CN107121655B - 非屏蔽serf原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置及测量方法 - Google Patents

非屏蔽serf原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置及测量方法，是由三轴磁场抵消线圈1中心设有标量磁力仪探头4，x线圈由驱动电流源I激励，y线圈由驱动电流源Ⅱ激励，z线圈由驱动电流源Ⅲ激励，标量磁力仪探头4输出信号通过精密平方运算电路6接入锁相放大器5构成。不同于现有的对磁力仪进行磁场调制，并对输出数据进行拟合处理，再通过推导得到线圈X轴、Y轴非正交角的测量方法，提出一种调制磁场后直接根据数据进行简单计算即可测得非正交角的方法。由于不受SERF磁力仪本身条件限制，无需测得大量数据进行拟合，并且对线圈的三个非正交角均可测量，解决了SERF磁力仪实验中数据校准的问题。

Description

非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置及测 量方法
技术领域
本发明涉及一种应用于三轴磁场线圈非正交角检测方法，尤其适用于SERF原子磁力仪在非屏蔽模式下磁场抵消线圈非正交角测量装置与方法。
背景技术
采用高灵敏度磁力仪进行弱磁场测量作为获取磁场信息最新方式，广泛应用于诸多领域。在现代医学中可以利用弱磁场的探测进行胃磁诊断，心磁脑磁诊断等；在军事方面可以进行船只，飞行器等载体姿态的测量与控制。高灵敏度矢量磁传感器能够比标量磁传感器提供更多磁场信息，是测量弱磁场的重要手段。无自旋交换弛豫原子磁力仪(SpinExchange Relaxation Free Regime,SERF)是目前世界上最灵敏的磁力仪，理论灵敏度可达到阿特斯拉量级，应用前景十分广阔。
SERF原子磁力仪是以超精细能级原子跃迁为基础，工作在弱磁环境下的精密磁场测量装置。由于无自旋交换弛豫的基本条件是原子的拉莫尔进动频率远小于原子自旋交换碰撞频率,这就要求原子气室必须工作在微弱磁场下。然而目前大部分SERF原子磁力仪的研究都是采用多层屏蔽筒达到弱磁场环境，磁屏蔽筒在屏蔽干扰磁场的同时也屏蔽掉了外部环境有用信号，另外由于体型庞大的屏蔽筒不易搬移，使其在野外实际应用受限。若要将SERF原子磁力仪的高灵敏优势应用于野外地学测量，甚至扩展到航空(机载)、海洋、深地等复杂环境，则必须消除屏蔽筒带来的不便。
欲使SERF磁力仪摆脱屏蔽筒，则必须采用其他方式抵消环境磁场，三轴磁场线圈是必需的重要构件之一。三轴磁场线圈主要有两方面用途：一是补偿环境磁场，以使原子气室处于弱磁环境中；二是产生磁场调制信号。在生产过程中，很难保证三对线圈完全正交，而这种非正交性直接影响到环境磁场的补偿以及磁场的调制，进而对磁场测量的精度产生影响。因此必须准确测量每两轴线圈间的非正交角，以便对线圈驱动电流进行补偿，从而提高SERF原子磁力仪的精度。
CN105301541A公开的一种适用于SERF原子磁强计的鞍型线圈X,Y轴非正交角的测量装置与方法，其原理是对磁力仪进行磁场调制，基于磁力仪Bloch动力学方程的稳态解对磁力仪输出数据进行拟合处理，从而得到稳态解中的各项参数值，进一步通过推导得到鞍型线圈X,Y轴非正交角。
CN103033786A公开的一种三轴矢量磁强计正交校准方法及装置，利用磁场投影法，测量正交偏差角度，计算正交校准矩阵，解决将三轴矢量磁强计探头测量的数据校准到一个正交坐标系内的问题。
上述方法中CN105301541A可直接通过SERF原子磁力仪的输出得到X,Y轴非正交角，但也存在一定缺陷。此方法需测得大量数据并对数据进行拟合，处理过程较为复杂。并且只能得到X,Y轴间的非正交角，对于X,Z与Y,Z间的非正交角无法测量，有一定的局限性。CN103033786A对于三轴矢量磁强计探头的正交校准是一种行之有效的方法，然而由于磁强计探头本身是磁传感装置，因此此种方法无法应用到三轴磁场线圈的非正交角检测中。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提出一种针对非屏蔽SERF原子磁力仪三轴磁场抵消线圈非正交角测量装置；
本发明的另一目的是提出一种针对非屏蔽SERF原子磁力仪三轴磁场抵消线圈非正交角测量装置的测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置，是由三轴磁场抵消线圈1中心设有标量磁力仪探头4，x线圈由驱动电流源I激励，y线圈由驱动电流源Ⅱ激励，z线圈由驱动电流源Ⅲ激励，标量磁力仪探头4输出信号通过精密平方运算电路6接入锁相放大器5构成。
非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一、任选三轴磁场抵消线圈1中两对待测线圈，如x线圈、y线圈；
步骤二、开启x线圈和y线圈对应的驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ，同时确保另一对z线圈对应的驱动电流源Ⅲ处于关闭状态；
步骤三、设置驱动电流源7和驱动电流源8，使x线圈和y线圈分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，驱动电流幅值根据线圈参数设定，使x线圈和y线圈分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA；
步骤四、令锁相放大器5锁定频率为2ω的信号，设锁相放大器5输出为U0，则待测x线圈和y线圈非正交角α为：
Figure BDA0001273127830000021
其中，k为标量磁力仪探头4探测灵敏度；
步骤五、选择y线圈和z线圈，重复步骤二至步骤五，测量y线圈和z线圈非正交角β；
步骤六、选择x线圈和z线圈，重复步骤二至步骤五，测量x线圈和z线圈非正交角γ。
有益效果：本发明不同于现有的对磁力仪进行磁场调制，并对输出数据进行拟合处理，再通过推导得到线圈X轴、Y轴非正交角的测量方法，提出一种调制磁场后直接根据数据进行简单计算即可测得非正交角的方法。由于不受SERF磁力仪本身条件限制，无需测得大量数据进行拟合，并且对线圈的三个非正交角均可测量，解决了SERF磁力仪实验中数据校准的问题，适用于SERF磁力仪在非屏蔽条件下的应用。
附图说明
图1，非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置结构图
图2，测量装置在环境磁场中的磁矢量示意图。
图3，待测线圈在所在平面上产生的磁场矢量示意图。
附图1是非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置结构图，1三轴磁场抵消线圈，4标量磁力仪探头，5锁相放大器，6精密平方运算电路，三轴磁场抵消线圈1中三对两两平行线圈x、y、z，驱动电流源I，驱动电流源Ⅱ，驱动电流源Ⅲ。
附图2是非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置工作在环境磁场中的磁矢量示意图。图中Bg为环境磁场，Bc为待测的两轴线圈分别通以正弦电流所产生的合成磁场，图中椭圆为Bc变化的轨迹，以经过椭圆中心的椭圆所在平面的法线作为z轴，以环境磁场Bg在椭圆平面的投影所在的直线作为y轴，建立空间坐标系。Bg与XOY平面的夹角为θ。三轴上的磁场分量分别为Bx，By，Bz。
附图3是选定的两轴待测线圈在XOY平面上产生的磁场的示意图，设所选两对线圈C1、C2为上述两对平行线圈x、y和z中的任意两对，线圈C1产生的磁场为Bc1，线圈C2产生的磁场为Bc2，C1、C2间的非正交角为α，线圈C1所在轴与x轴夹角为
Figure BDA0001273127830000031
C1、C2所产生的合成磁场在x轴上的分量为Bcx，在y轴上的分量为Bcy。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明
非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置如图1所示，是由三轴磁场抵消线圈1中心设有标量磁力仪探头4，x线圈由驱动电流源I激励，y线圈由驱动电流源Ⅱ激励，z线圈由驱动电流源Ⅲ激励，标量磁力仪探头4输出信号通过精密平方运算电路6接入锁相放大器5构成。
非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一、任选三轴磁场抵消线圈1中两对待测线圈，如x线圈、y线圈；
步骤二、开启x线圈和y线圈对应的驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ，同时确保另一对z线圈对应的驱动电流源Ⅲ处于关闭状态；
步骤三、设置驱动电流源Ⅰ和驱动电流源Ⅱ，使x线圈和y线圈分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，驱动电流幅值根据线圈参数设定，使x线圈和y线圈分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA；
步骤四、令锁相放大器5锁定频率为2ω的信号，设锁相放大器5输出为U0，则待测x线圈和y线圈非正交角α为：
Figure BDA0001273127830000041
其中，k为标量磁力仪探头4探测灵敏度；
步骤五、选择y线圈和z线圈，重复步骤二至步骤五，测量y线圈和z线圈非正交角β；
步骤六、选择x线圈和z线圈，重复步骤二至步骤五，测量x线圈和z线圈非正交角γ。
实施例1
非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置如图1所示，是由三轴磁场抵消线圈1中心设有标量磁力仪探头4，x线圈由驱动电流源I激励，y线圈由驱动电流源Ⅱ激励，z线圈由驱动电流源Ⅲ激励，标量磁力仪探头4输出信号通过精密平方运算电路6接入锁相放大器5构成。
非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一：选定待测两对磁场抵消线圈，如线圈x、线圈y，图3中即为C1、C2。
步骤二：开启选定线圈x和线圈y对应的驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ，同时确保另一对线圈z对应的驱动电流源Ⅱ处于关闭状态。
步骤三：设置驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ使两对平行线圈x和平行线圈y分别通以频率相同，相位相差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，驱动电流幅值根据线圈参数设定，使两对平行线圈分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA。
如图3所示，此时有：
Figure BDA0001273127830000042
Bc1，Bc2合成磁场在x轴与y轴上的分量分别为：
Figure BDA0001273127830000051
则图2中三轴上的磁场分量分别为：
Figure BDA0001273127830000052
总的合成磁场模平方为：
Figure BDA0001273127830000053
步骤四：令锁相放大器5锁定频率为2θ的信号，设锁相放大器5输出为U0，则待测平行线圈x和平行线圈y非正交角α为：
Figure BDA0001273127830000054
其中，k为标量磁力仪探头4探测灵敏度。
步骤五：选择另外两对平行线圈y和平行线圈z，重复步骤二到步骤五，测量平行线圈y和平行线圈z非正交角β。
步骤六：选择另外两对平行线圈x和平行线圈z，重复步骤二到步骤五，测量平行线圈x和平行线圈z非正交角γ。
将光泵磁力仪探头放置在待测三轴亥姆霍兹线圈中心，三轴线圈直径分别为500mm，560mm，620mm，均为100匝，分别由三台吉时利6221型电流源驱动，磁力仪输出信号通过由乘法器芯片AD835构成的平方运算电路接入锁相放大器SR850。
选定两轴线圈x、y，开启驱动电流源I、Ⅱ，关闭驱动电流源Ⅲ。使两轴线圈产生的磁场强度幅值均为5000nT，则按照线圈参数，平行线圈x的驱动电流源I输出幅值设置为69.77mA，平行线圈y的驱动电流源Ⅱ输出幅值设置为56.27mA。电流频率设定为1kHz，调整两电流源触发设置，使两电流源输出电流相位差为90°。令锁相放大器5锁定频率为2kHz，得到输出信号为5.975mV。标量磁力仪探头4的探测灵敏度为10000nT/V。将测得数据代入式(5)计算可得非正交角α＝88.63°。
选定两轴线圈y、z,开启驱动电流源Ⅱ、Ⅲ，关闭驱动电流源I。使两轴线圈产生的磁场强度幅值均为5000nT，则按照线圈参数，平行线圈y的驱动电流源Ⅱ输出幅值设置为56.27mA，平行线圈z的驱动电流源Ⅲ输出幅值设置为63.02mA。电流频率设定为1kHz，调整两电流源触发设置，使两电流源输出电流相位差为90°。令锁相放大器5锁定频率为2kHz，得到输出信号为3.638mV。将测得数据代入式(5)计算可得非正交角β＝89.17°。
选定两轴线圈x、z,开启驱动电流源I、Ⅲ，关闭驱动电流源Ⅱ。使两轴线圈产生的磁场强度幅值均为5000nT，则按照线圈参数，平行线圈x的驱动电流源I输出幅值设置为69.77mA，平行线圈z的驱动电流源Ⅲ输出幅值设置为63.02mA。电流频率设定为1kHz，调整两电流源触发设置，使两电流源输出电流相位差为90°。令锁相放大器5锁定频率为2kHz，得到输出信号为4.325mV。将测得数据代入式(5)计算可得非正交角γ＝89.01°。
本发明提出一种新的三轴磁场线圈非正交角度检测方法，即在三轴磁场线圈中心放置一标量磁力仪探头，通过特定方式驱动线圈，对标量磁力仪探头输出进行处理从而得到非正交角。由于不受SERF磁力仪本身条件限制，无需测得大量数据进行拟合，使得测量过程简便易行。并且对于线圈的三个非正交角均可测量，解决了SERF磁力仪实验中数据校准的问题，适用于非屏蔽SERF原子磁力仪的磁场抵消。

Claims (2)

1.一种非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置，其特征在于：包括在三轴磁场抵消线圈(1)的中心放置一个标量磁力仪探头(4)，其中三轴磁场抵消线圈(1)包括一对平行线圈x、一对平行线圈y和一对平行线圈z，标量磁力仪探头(4)输出信号通过精密平方运算电路(6)接入锁相放大器(5)；
设置驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ，使一对平行线圈x和一对平行线圈y分别通以频率相同，相位相差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，正弦激励电流幅值根据线圈参数设定，使一对平行线圈x和一对平行线圈y分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA；
设置驱动电流源Ⅱ和驱动电流源Ⅲ，使一对平行线圈y和一对平行线圈z分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，正弦激励电流幅值根据线圈参数设定，使一对平行线圈y和一对平行线圈z分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA1；
设置驱动电流源Ⅰ和驱动电流源Ⅲ，使一对平行线圈x和一对平行线圈z分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，正弦激励电流幅值根据线圈参数设定，使一对平行线圈x和一对平行线圈z分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA2。
2.按照权利要求1所述的非屏蔽SERF原子磁力仪磁场抵消线圈非正交角测量装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、任选三轴磁场抵消线圈(1)中两对待测线圈，一对平行线圈x和一对平行线圈y；
步骤二、开启一对平行线圈x和一对平行线圈y对应的驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ，同时确保另一对平行线圈z对应的驱动电流源Ⅲ处于关闭状态；
步骤三、设置驱动电流源I和驱动电流源Ⅱ，使一对平行线圈x和一对平行线圈y分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，正弦激励电流幅值根据线圈参数设定，使一对平行线圈x和一对平行线圈y分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA；
步骤四、令锁相放大器(5)锁定频率为2ω的信号，设锁相放大器(5)输出为U0，则待测一对平行线圈x和一对平行线圈y非正交角α为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中， k为标量磁力仪探头(4)探测灵敏度；
步骤五、开启一对平行线圈y和一对平行线圈z对应的驱动电流源Ⅱ和驱动电流源Ⅲ，同时确保另一对平行线圈x对应的驱动电流源Ⅰ处于关闭状态；
步骤六、设置驱动电流源Ⅱ和驱动电流源Ⅲ，使一对平行线圈y和一对平行线圈z分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，正弦激励电流幅值根据线圈参数设定，使一对平行线圈y和一对平行线圈z分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA1；
步骤七、令锁相放大器(5)锁定频率为2ω的信号，设锁相放大器(5)输出为U01，则测量一对平行线圈y和一对平行线圈z非正交角β；
Figure 481060DEST_PATH_IMAGE002
步骤八、开启一对平行线圈x和一对平行线圈z对应的驱动电流源Ⅰ和驱动电流源Ⅲ，同时确保另一对平行线圈y对应的驱动电流源Ⅱ处于关闭状态；
步骤九、设置驱动电流源Ⅰ和驱动电流源Ⅲ，使一对平行线圈x和一对平行线圈z分别通以频率相同、相位差90°的正弦激励电流，电流频率为ω，正弦激励电流幅值根据线圈参数设定，使一对平行线圈x和一对平行线圈z分别在中心位置产生的磁场幅度相等，记为BA2；
步骤十、令锁相放大器(5)锁定频率为2ω的信号，设锁相放大器(5)输出为U02，测量一对平行线圈x和一对平行线圈z非正交角γ：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
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