CN105572607B - 电子磁强计及磁场测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的电子磁强计及磁场测量方法，通过带磁屏蔽的耿氏二极管和一个不带磁屏蔽的耿氏二极管环境中的磁场而产生的不同的感应高频振荡电流，通过电路将置于屏蔽中的耿氏二极管高频振荡电流与没有屏蔽的耿氏二极管高频振荡电流处理后做比较，两者电流中的频率差与磁场大小成比例关系，从而得出磁场大小。

Description

电子磁强计及磁场测量方法
技术领域
本发明涉及地磁场测量技术领域，尤其涉及电子磁强计及磁场测量方法。
背景技术
磁场是宇宙中天体的基本属性。地磁场是地球具有的磁场，地球周围任一点的地磁场强度都是具有一定的大小和方向的矢量，且一般认为地球周围任一点的磁场强度是不同的。从数学模型角度，地球的磁场满足拉普拉斯方程，因此只要对若干位置的地球磁场进行观测，再使用拉普拉斯方程求解就可以得到地球表面，尤其是距离地球1000km以内的空间的任意一点的磁场。
目前，通用的较高灵敏度的磁传感器主要有磁通门传感器、光泵磁强计和超导磁强计等。磁通门传感器是利用软磁材料的磁饱和原理测量磁场矢量，分辨率最高可达0.01nT，但稳定性较差且存在零漂现象，一般不用于磁场的绝对观测。光泵磁强计是利用磁场强度与原子吸收光谱的线性关系测量磁场的总强度，它的测量范围在20000-100000nT之间，不能用于弱磁场探测，并且在测量方向上存在盲角，要求探头方向与磁场夹角在一定范围内。超导磁强计是目前灵敏度最高的磁传感器，广泛应用于实验室内弱磁和高精度磁场探测。超导磁强计利用约瑟夫效应测量磁场总强度和矢量，灵敏度可达1pT，一般在液氦的温度环境下工作，因此，目前还限于实验室内部应用。以上三种磁传感器的功耗均在几瓦或几十瓦，重量几公斤到几十公斤。
耿氏效应，描述的是在同质单晶材料内因电子在能谷间的转移而形成的负微分电阻的效应。因电子转移而显现负微分电阻的材料，其能带结构是直接带隙，且导带中有两个或两个以上的能谷，能谷在外加电场作用下产生的偶极畴在生长至成熟的同时，也在电场的吸引下向阳极运动。畴在达到阳极后，被吸收形成峰值电流。样品恢复，又重复上面的过程，从而形成稳定的高频振荡电流。而在磁场的作用下，电子轨迹发生变化，迁移时间发生变化，从而高频振荡电流的频率就发生了变化。依据这个原理我们发明了可以进行磁场测量的电子磁强计,而实际中并没有将耿氏效应应用于磁强计中。
发明内容
本发明提供一种性能稳定的电子磁强计及磁场测量方法。
一种电子磁强计，包括：磁传感器、电路处理模块及处理器模块，其中，
所述磁传感器由一个带磁屏蔽的耿氏二极管和一个不带磁屏蔽的耿氏二极管组成，所述带磁屏蔽的耿氏二极管在屏蔽磁场环境中产生的感应高频振荡电流，记为第一高频振荡电流，并将所述第一高频振荡电流输出到所述电路处理模块，所述不带磁屏蔽的耿氏二极管用于环境磁场中产生的感应高频振荡电流，记为第二高频振荡电流，并将所述第二高频振荡电流输出到所述电路处理模块；
所述电路处理模块对所述第一高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号至所述处理器模块，并记为第一旋进频率；
所述电路处理模块还对所述第二高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号至所述处理器模块，并记为第二旋进频率；
所述处理器模块根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场。
在一些实施例，中所述电路处理模块包括滤波单元、放大单元及锁相单元；
所述滤波单元用于过滤所述第一高频振荡电流、第二高频振荡电流中的干扰频率；
所述放大单元用于对所述第一高频振荡电流、第二高频振荡电流的信号进行放大；
所述锁相单元用于锁住第一高频振荡电流、第二高频振荡电流的振荡频率。
另外，本发明还提供了一种磁场测量方法，包括如下步骤：
感应屏蔽磁场环境中的高频振荡电流，记为第一高频振荡电流，感应环境磁场中的高频振荡电流，记为第二高频振荡电流
对所述第一高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号，并记为第一旋进频率，对所述第二高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号，并记为第二旋进频率；
根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场。
本发明提供的电子磁强计及磁场测量方法，通过带磁屏蔽的耿氏二极管和一个不带磁屏蔽的耿氏二极管在不同环境中产生的感应高频振荡电流，通过电路将置于屏蔽中的耿氏二极管高频振荡电流与没有屏蔽的耿氏二极管高频振荡电流处理后做比较，两者电流中的频率差与磁场大小成比例关系，从而得出磁场大小。
附图说明
图1为本发明电子磁强计模块框图；
图2为本发明磁场测量方法的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明提供的一种电子磁强计包括：磁传感器110、电路处理模块120及处理器模块130。
所述磁传感器110由一个带磁屏蔽的耿氏二极管111和一个不带磁屏蔽的耿氏二极管112组成，所述带磁屏蔽的耿氏二极管111在屏蔽磁场环境下产生的感应高频振荡电流，记为第一高频振荡电流，并将所述第一高频振荡电流输出到所述电路处理模块120，所述不带磁屏蔽的耿氏二极管112用于在环境磁场中的感应高频振荡电流，记为第二高频振荡电流，并将所述第二高频振荡电流输出到所述电路处理模块120；
所述电路处理模块120对所述第一高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号至所述处理器模块130，并记为第一旋进频率；
所述电路处理模块120还对所述第二高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号至所述处理器模块130，并记为第二旋进频率；
优选地，所述电路处理模块120包括滤波单元121、放大单元122及锁相单元123；
所述滤波单元121用于过滤所述第一高频振荡电流、第二高频振荡电流中的干扰频率；
所述放大单元122用于对所述第一高频振荡电流、第二高频振荡电流的信号进行放大；
所述锁相单元123用于锁住第一高频振荡电流、第二高频振荡电流的振荡频率。
所述处理器模块130根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场。
具体地,环境中施加横向磁场B，振荡频率
其中τ在不施加外磁场的情况下在二极管中耿氏畴长度L的电子迁移时间，而τ0的是电子平均自由程的迁移时间。f是第一旋进频率，Δf是第二旋进频率与第一旋进频率之差。n为中间变量，无实际意义。
τ0＝τ/n＝1/nf (2)
那么
如果由于施加弱磁场B而使电子轨道的偏离角是电子在耿氏二极管中的横向迁移ξ
ΔL＝ξsinφ＝ξ2/L (4)
ξ的值可以通过二极管在横向弱磁场B中的漂移电子的磁动态方程反向求解
ξ＝Beυ/ξ (5)
其中是电子的饱和速度，e是电子电荷，ξ是一个约束常数或由于纵向直流电场作用，电子保持沿着从阴极到阳极的直线运动的“弹性”常数。
组合(3)，(4)，和(5)得到频率和磁场的关系：
f是第一旋进频率，Δf是第二旋进频率与第一旋进频率之差。
可以理解，通过上述算法处理,所述处理器模块130可以根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差与磁场大小成比例关系，从而得出磁场大小。
请参阅图2，本发明还提供了一种磁场测量方法，包括如下步骤：
步骤S10：屏蔽磁场环境中的感应高频振荡电流，记为第一高频振荡电流，环境磁场中的感应高频振荡电流，记为第二高频振荡电流
步骤S20：对所述第一高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号，并记为第一旋进频率，对所述第二高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号，并记为第二旋进频率；
步骤S30：根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场。
本发明提供的电子磁强计及磁场测量方法，通过带磁屏蔽的耿氏二极管和一个不带磁屏蔽的耿氏二极管在不同磁环境中产生的感应高频振荡电流，通过电路将置于屏蔽中的耿氏二极管高频振荡电流与没有屏蔽的耿氏二极管高频振荡电流处理后做比较，两者电流中的频率差与磁场大小成比例关系，从而得出磁场大小。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其他各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种电子磁强计，其特征在于，包括：磁传感器、电路处理模块及处理器模块，其中，
所述磁传感器由一个带磁屏蔽的耿氏二极管和一个不带磁屏蔽的耿氏二极管组成，所述带磁屏蔽的耿氏二极管在屏蔽磁场环境中的产生的感应高频振荡电流，记为第一高频振荡电流，并将所述第一高频振荡电流输出到所述电路处理模块，所述不带磁屏蔽的耿氏二极管用于在环境磁场产生的感应高频振荡电流，记为第二高频振荡电流，并将所述第二高频振荡电流输出到所述电路处理模块；
所述电路处理模块对所述第一高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号至所述处理器模块，并记为第一旋进频率；
所述电路处理模块还对所述第二高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号至所述处理器模块，并记为第二旋进频率；
所述处理器模块根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场；所述处理器模块具体通过下述方法获取环境中的磁场：
环境中施加横向磁场B，振荡频率
其中，τ在不施加外磁场的情况下在二极管中耿氏畴长度L的电子迁移时间，而τ0的是电子平均自由程的迁移时间，f是第一旋进频率，Δf是第二旋进频率与第一旋进频率之差，n为中间变量，
τ0＝τ/n＝1/nf那么
施加弱磁场B而使电子轨道的偏离角是φ，电子在耿氏二极管中的横向迁移ξ
ΔL＝ξsinφ＝ξ2/L
ξ的值可以通过二极管在横向弱磁场B中的漂移电子的磁动态方程反向求解
ξ＝Beυ/ξ
其中υ是电子的饱和速度，e是电子电荷，ξ是一个约束常数或由于纵向直流电场作用，电子保持沿着从阴极到阳极的直线运动的“弹性”常数，
组合上述公式得到频率和磁场的关系：
f是第一旋进频率，Δf是第二旋进频率与第一旋进频率之差。
2.根据权利要求1所述的电子磁强计，其特征在于：所述电路处理模块包括滤波单元、放大单元及锁相单元；
所述滤波单元用于过滤所述第一高频振荡电流、第二高频振荡电流中的干扰频率；
所述放大单元用于对所述第一高频振荡电流、第二高频振荡电流的信号进行放大；
所述锁相单元用于锁住第一高频振荡电流、第二高频振荡电流的振荡频率。
3.一种磁场测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
屏蔽磁场环境下的产生高频振荡电流，记为第一高频振荡电流，环境磁场下产生的感应高频振荡电流，记为第二高频振荡电流
对所述第一高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号，并记为第一旋进频率，对所述第二高频振荡电流进行处理，并输出稳定和旋进频率相同的方波信号，并记为第二旋进频率；
根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场；
根据所述第一旋进频率、第二旋进频率的频率差，获取环境中的磁场，具体通过下述方法获取环境中的磁场：
环境中施加横向磁场B，振荡频率
其中，τ在不施加外磁场的情况下在二极管中耿氏畴长度L的电子迁移时间，而τ0的是电子平均自由程的迁移时间，f是第一旋进频率，Δf是第二旋进频率与第一旋进频率之差，n为中间变量，
τ0＝τ/n＝1/nf那么
施加弱磁场B而使电子轨道的偏离角是φ，电子在耿氏二极管中的横向迁移ξ
ΔL＝ξsinφ＝ξ2/L
ξ的值可以通过二极管在横向弱磁场B中的漂移电子的磁动态方程反向求解
ξ＝Beυ/ξ
其中υ是电子的饱和速度，e是电子电荷，ξ是一个约束常数或由于纵向直流电场作用，电子保持沿着从阴极到阳极的直线运动的“弹性”常数，
组合上述公式得到频率和磁场的关系：
f是第一旋进频率，Δf是第二旋进频率与第一旋进频率之差。
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