CN105487027A - 三维矢量磁矩测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维矢量磁矩测量仪，其可包括：振动单元，用于操纵样品杆以及安装在所述样品杆上的样品在一方向上振动；外磁场施加单元，用于向所述样品施加外磁场；第一至第三感应线圈组，设置在所述样品周围以用于测量所述样品的矢量磁矩的三维分量；以及信号处理单元，接收来自所述第一至第三感应线圈组的测量信号，并且从所述测量信号计算得到所述样品的三维矢量磁矩。通过第一、第二和第三感应线圈组中的一个或多个的探测线圈测量信号的并行串联组合，该测量仪还可实现同步测量样品内包含的磁荷数目及正负的测量功能。

Description

三维矢量磁矩测量仪

技术领域

本发明总体上涉及磁矩测量领域，更特别地，涉及一种能直接测量三维磁矩矢量的磁矩测量仪。

背景技术

目前，现有的磁矩测量系统主要包括振动样品磁强计(VSM)、超导量子干涉仪(SQUID)、物性测量系统(PPMS)等，它们具有测量精度高(可达到10^-7emu)、测量速度快、变温范围大等优点，因而被广泛应用于大学和科研院所的基础研究中。但是，这些现有的磁矩测量系统一般只能测量样品沿外加磁场方向的磁矩分量，而不能测量三维空间中的磁矩矢量。

图1示出一种典型的振动样品磁强计(VSM)的结构图。如图1所示，振动样品磁强计100包括振动机构110，其在驱动信号的操作下可以使连接到其的样品杆112沿Z轴方向往复振动，样品114安装在样品杆112的远端，并且处于沿X方向施加的磁场H中。感应线圈组120设置在样品114附近。图1示出常用的X方向4线圈设计。具体而言，感应线圈组120可以包括第一至第四线圈122、124、126和128，每个线圈的中心轴线平行于X方向，连接这四个线圈每个的中心点所形成的矩形位于XZ平面内，并且该矩形的对角线的交点位于样品114处。这种线圈布局一般称为4-X线圈。样品114在外加磁场H中产生磁矩M，因此当样品114沿Z方向往复运动时，感应线圈组120中的磁通量发生变化，产生感应电动势，其作为电信号被提供给信号处理单元130。信号处理单元130对该信号进行各种处理，例如锁相放大等，最后输出测量得到的样品114的磁矩M。

应注意的是，在上述测量过程中，假设了样品114的磁矩M是沿X方向的。而实际上，由于例如磁晶各向异性，样品114的磁矩M可能不是沿X方向的，例如其具有X轴分量M_x和Y轴分量M_y。在该情况下，磁矩M_y也可能导致线圈120产生感应信号，形成串扰，并且影响最终测量的X方向磁矩M_x。另一方面，如前所述，振动样品磁强计100只能测量沿X方向的磁场分量。

随着凝聚态物理学的发展，在基础研究中对物质磁性随复杂环境参数(温度、磁场、电场、光场、应变、纳米制备与加工等)的变化关系越来越关注，这对磁矩测量的空间分辨能力提出越来越高的要求，因而物质磁性的研究不仅需要更高的测量精度，还要求对磁矩矢量具有三维空间分辨的能力。例如，对于多场耦合效应研究、内秉磁各向异性研究、旋转磁热效应研究等，都需要获得材料的三维磁矢量信息。常规的磁矩测量仪已经无法满足未来发展的需要。

因此，需要一种新型的磁矩测量仪，其能够测量样品的三维矢量磁矩。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种三维矢量磁矩测量仪，其能够同时测量样品磁矩的三维分量，从而得到样品磁矩矢量。

本发明的另一方面还在于提供一种三维矢量磁矩测量仪，其不仅能够同时测量样品磁矩的三维分量以得到样品的磁矩矢量，还能测量样品所包含的磁荷信息。

根据本发明一示范性实施例，一种三维矢量磁矩测量仪包括：振动单元，用于操纵样品杆以及安装在所述样品杆上的样品在一方向上振动；外磁场施加单元，用于向所述样品施加外磁场；第一至第三感应线圈组，设置在所述样品周围以用于测量所述样品的矢量磁矩的三维分量；以及信号处理单元，接收来自所述第一至第三感应线圈组的测量信号，并且从所述测量信号计算得到所述样品的三维矢量磁矩。

在一些示例中，所述样品在Z轴方向上振动。所述第一感应线圈组包括第一、第二、第三和第四线圈，所述第二感应线圈组包括第五、第六、第七和第八线圈，所述第三感应线圈组包括第九、第十、第十一和第十二线圈。所述第一至第八线圈每个的中心轴线设置在X轴方向上，并且这八个线圈每个的中心位于一假想长方体的八个顶点处，第一至第四线圈的中心位于所述假想立方体的对角的四个顶点上，第五至第八线圈的中心位于所述假想立方体的剩余的对角的四个顶点上，并且第一至第四线圈的中心所位于的平面与第五至第八线圈的中心所位于的平面之间的相交线平行于所述Z轴方向，所述第九至第十二线圈沿所述Z轴方向同轴设置。

在一些示例中，所述第一感应线圈组的第一至第四线圈中的、位于上方的两个线圈被正接，位于下方的两个线圈被反接，所述第二感应线圈组的第五至第八线圈中的、位于上方的两个线圈被正接，位于下方的两个线圈被反接，所述第三感应线圈组的第九至第十二线圈中的、位于两端的两个线圈被正接，位于中间的两个线圈被反接。

在一些示例中，所述第一感应线圈组的第一至第四线圈被串联连接，然后连接到所述信号处理单元的第一输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第一方向的分量。所述第二感应线圈组的第五至第八线圈被串联连接，然后连接到所述信号处理单元的第二输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第二方向的分量。所述第三感应线圈组的第九至第十二线圈被串联连接，然后连接到所述信号处理单元的第三输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第三方向的分量。

在一些示例中，所述第一感应线圈组的第一至第四线圈分别连接到第一至第四阻抗匹配电路以调谐至相同的阻抗，然后连接到第一加法器，所述第一加法器输出来自所述第一至第四线圈的测量信号之和，将其作为所述第一感应线圈组的测量信号提供给所述信号处理单元的第一输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第一方向的分量。所述第二感应线圈组的第五至第八线圈分别连接到第五至第八阻抗匹配电路以调谐至相同的阻抗，然后连接到第二加法器，所述第二加法器输出来自所述第五至第八线圈的测量信号之和，将其作为所述第二感应线圈组的测量信号提供给所述信号处理单元的第二输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第二方向的分量。所述第三感应线圈组的第九至第十二线圈分别连接到第九至第十二阻抗匹配电路以调谐至相同的阻抗，然后连接到第三加法器，所述第三加法器输出来自所述第九至第十二线圈的测量信号之和，将其作为所述第三感应线圈组的测量信号提供给所述信号处理单元的第三输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第三方向的分量。

在一些示例中，所述第一、第二和第三感应线圈组中的一个或多个线圈的经过阻抗匹配后的信号被接连到差分电路，所述差分电路输出所述一个或多个线圈中的正接线圈的信号之和与反接线圈的信号之和之间的差值，其作为磁荷测量信号被提供给所述信号处理单元的第四输入端子，以测量所述样品内包含的磁荷。

在一些示例中，所述信号处理单元包括：第一输入端子，用于接收来自所述第一感应线圈组的第一测量信号；第二输入端子，用于接收来自所述第二感应线圈组的第二测量信号；第三输入端子，用于接收来自所述第三感应线圈组的第三测量信号；第四输入端子，用于接收来自所述第一、第二和第三感应线圈组中的一个或多个线圈的磁荷测量信号；以及多通道数字锁相和信号处理模块，用于对来自所述第一至第四输入端子的信号进行多通道同步锁相和放大，并且进行计算以确定所述样品的磁矩矢量的三维分量与标量磁荷值。

在一些示例中，所述信号处理单元还包括：第一放大路径，设置在所述第一输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述第一测量信号进行放大和滤波；第二放大路径，设置在所述第二输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述第二测量信号进行放大和滤波；第三放大路径，设置在所述第三输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述第三测量信号进行放大和滤波；以及第四放大路径，设置在所述第四输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述磁荷测量信号进行放大和滤波。

在一些示例中，所述第一放大路径包括连接到所述第一输入端子的第一前置放大器、连接到所述第一前置放大器的第一带通滤波器、以及连接到所述第一带通滤波器的第一后端放大器。所述第二放大路径包括连接到所述第二输入端子的第二前置放大器、连接到所述第二前置放大器的第二带通滤波器、以及连接到所述第二带通滤波器的第二后端放大器。所述第三放大路径包括连接到所述第三输入端子的第三前置放大器、连接到所述第三前置放大器的第三带通滤波器、以及连接到所述第三带通滤波器的第三后端放大器。所述第四放大路径包括连接到所述第四输入端子的第四前置放大器、连接到所述第四前置放大器的第四带通滤波器、以及连接到所述第四带通滤波器的第四后端放大器。

在一些示例中，所述信号处理单元还包括第五输入端子，用于接收来自所述振动单元的样品振动信号，并且将该样品振动信号提供给所述多通道数字锁相和信号处理模块。所述多通道数字锁相和信号处理模块是五通道数字锁相和信号处理模块，其对所述第一测量信号、所述第二测量信号、所述第三测量信号、所述磁荷测量信号以及所述样品振动信号进行五通道同步锁相和放大，并且进行计算以确定所述样品的磁矩矢量的三维分量与标量磁荷。

根据磁矩矢量的三维分量，可以获得矢量磁矩模值、俯仰角及方位角信息，直观反映矢量磁矩在三维空间的旋转与伸缩行为，这是本领域所公知的。

在一些示例中，所述三维矢量磁矩测量仪还包括：温度控制单元，其控制一密闭空间内的温度，其中所述样品以及所述第一至第三感应线圈组均设置在所述密闭空间内；以及磁场控制单元，其用于控制通过磁场施加装置向所述样品施加的磁场。

附图说明

图1示出现有技术的振动样品磁强计的结构图。

图2示出根据本发明一示范性实施例的三维矢量磁矩测量仪的结构图。

图3示出根据本发明一示范性实施例的线圈布局的俯视图。

图4示出多种不同线圈布局的X方向鞍区计算结果的曲线图。

图5示出两种线圈布局对Z方向上的磁矩分量Mz的灵敏度与在X、Y和Z方向上的位移之间的关系。

图6示出4-Z线圈布局与灵敏度之间的关系曲线。

图7示出8-X线圈布局与灵敏度之间的关系曲线。

图8示出根据本发明一示范性实施例的信号处理单元的电路结构框图。

图9示出根据本发明一实施例的单个感应线圈组中的各个线圈的连接方式。

图10示出根据本发明一示范性实施例的三维矢量磁矩测量仪的结构图。

图11示出根据本发明一示范性实施例的用于测量磁荷的电路的示意图。

图12示出根据本发明一示范性实施例的能同时处理三维矢量磁矩测量信号和磁荷信号的信号处理单元的电路结构框图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的示范性实施方式。

图2示出根据本发明一示范性实施例的三维矢量磁矩测量仪的结构图。如图2所示，三维矢量磁矩测量仪200包括振动单元210，其在驱动信号的操作下可以使连接到其的样品杆212沿Z轴方向往复振动。样品214安装在样品杆212的远端，并且处于沿X方向施加的磁场H中。在样品杆212的操纵下，样品214沿Z轴方向做简谐振动，该简谐振动可由下面的运动方程1表示：

Z＝Z₀sin(ωt)(1)

其中Z表示在时间t处样品214相对于原始位置的位移，Z₀表示样品214的最大位移，ω表示样品214做简谐振动的等效角速度。虽然未示出，但是样品214可处于例如沿X轴方向的外加磁场H中。磁场H可以由专门的外磁场施加装置例如电磁铁(未示出)来施加。例如，三维矢量磁矩测量仪200可包括磁场控制单元来控制通过电磁铁向样品214施加的磁场的大小。

三个感应线圈组设置在样品214附近，分别用于测量样品214的磁矩的三个维度上的分量，从而可以最终确定样品214的磁矩矢量。如图2所示，这三个感应线圈组包括第一感应线圈组220、第二感应线圈组230和第三感应线圈组240。第一感应线圈组220包括第一至第四线圈222、224、226和228，第二感应线圈组230包括第五至第八线圈232、234、236和238，第三感应线圈组240包括第九至第十二线圈242、244、246和248。其中，第一至第八线圈222至238的中心分别位于一假想立方体的八个顶点处，样品214大致位于该假想立方体的中心处，并且这八个线圈每个的中心轴线设置为沿X方向。第一感应线圈组220的四个线圈位于该立方体的对角的四个顶点上，第二感应线圈组230的四个线圈位于剩余的对角的四个顶点上，并且第一感应线圈组220的四个线圈所位于的平面与第二感应线圈组230的四个线圈所位于的平面之间的相交线平行于Z轴方向。优选地，第一至第八线圈222至238基本彼此相同。为了说明的方便，下面将第一至第八线圈222至238的这种布局称为8-X线圈。第九至第十二线圈242至248沿Z轴方向设置，并且优选地，第九至第十二线圈242至248基本彼此相同。为了说明的方便，下面将第九至第十二线圈242至248的这种布局称为4-Z线圈。

图3示出上述线圈布局的俯视图。在图3所示的俯视图中，连接彼此对角的第一线圈222和第四线圈228的中心的直线(沿X'轴方向)与连接彼此对角的第五线圈232和第八线圈238的中心的直线(沿Y'轴方向，并且与X'轴方向垂直)的交点，位于第九线圈242的中心轴上。应理解，样品杆212和位于样品杆212的远端处的样品214也位于第九线圈242的中心轴上。

返回继续参照图2，每个线圈内的“+”和“-”号表示各个线圈的接线方式，其中“+”号表示该线圈被正接，“-”号表示该线圈被反接。如图2所示，第一感应线圈组220的第一线圈222和第四线圈228被正接，第二线圈224和第三线圈226被反接；第二感应线圈组230的第五线圈232和第八线圈238被正接，第六线圈234和第七线圈236被反接；第三感应线圈组240的第九线圈242和第十二线圈248被正接，第十线圈244和第十一线圈246被反接。每个感应线圈组的这种连接方式也称为二阶梯度测量线圈，其已经应用于现有的振动样品磁强计(VSM)和超导量子干涉仪(SQUID)等系统中，并且其原理描述于陆俊的北京科技大学博士学位论文“宽频电动力学测量技术在铁酸铋晶体上的应用”(2009年12月10日)中的附图4-9以及相关的描述中。

在图2所示的实施例中，第一感应线圈组220、第二感应线圈组230和第三感应线圈组240每个中的四个线圈均彼此串联连接，然后连接到信号处理单元250。每个线圈组中的四个线圈也可以按其他方式连接到信号处理单元250，这将在下面进一步描述。此外，信号处理单元250还接收来自振动单元210的样品位移信号。例如，振动单元210可包括有位移传感器(未示出)，其感测样品杆212(或者其上的样品214)的位移信息，并且将所感测的位移信息提供给信号处理单元250。虽然未示出，但是三维矢量磁矩测量仪200还可以包括特斯拉计(未示出)，其感测沿预定方向的外加磁场H的大小并且将该信息提供给信号处理单元250。信号处理单元250利用上述信息计算样品214的三维磁矢量并将其通过输出设备输出。

当样品214在Z方向上振动时，为了避免样品在X和Y方向上的位移对测量结果的影响，线圈布局应保证在X和Y方向上有足够大的鞍区。图4示出多种不同线圈布局的X方向鞍区计算结果的曲线图，这些线圈布局包括4-Z线圈、2-Z线圈、8-Y线圈、8-X线圈和4-X线圈。根据前面的描述，这些线圈布局的具体线圈设置都是清楚的。图4的横坐标为样品在X方向上偏离最佳位置(中心位置)的位移，纵坐标表示对X方向上的磁矩分量Mx的灵敏度。如图4所示，对于沿Z方向设置的线圈，例如4-Z线圈和2-Z线圈，其对磁矩分量Mx的灵敏度一直为零。4-X线圈布局虽然对磁矩分量Mx具有最高的灵敏度，但是其随X方向的位移而产生剧烈的灵敏度变化。8-Y线圈布局在中心位置能提供一定的灵敏度，并且其随X方向的位移而产生的灵敏度变化也较为平缓。8-X线圈布局在从大约-4到+4mm的X方向位移范围内，都对磁矩分量Mx表现出较高的灵敏度，并且该灵敏度能基本保持不变，展现出了良好的鞍区特性。因此，本发明中采用了8-X线圈布局来探测X、Y轴方向上的磁矩分量。

对于Z轴方向上的磁矩分量Mz的测量，在振动方向仍然设计在Z轴方向上的前提下，虽然理论上8-X线圈布局可以完成磁矩分量Mz的测量，但是存在灵敏度较小、鞍区较窄的问题。图5示出对于4-Z和8-X两种线圈布局，对Z方向上的磁矩分量Mz的灵敏度随着在X、Y和Z方向上的位移的变化。如图5所示，4-Z线圈对于X、Y和Z方向上的位移dx、dy和dz都表现出良好的Mz灵敏度和鞍区。另一方面，使用8-X线圈布局测量Z轴方向上的磁矩分量时需要使用与X、Y方向磁矩分量探测不完全对称的接线方式，这将明显增加电路以及后端信号处理的复杂度，而且容易对X、Y方向磁矩分量探测线圈造成干扰。因此，本发明采用单独的4-Z线圈(第三感应线圈组240)来探测Z方向上的磁矩分量Mz。

如上所述，通过采用8-X线圈和4-Z线圈的组合来探测X、Y和Z三个方向上的磁矩分量Mx、My和Mz，可以提供良好的灵敏度以及对样品位置偏移的容忍度，因此能够获得更准确的探测结果。

此外，发明人还对上述线圈结构进行了优化，以确定其最佳距离参数。图6示出4-Z线圈的信号灵敏度S(任意单位)随线圈距离参数的变化曲线，其中横坐标是2Z_out/R_coil，其中Z_out是两个外部线圈，即第九线圈242和第十二线圈248的Z轴坐标，确切地说，一个线圈的Z轴坐标为Z_out，另一个的为-Z_out，第九线圈242和第十二线圈248之间的距离为2Z_out。图6所示的三条曲线分别对应于2Z_in＝0，2Z_in＝R_coil和2Z_in＝2R_coil，其中Z_in是两个内部线圈，即第十线圈244和第十一线圈246的Z轴坐标，确切地说，一个线圈的Z轴坐标为Z_in，另一个的为-Z_in，两个内部线圈之间的距离为2Z_in。坐标系如图2所示，其中坐标原点设置在8-X线圈布局的中心点处。

从图6可以看出，当第十线圈244和第十一线圈246之间的距离2Z_in为零，且第九线圈242和第十二线圈248之间的距离2Z_out等于线圈半径R_coil时，信号灵敏度S最大。应理解，这给出的是理想的计算值的情况。实际上，第十线圈244和第十一线圈246之间的距离2Z_in难以设置为零，因此只需要将二者设置得尽可能接近即可。

图7示出8-X线圈的信号灵敏度S(任意单位)随线圈在X和Z轴上的位置的变化曲线，其中Z_c是线圈的Z轴坐标，X_c是线圈的X轴坐标，R_c为线圈半径。坐标系如图2所示，其中坐标原点设置在8-X线圈布局的中心点处。从图7可以看出，当Z_c为大约0.3R_c，而X_c大约为零时，信号灵敏度S最大。也就是说，对于8-X线圈布局而言，线圈的Z向距离2Z_c大约等于0.6R_c，线圈的X向距离2X_c大约为零时，灵敏度最高。同样，这给出的是理想的计算值的情况。实际上，线圈之间的X轴向距离不可能设置为零，因为还需要留出设置4-Z线圈和样品杆的空间。因此，只需要将线圈在X轴方向上设置得尽可能紧凑即可。

在使用多个线圈组来同时探测多个磁矩分量时，要解决的另一个技术问题在于各个磁矩分量之间的串扰问题。例如，Y轴方向上的磁矩分量My也可能引起用于探测X轴方向上的磁矩分量Mx的线圈中的磁通变化，从而感应出电动势，形成串扰信号。在本发明中，利用8-X线圈布局，通过感应信号的对称与反对称检测技术，实现了磁矩三分量的无串扰测量。例如，参照图2和图3，第一至第四线圈222至228上的感应信号S₁至S₄可以用下面的公式2表示。

S₁＝M₁*sinθ+M_2,3*sin(θ+0)

S₃＝M₁*sinθ+M_2,3*sin(θ+180)公式(2)

其中，θ是样品214做简谐振动的运动角度，等于ωt，是测量信号与样品移动之间的相位差，M₁是沿X'轴(图3)的磁矩分量，M₂是沿Y'轴的磁矩分量，M₃是沿Z轴的磁矩分量。根据上述公式2可知，第一感应线圈组220的信号输出，其为第一至第四线圈222至228上的感应信号S₁至S₄的和(S₁+S₂+S₃+S₄)只对M₁敏感，而对M₂和M₃不敏感。因此，能避免磁矩分量M₂和M₃对磁矩分量M₁的探测的串扰。在利用第一至第三感应线圈组220、230和240分别确定磁矩分量M₁、M₂和M₃之后，通过坐标变换，即可确定Mx、My和Mz，而该探测过程基本上消除了不同磁矩分量之间的串扰，因此能提供高精度的磁矩矢量探测。

在使用多个线圈组来同时探测多个磁矩分量时，还要解决的一个技术问题在于各个磁矩分量之间的同步探测，这可以通过利用本发明的信号处理单元来实现。图8示出根据本发明一示范性实施例的信号处理单元300的框图，其可用作图2所示的信号处理单元250。

如图8所示，信号处理单元300可包括第一输入端子302、第二输入端子304和第三输入端子306。第一输入端子302可接收例如来自第一感应线圈组220的信号输入，下面称为第一测量信号；第二输入端子304可接收例如来自第二感应线圈组230的信号输入，下面称为第二测量信号；第三输入端子306可接收例如来自第三感应线圈组240的信号输入，下面称为第三测量信号。由第一输入端子302接收的第一信号可以被提供到第一放大路径310。具体而言，第一放大路径310可包括依次连接的第一前置放大器312、第一带通滤波器314和第一后端放大器316。由第二输入端子304接收的第二信号可以被提供到第二放大路径320。具体而言，第二放大路径320可包括依次连接的第二前置放大器322、第二带通滤波器324和第二后端放大器326。由第三输入端子306接收的第三信号可以被提供到第三放大路径330。具体而言，第三放大路径330可包括依次连接的第三前置放大器332、第三带通滤波器334和第三后端放大器336。通过第一至第三放大路径310至330的处理，能够提高第一至第三测量信号的信号强度，并且改善其信噪比，从而能够使系统的灵敏度得到进一步增强。然后，第一至第三放大路径310至330分别将放大后的第一至第三测量信号提供给多通道数字锁相和信号处理模块340。

信号处理单元300还可以包括第四输入端子308，其接收来自例如振动单元210的样品移动信号，其例如包括样品214的振动频率和幅度等。样品移动信号可来自于例如对样品杆212或样品214的实时同步监测。第四输入端子308接收的样品移动信号可例如直接提供给多通道数字锁相和信号处理模块340，或者也可以通过与上述第一至第三放大路径310至330类似的放大路径来进行放大，然后再提供给多通道数字锁相和信号处理模块340。

在图8所示的实施例中，多通道数字锁相和信号处理模块340可以是例如四通道数字锁相和信号处理模块，其对前述第一至第三测量信号以及样品移动信号进行同步锁相放大，并且执行必要的运算操作，最后输出矢量磁矩M，其包括矢量磁矩M的三维分量Mx、My和Mz。由于多通道锁相和放大电路以及根据各个测量信号计算磁矩分量的运算都是本领域已知的，因此这里不再对多通道数字锁相和信号处理模块340的具体电路结构进行赘述。

在本发明中，通过利用多通道数字锁相和信号处理模块340对各个测量信号进行同步数字锁相和信号处理，实现了对矢量磁矩的三个分量的独立、同步测量，从而有效地保证了测量的准确度。

在上面描述的实施例中，每个感应线圈组的四个线圈可以彼此串联连接，然后连接到例如信号处理单元250或300。在实际应用中，虽然每个线圈组的四个线圈基本相同，但是由于其绕线的粗细波动，绕线位置和紧密程度的微小差异等，使得每个线圈对磁通变化的响应程度可能有细小的不同，这种不同最终可能会影响测量的准确度。为了进一步改善测量的准确度，图9示出了根据本发明另一实施例的、单个感应线圈组的多个线圈的另一种连接方式。这里，以第一感应线圈组220为例，其第一至第四线圈222、224、226和228分别连接到第一至第四阻抗匹配电路402、404、406和408。第一至第四阻抗匹配电路402、404、406和408可以分别对第一至第四线圈222、224、226和228进行调谐，使其具有相同的阻抗。然后，来自第一至第四线圈222、224、226和228的信号被馈送到加法器410，在该处各个信号被叠加，然后可以将叠加信号提供给例如信号处理单元300的第一放大路径310。虽然未示出，但是第二感应线圈组230的第五至第八线圈232、234、236和238以及第三感应线圈组240的第九至第十二线圈242、244、246和248可以以相同的方式连接，并且连接到信号处理单元300的第二放大路径320和第三放大路径330。在该实施例中，通过对第一至第十二线圈222至248分别进行阻抗调谐，可以进一步提高测量的准确度。

在另一些实施例中，可以理解，也可以省略图9所示的第一至第四阻抗匹配电路402、404、406和408，而使线圈(例如图9所示的第一至第四线圈222、224、226和228)直接连接到加法器410。

图10示出根据本发明另一示范性实施例的三维矢量磁矩测量仪400的结构图。在图10所示的三维矢量磁矩测量仪400中，与图2所示的三维矢量磁矩测量仪200相同的部分用相同的附图标记表示，这里将省略对其的重复描述，而将只描述不同的部分。

如图10所示，与图2所示的三维矢量磁矩测量仪200相比，三维矢量磁矩测量仪400还包括温度控制机构420，其可以控制密闭空间422中的温度。温度控制机构420可以是常用的基于液氦的温度控制系统，也可以是近几年提出并且逐步使用的无氦系统，例如磁冷温度控制系统。样品214以及第一至第三感应线圈组220、230、240可以均设置在密闭空间422内，从而可以实现变温测量。此外，虽然未示出，但是用于施加磁场的电磁铁线圈也可以设置在密闭空间422中，并且该电磁铁线圈可以是超导线圈，从而能够提供非常高的外磁场。

上面描述了用于测量三维矢量磁矩的磁矩测量仪的实施例。可以理解，还可以将上述实施例稍微变动，用来测量磁荷。下面将参照附图来描述三维矢量磁矩测量仪的用于测量磁荷的部分。不同于三维矢量磁矩，磁荷是一个标量值，但是其具有正负属性，理论上只需要一个线圈即可测量样品的磁荷。图11示出了根据本发明一示范性实施例的用于测量磁荷的电路500的示意图。应注意，虽然图11示出了将第一至第三感应线圈组中的所有线圈均用于测量磁荷，但是本发明不限于此。在一些实施例中，可以将第一至第三感应线圈组中的一个或多个感应线圈组的线圈用于测量磁荷。在另一些实施例中，还可以将一个或多个线圈组中的部分线圈用于测量磁荷。换言之，本发明可以将前述第一至第十二线圈中的任意一个或多个线圈用于测量磁荷。

如图11所示，来自第一至第十二线圈222至248的信号在经过相应的阻抗匹配电路402之后，可例如经由分路(从图9所示的至加法器的路径分出)连接到差分电路510。差分电路510可输出正接线圈的信号之和(a)与反接线圈的信号之和(b)之间的差值(a-b)，其作为磁荷测量信号被提供给下面将参照图12描述的信号处理单元，以测量样品(例如样品214)内包含的磁荷。具体而言，差分电路510可包括第一加法器512和第二加法器514。正接线圈可连接到第一加法器512，从而第一加法器512可输出正接线圈的信号之和。类似地，反接线圈可连接到第二加法器514，从而第二加法器514可输出反接线圈的信号之和。差分电路510还包括减法器516，其输出来自第一加法器512的输出信号与来自第二加法器514的输出信号之间的差。可以理解，这相当于将所有线圈的正连接并且使每个线圈的信号相叠加。然后，差分电路510的输出可作为磁荷测量信号被提供至信号处理单元600的输入端子602(图12)，以供计算得到样品214中包含的磁荷的信息。

图12示出根据本发明一示范性实施例的能同时处理三维矢量磁矩测量信号和磁荷信号的信号处理单元600的电路结构框图。在图12所示的信号处理单元600中，与图8所示的信号处理单元300相同的部件用相同的附图标记表示，这里将省略对其的重复描述。

如图12所示，信号处理单元600还包括第五输入端子602，其可接收来自上面参照图11描述的差分电路510的、由第一、第二和第三感应线圈组中的一个或多个线圈提供的磁荷测量信号。第五输入端子602将该磁荷测量信号提供给第四放大路径610。具体而言，第四放大路径610可以与前述第一至第三放大路径相似，包括依次连接的第一前置放大器612、第一带通滤波器614和第一后端放大器616。然后，经放大的磁荷测量信号可被提供给多通道数字锁相和信号处理模块640。多通道数字锁相和信号处理模块640可以是例如五通道数字锁相和信号处理模块，其对前述第一至第三测量信号、样品移动信号以及磁荷测量信号进行同步锁相放大，并且执行必要的运算操作，最后输出矢量磁矩M，其包括矢量磁矩M的三维分量Mx、My和Mz，以及标量磁荷。由于多通道锁相和放大电路以及根据各个测量信号计算磁矩分量的运算都是本领域已知的，因此这里不再对多通道数字锁相和信号处理模块640的具体电路结构进行赘述。

应理解的是，虽然在上面描述的实施例中，描述了线圈被正接或反接，但是本发明不限于此，而是可以进行许多等效手段的替换。例如，所有线圈可以都被正接，而通过后面的处理电路来实现线圈信号的“正接”和“反接”效果。例如，想要实现某个线圈的正接效果，则可对该线圈的信号进行和(加法)操作；相反，如果要实现反接效果，则可以对线圈信号进行差(减法)操作。本发明的范围旨在涵盖这些等效的变化。

上面已经描述了本发明的若干示范性实施例，将理解，本领域技术人员容易做出各种修改、变化和改善。这些修改、变化和改善旨在是本公开的一部分，并且旨在落入本发明的范围内。将理解，本文所论及的设备的实施例不局限于应用到说明书中阐述的或附图所示的部件构造和布置的细节。本文提供的特定实施方式的例子仅用于示例，无意成为限制。同样地，本文所用的措辞和术语是用于说明，不应视为限制。本文用到的“含有”、“包括”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变型意味着涵盖其后所列项目和其等价物，以及附加项目。对“或”的提及可以解释为包括性的，以便使用“或”描述的任何术语可以指示所描述的项目中的单个、超过一个、以及全部中的任何一种。因此，前述描述和附图仅为示例的方式，本发明的范围应当根据对所附权利要求及其等同物的适当解释来确定。

Claims (12)

1.一种三维矢量磁矩测量仪，包括：

振动单元，用于操纵样品杆以及安装在所述样品杆上的样品在一方向上振动；

外磁场施加单元，用于向所述样品施加外磁场；

第一至第三感应线圈组，设置在所述样品周围以用于测量所述样品的矢量磁矩的三维分量；以及

信号处理单元，接收来自所述第一至第三感应线圈组的测量信号，并且从所述测量信号计算得到所述样品的三维矢量磁矩。

2.如权利要求1所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述样品在Z轴方向上振动，

其中，所述第一感应线圈组包括第一、第二、第三和第四线圈，所述第二感应线圈组包括第五、第六、第七和第八线圈，所述第三感应线圈组包括第九、第十、第十一和第十二线圈，

其中，所述第一至第八线圈每个的中心轴线设置在X轴方向上，并且这八个线圈每个的中心位于一假想长方体的八个顶点处，第一至第四线圈的中心位于所述假想立方体的对角的四个顶点上，第五至第八线圈的中心位于所述假想立方体的剩余的对角的四个顶点上，并且第一至第四线圈的中心所位于的平面与第五至第八线圈的中心所位于的平面之间的相交线平行于所述Z轴方向，所述第九至第十二线圈沿所述Z轴方向同轴设置。

3.如权利要求2所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述第一感应线圈组的第一至第四线圈中的、位于上方的两个线圈被正接，位于下方的两个线圈被反接，

其中，所述第二感应线圈组的第五至第八线圈中的、位于上方的两个线圈被正接，位于下方的两个线圈被反接，且

其中，所述第三感应线圈组的第九至第十二线圈中的、位于两端的两个线圈被正接，位于中间的两个线圈被反接。

4.如权利要求3所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述第一感应线圈组的第一至第四线圈被串联连接，然后连接到所述信号处理单元的第一输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第一方向的分量，

其中，所述第二感应线圈组的第五至第八线圈被串联连接，然后连接到所述信号处理单元的第二输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第二方向的分量，且

其中，所述第三感应线圈组的第九至第十二线圈被串联连接，然后连接到所述信号处理单元的第三输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第三方向的分量。

5.如权利要求3所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述第一感应线圈组的第一至第四线圈分别连接到第一至第四阻抗匹配电路以调谐至相同的阻抗，然后连接到第一加法器，所述第一加法器输出来自所述第一至第四线圈的测量信号之和，将其作为所述第一感应线圈组的测量信号提供给所述信号处理单元的第一输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第一方向的分量，

其中，所述第二感应线圈组的第五至第八线圈分别连接到第五至第八阻抗匹配电路以调谐至相同的阻抗，然后连接到第二加法器，所述第二加法器输出来自所述第五至第八线圈的测量信号之和，将其作为所述第二感应线圈组的测量信号提供给所述信号处理单元的第二输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第二方向的分量，且

其中，所述第三感应线圈组的第九至第十二线圈分别连接到第九至第十二阻抗匹配电路以调谐至相同的阻抗，然后连接到第三加法器，所述第三加法器输出来自所述第九至第十二线圈的测量信号之和，将其作为所述第三感应线圈组的测量信号提供给所述信号处理单元的第三输入端子，以测量所述样品的三维矢量磁矩的沿第三方向的分量。

6.如权利要求5所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述第一、第二和第三感应线圈组中的一个或多个线圈的经过阻抗匹配后的信号被接连到差分电路，所述差分电路输出所述一个或多个线圈中的正接线圈的信号之和与反接线圈的信号之和之间的差值，其作为磁荷测量信号被提供给所述信号处理单元的第四输入端子，以测量所述样品内包含的磁荷。

7.如权利要求1所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述信号处理单元包括：

第一输入端子，用于接收来自所述第一感应线圈组的第一测量信号；

第二输入端子，用于接收来自所述第二感应线圈组的第二测量信号；

第三输入端子，用于接收来自所述第三感应线圈组的第三测量信号；以及

多通道数字锁相和信号处理模块，用于对来自所述第一至第三输入端子的第一至第三测量信号进行多通道同步锁相和放大，并且进行计算以确定所述样品的磁矩矢量的三维分量。

8.如权利要求7所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述信号处理单元还包括第四输入端子，其用于接收来自所述第一、第二和第三感应线圈组中的一个或多个线圈的磁荷测量信号，且

其中，所述多通道数字锁相和信号处理模块对来自所述第一至第四输入端子的信号进行多通道同步锁相和放大，并且进行计算以确定所述样品的磁矩矢量的三维分量与标量磁荷值。

9.如权利要求8所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述信号处理单元还包括：

第一放大路径，设置在所述第一输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述第一测量信号进行放大和滤波；

第二放大路径，设置在所述第二输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述第二测量信号进行放大和滤波；

第三放大路径，设置在所述第三输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述第三测量信号进行放大和滤波；以及

第四放大路径，设置在所述第四输入端子与所述多通道数字锁相和信号处理模块之间，以对所述磁荷测量信号进行放大和滤波。

10.如权利要求9所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述第一放大路径包括连接到所述第一输入端子的第一前置放大器、连接到所述第一前置放大器的第一带通滤波器、以及连接到所述第一带通滤波器的第一后端放大器，

其中，所述第二放大路径包括连接到所述第二输入端子的第二前置放大器、连接到所述第二前置放大器的第二带通滤波器、以及连接到所述第二带通滤波器的第二后端放大器，

其中，所述第三放大路径包括连接到所述第三输入端子的第三前置放大器、连接到所述第三前置放大器的第三带通滤波器、以及连接到所述第三带通滤波器的第三后端放大器，且

其中，所述第四放大路径包括连接到所述第四输入端子的第四前置放大器、连接到所述第四前置放大器的第四带通滤波器、以及连接到所述第四带通滤波器的第四后端放大器。

11.如权利要求8所述的三维矢量磁矩测量仪，其中，所述信号处理单元还包括第五输入端子，用于接收来自所述振动单元的样品振动信号，并且将该样品振动信号提供给所述多通道数字锁相和信号处理模块，且

其中，所述多通道数字锁相和信号处理模块是五通道数字锁相和信号处理模块，其对所述第一测量信号、所述第二测量信号、所述第三测量信号、所述磁荷测量信号以及所述样品振动信号进行五通道同步锁相和放大，并且进行计算以确定所述样品的磁矩矢量的三维分量与标量磁荷。

12.如权利要求1所述的三维矢量磁矩测量仪，还包括：

温度控制单元，其用于控制一密闭空间内的温度，其中所述样品以及所述第一至第三感应线圈组均设置在所述密闭空间内；以及

磁场控制单元，其用于控制通过磁场施加装置向所述样品施加的磁场。