中，三轴位移台包括沿空间坐标系X轴移动的X向移动板，设置在X向移动板上的沿空间坐标系Y轴移动的Y向移动板和竖直设置在Y向移动板上可高度调节的Z向移动板，悬梁水平连接设置在竖直的Z向移动板上。

4.如权利要求13所述的装置，其中，悬梁与Z向移动板可一体成型或机械连接或焊接。

5.如权利要求1所述的装置，其中，用于测量磁场梯度张量的装置还包括电控部件，以对转台和三轴位移台的移动和旋转进行控制。

6.如权利要求1所述的装置，其中，电控部件与若干磁强计还分别通过电缆连接有数据采集系统以对各测量数据进行采集、存储与计算。

7.如权利要求1所述的装置，其中，将被测物体按照最大包络尺寸等效为一个长方体，确定长方体的六个面，也即磁场测量所需的六个平面。

8.一种利用测量磁场梯度张量的装置进行磁场强度张量测量的方法，包括以下步骤：

1)预热电控部件后将被测物体置于转台上，使被测物体的一个平面对准磁强计阵列；

2)按照测量需求，设定三轴位移台的移动步长，也即计算磁场梯度张量的基线距离；

3)控制三轴位移台移动，同时控制数采进行磁场数据采集和存储，完成该面磁场分布的测量；

4)将转台旋转90°，重复第3)步，完成第二个面的测量；

5)继续将转台旋转90°两次，完成第三和第四两个面的磁场分布测量；

6)如果被测物体允许，将被测物体上底面和下底面分别对准磁强计阵列，重复第3)步，完成被测物体的六面的磁场分布测量；

7)完成测量，移走被测物体，关闭设备；

8)利用公式计算出所需磁场梯度张量，每个点处的磁场梯度张量都有九个元素g_xx、g_xy、g_xz、g_yx、g_yy、g_yz、g_zx、g_zy、g_zz，以图2为例，测量点5处的磁场梯度张量值计算公式如下：

$g_{\mathrm{xx}}=\frac{(B_{1x}-B_{3x})}{2d}---\left(1\right)$

$g_{\mathrm{xy}}=g_{\mathrm{yx}}=\frac{(B_{2x}-B_{4x})}{2d}---\left(2\right)$

$g_{\mathrm{xz}}=g_{\mathrm{zx}}=\frac{(B_{1z}-B_{3z})}{2d}---\left(3\right)$

$g_{\mathrm{yy}}=\frac{(B_{2y}-B_{4y})}{2d}---\left(4\right)$

$g_{\mathrm{yz}}=g_{\mathrm{zy}}=\frac{(B_{2z}-B_{4z})}{2d}---\left(5\right)$

g_zz＝-g_xx-g_yy  (6)

其中，B_ij是物体在第i个测量点处j方向的磁场值，i＝1,2,3，4，j＝x，y，z；

最后，通过磁场分布计算出物体周围磁场梯度张量的值。