CN105182254A - 静态弱磁场检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态弱磁场检测装置，属于磁场测量技术领域。所述装置包括：磁场产生单元、磁场检测单元、电流产生单元、以及处理单元，磁场产生单元包括三对导电薄板，三对导电薄板完全相同，每一对导电薄板中的两块导电薄板的形状大小完全相同，且两块导电薄板平行且相对设置，三对导电薄板互相垂直设置，且在三对导电薄板中间形成一矩形空间，每一对导电薄板均用于在电流作用下产生一个磁场。本发明通过三对相同的导电薄板构成磁场产生单元，在测量过程中，由于导电薄板不会像亥姆赫兹线圈一样存在自感效应和互感效应，使得该静态弱磁场检测装置操作简便，测量效率更高。

Description

静态弱磁场检测装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，特别涉及一种静态弱磁场检测装置。

背景技术

磁场检测技术是研究与磁场有关的物理现象的重要手段。随着科学技术的发展，磁场检测技术在科学研究、国防建设、工业生产、以及日常生活等领域都得到了广泛应用。弱磁场检测技术作为磁场检测技术中的重要分支，也受到了更多的关注。

现有的弱磁场检测常采用感应线圈磁强计实现。感应线圈磁强计的核心部件为亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈是用两个半径和匝数完全相同的线圈，两个线圈同轴排列且两个线圈的间距等于半径。

感应线圈磁强计通过调节亥姆赫兹线圈中通入的电流大小来测量弱磁场，由于亥姆赫兹线圈中的每个线圈存在自感效应且两个线圈之间存在互感效应，所以测量时会受到自感效应和互感效应的影响产生感应电势，从而影响测量精度，因此测量时需要等待感应电势消失，才能重新调节亥姆赫兹线圈中的电流大小，以获取准确的测量结果，这样测量即耗时又操作繁琐、效率低。

发明内容

为了解决现有技术中利用亥姆霍兹线圈测量静态弱磁场时操作繁琐且效率低的问题，本发明实施例提供了一种静态弱磁场检测装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种静态弱磁场检测装置，所述装置包括：

磁场产生单元，包括三对导电薄板，所述三对导电薄板完全相同，每一对所述导电薄板中的两块导电薄板的形状大小完全相同，且两块所述导电薄板平行且相对设置，所述三对导电薄板互相垂直设置，且在所述三对导电薄板中间形成一矩形空间，每一对所述导电薄板均用于在电流作用下产生一个磁场；

磁场检测单元，设置在所述矩形空间的中心，用于检测所述矩形空间的中心的磁场的磁场强度；

电流产生单元，与所述磁场产生单元电连接，用于为所述磁场产生单元提供电流；

处理单元，分别与所述磁场检测单元和所述电流产生单元电连接，用于当所述磁场检测单元检测到的磁场强度为零时，根据所述电流产生单元提供的电流，计算静态弱磁场的磁场强度。

具体地，所述导电薄板为矩形。

进一步地，所述导电薄板的长度的量级为10^-1m，所述导电薄板的宽度的量级为10^-2m。

进一步地，所述任一对所述导电薄板中两块所述导电薄板之间垂直距离的量级为10^-2m。

具体地，所述处理单元，包括：

第一处理子单元，用于根据所述电流产生单元提供的电流，计算所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B；

第二处理子单元，用于根据所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B，计算所述静态弱磁场的磁场强度B*。

进一步地，所述第一处理子单元，具体用于：

根据如下公式，计算所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B：

$Bx=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I1}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$By=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I2}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$Bz=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I3}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$B=\sqrt{{\mathrm{Bx}}^2+{\mathrm{By}}^2+{\mathrm{Bz}}^2};$

其中，Bx、By、以及Bz分别为所述三对导电薄板分别产生的磁场的磁场强度，I1、I2、以及I3分别为所述电流产生单元向所述三对导电薄板中通入的电流大小，μ₀为真空中的磁导率，m为所述导电薄板的宽度的一半，a为任一对所述导电薄板中两块所述导电薄板之间垂直距离的一半。

进一步地，所述第二处理子单元，具体用于：

根据以下公式计算所述静态弱磁场的磁场强度B*：

B*＝-B，其中，B为所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度。

具体地，所述处理单元还用于，当所述磁场检测单元检测到的磁场强度不为零时，控制所述电流产生单元输出的电流增大或减小。

具体地，所述磁场检测单元为磁场计。

进一步地，所述磁场计的精度为1nT。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过由三对相同的导电薄板构成磁场产生单元(其中，每一对导电薄板均用于在电流作用下产生一个磁场)，当磁场检测单元在在三对导电薄板中间形成的矩形空间的中心检测到磁场强度为零时，说明磁场产生单元产生了一个与待测的静态弱磁场强度相同、方向相反的磁场，此时，处理单元根据电流产生单元提供的电流可以计算出静态弱磁场的强度。在检测过程中，由于导电薄板不会像亥姆赫兹线圈一样存在自感效应和互感效应，使得每一对导电薄板在电流作用下能快速产生一个稳定的磁场，进而使得磁场检测单元检测到的稳定的磁场，这样能够达到加快静态弱磁场检测装置检测速度的目的。该静态弱磁场检测装置操作更简便，测量效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种静态弱磁场检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种处理单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种静态弱磁场检测装置的结构示意图，参见图1，该装置包括：

磁场产生单元10，包括三对导电薄板，三对导电薄板完全相同，每一对导电薄板中的两块导电薄板的形状大小完全相同，且两块导电薄板平行且相对设置，三对导电薄板互相垂直设置，且在三对导电薄板中间形成一矩形空间，每一对导电薄板均用于在电流作用下产生一个磁场。

磁场检测单元20，设置在矩形空间的中心，用于检测矩形空间的中心的磁场的磁场强度。

电流产生单元30，与磁场产生单元10电连接，用于为磁场产生单元10提供电流。

处理单元40，分别与磁场检测单元10和电流产生单元30电连接，用于当磁场检测单元30检测到的磁场强度为零时，根据电流产生单元30提供的电流，计算静态弱磁场的磁场强度。

其中，静态弱磁场通常是指环境中的地磁场或环境中其他物体产生的磁场。

本发明实施例提供的静态弱磁场检测装置可以用于原子频标的腔泡系统中，用于检测腔泡系统中的剩余磁场(静态弱磁场)的大小。

具体地，在本发明实施例中，导电薄板优选为矩形。当然导电薄板还可以是圆形或者其他图形，本发明实施例对此不做限制。

进一步地，导电薄板的长度的量级为10^-1m，导电薄板的宽度的量级为10^-2m。

进一步地，一对导电薄板中两块导电薄板之间的垂直距离的量级为10^-2m。

本发明实施例中的导电薄板采用上述尺寸制成，上述尺寸制成的导电薄板产生的磁场的磁场强度可以达到10^-18量级，精度高，从而可以保证对原子频标的谐振腔中剩余磁场的测量。

图2是本发明实施例提供的一种处理单元40的结构示意图，参见图2，处理单元40可以包括：

第一处理子单元41，用于根据电流产生单元提供的电流，计算磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B；

第二处理子单元42，用于根据磁场产生单元产生的磁场的磁场强度，计算静态弱磁场的磁场强度B*。

其中，第一处理子单元41，具体用于：

根据如下公式，计算磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B：

$Bx=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I1}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$By=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I2}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$Bz=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I3}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$B=\sqrt{{\mathrm{Bx}}^2+{\mathrm{By}}^2+{\mathrm{Bz}}^2};$

其中，Bx、By、以及Bz分别为所述三对导电薄板分别产生的磁场的磁场强度，I1、I2、以及I3分别为电流产生单元向三对导电薄板中通入的电流大小，μ₀为真空中的磁导率，m为导电薄板的宽度的一半，a为一对导电薄板中两块导电薄板之间垂直距离的一半。

其中，第二处理子单元42，具体用于：

根据以下公式计算静态弱磁场的磁场强度B*：

B*＝-B，其中，B为所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度。

在本实施例中，当检测到矩形空间的中心的磁场的磁场强度为零时，表示磁场产生单元产生的磁场与待测的静态弱磁场强度相同、方向相反，即B*＝-B。

进一步地，处理单元40还用于，当磁场检测单元检测到的磁场强度不为零时，控制电流产生单元输出的电流增大或减小，以调节磁场产生单元10产生的磁场的强度，使得磁场检测单元20检测到的磁场强度可以达到零，进而测出静态弱磁场的强度。

进一步地，磁场检测单元20可以为磁场计。

其中，磁场计的精度可以为1nT。本发明实施例对于磁场计的精度没有特别要求，因为只需要检测出磁场强度是否为零即可，采用精度稍低的磁场计可以降低成本。

本发明实施例通过由三对相同的导电薄板构成磁场产生单元(其中，每一对导电薄板均用于在电流作用下产生一个磁场)，当磁场检测单元在在三对导电薄板中间形成的矩形空间的中心检测到磁场强度为零时，说明磁场产生单元产生了一个与待测的静态弱磁场强度相同、方向相反的磁场，此时，处理单元根据电流产生单元提供的电流可以计算出静态弱磁场的强度。在检测过程中，由于导电薄板不会像亥姆赫兹线圈一样存在自感效应和互感效应，使得每一对导电薄板在电流作用下能快速产生一个稳定的磁场，进而使得磁场检测单元检测到的稳定的磁场，这样能够达到加快静态弱磁场检测装置检测速度的目的。该静态弱磁场检测装置操作更简便，测量效率更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静态弱磁场检测装置，其特征在于，所述装置包括：

磁场产生单元，包括三对导电薄板，所述三对导电薄板完全相同，每一对所述导电薄板中的两块导电薄板的形状大小完全相同，且两块所述导电薄板平行且相对设置，所述三对导电薄板互相垂直设置，且在所述三对导电薄板中间形成一矩形空间，每一对所述导电薄板均用于在电流作用下产生一个磁场；

磁场检测单元，设置在所述矩形空间的中心，用于检测所述矩形空间的中心的磁场的磁场强度；

电流产生单元，与所述磁场产生单元电连接，用于为所述磁场产生单元提供电流；

处理单元，分别与所述磁场检测单元和所述电流产生单元电连接，用于当所述磁场检测单元检测到的磁场强度为零时，根据所述电流产生单元提供的电流，计算静态弱磁场的磁场强度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电薄板为矩形。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述导电薄板的长度的量级为10^-1m，所述导电薄板的宽度的量级为10^-2m。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，一对所述导电薄板中两块所述导电薄板之间垂直距离的量级为10^-2m。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元，包括：

第一处理子单元，用于根据所述电流产生单元提供的电流，计算所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B；

第二处理子单元，用于根据所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B，计算所述静态弱磁场的磁场强度B*。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一处理子单元，具体用于：

根据如下公式，计算所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度B：

$Bz=\frac{2{\mathrm{\μ}}_{0}I3}{\mathrm{\π}}arctan\frac{m}{a};$

$B=\sqrt{{\mathrm{Bx}}^2+{\mathrm{By}}^2+{\mathrm{Bz}}^2};$

其中，Bx、By、以及Bz分别为所述三对导电薄板分别产生的磁场的磁场强度，I1、I2、以及I3分别为所述电流产生单元向所述三对导电薄板中通入的电流大小，μ₀为真空中的磁导率，m为所述导电薄板的宽度的一半，a为一对所述导电薄板中两块所述导电薄板之间垂直距离的一半。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二处理子单元，具体用于：

根据以下公式计算所述静态弱磁场的磁场强度B*：

B*＝-B，其中，B为所述磁场产生单元产生的磁场的磁场强度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元还用于，当所述磁场检测单元检测到的磁场强度不为零时，控制所述电流产生单元输出的电流增大或减小。

9.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场检测单元为磁场计。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述磁场计的精度为1nT。