CN108828477A - 一种tmr阵列扫描式岩石磁性检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，包括：样品定位系统，包括用于放置岩石标本的三维样品移动台，以及用于调节三维样品移动台位置的样品台控制器；TMR磁场检测系统，包括TMR探头阵列，以及用于驱动TMR探头阵列进行磁场检测的TMR电路；磁化退磁系统，包括套设在岩石标本外的磁化退磁线圈，以及与之连接的线圈控制电路；数据处理控制系统，与TMR电路、线圈控制电路和样品台控制器连接，用于接受用户输入并分别发送TMR扫描指令、磁化或退磁指令和样品台移动指令。本发明可以对岩石标本实现高磁测精度高空间分辨率的磁性扫描，并且其中设置了专门的磁化退磁系统，可以在不移动岩石标本的情况下进行原位磁化和退磁。

Description

一种TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪

技术领域

本发明涉及磁性测量技术领域，尤其涉及一种TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪。

背景技术

岩石中含有磁性矿物，其磁学特性在地学研究中具有重要意义。一方面，作为特殊的矿物，利用其种类、粒径以及含量信息，可以灵敏地追踪多种地质与环境过程，比如矿物的生成、运移与转化过程等(称之为环境磁学)。另一方面，磁性矿物在地磁场环境下，可以被定向排列，通过热剩磁(火山岩)以及沉积剩磁(沉积岩或者沉积物)等机制把当时的地磁场记录下来，通过测定岩石的剩磁信息，可以恢复当时地磁场的信息(称之为古地磁学)。因此，岩石的磁学性质可以被广泛地用于研究地质构造与环境演化、石油矿物勘察、地球深部动力学过程、沉积序列定年、以及考古等。

目前，磁场扫描技术正在成为岩石标本磁性测量的一个重要研究手段。古地磁学研究一般采用超导磁力仪、旋转磁力仪、振动样品磁力仪、变梯度磁力仪等测量岩石样品磁性。这些系统均测量整个岩石样品携带的剩磁，它是样品中所有磁性颗粒信息的叠加，而无法分辨与提取样品中单个磁性颗粒的信息。随着研究的深入，在实际应用中，我们需要确切地知道样品中在微米级上，磁性颗粒的空间分布以及磁性颗粒的粒径分布特征等。比如，陨石中磁性颗粒的分布模式携带着丰富的陨石演化信息；石笋和深海锰结石具有较低的沉积速率。如果能够识别微米级别上的磁性，就可以构建高精度的环境演化信息，从而极大地推动相关学科的发展，具有重要的科学意义。

为了实现这一目的，磁场扫描技术应运而生，该技术可以灵敏地测量岩石样品表面分布的磁场，并进一步计算出岩石中磁性颗粒的分布特征。通过同级叠加所有磁性颗粒携带的磁学信息，还可以统计地计算出整个样品的剩磁。但超导技术一则价格昂贵；二则受到必须配备低温系统所限，探头与样品必须隔离一部分距离降低了其空间分辨率。

TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的AMR(Anisotropic Magneto Resistance，各项异性磁电阻)元件和GMR(Giant Magneto Resistance，巨磁电阻)元件具有更大的电阻变化率。TMR元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。基于以上诸多优点，该传感器已开始逐步应用于信息技术、汽车电子、生物医学等高精技术领域。

目前，现有技术中还缺乏基于TMR来构建的岩石磁性扫描系统。并且一般的岩石磁性扫描系统也统只能测量表面的磁性，还不具有对样品进行原位磁化和退磁的功能，通常需要将样品从磁屏蔽室中取出，使用专门的磁化和退磁装置进行处理后再放回扫描系统中，难以保障处理前后扫描的岩石摆放位置一致，不利于对前后的磁性分布进行比对。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的以上一个或者多个缺陷，提供一种TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，包括：

样品定位系统，包括用于放置岩石标本的三维样品移动台，以及用于调节所述三维样品移动台位置的样品台控制器；所述三维样品移动台上设置有样品支撑杆；

TMR磁场检测系统，包括TMR探头阵列，以及用于驱动所述TMR探头阵列进行磁场检测的TMR电路；

磁化退磁系统，包括套设在岩石标本外的磁化退磁线圈，以及与之连接的线圈控制电路；

数据处理控制系统，与所述TMR电路、线圈控制电路和样品台控制器连接，用于接受用户输入并分别发送TMR扫描指令、磁化或退磁指令、样品台移动指令给所述TMR电路、线圈控制电路和样品台控制器。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述线圈控制电路包括：

脉冲电源，通过数据采集卡与所述数据处理控制系统连接，用于根据数据处理控制系统发出的磁化指令生成对应电流强度的磁化脉冲电流；

信号源，与所述数据处理控制系统连接，用于根据数据处理控制系统发出的退磁指令生成对应频率的正弦波退磁电信号；

功率放大器，与所述信号源连接，用于将信号源生成的正弦波退磁电信号放大成对应幅值后输出；

换路开关，与所述脉冲电源和功率放大器连接，用于切换磁化脉冲电流或者放大后的正弦波退磁电信号给所述磁化退磁线圈，以产生预定强度的磁场，起到切换磁化或退磁功能的目的。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述三维样品移动台上设置有步进电机和光栅尺位移传感器；

所述样品台控制器包括：电机控制器，与所述数据处理控制系统连接，用于接收所述样品台移动指令生成电机控制信号，并利用所述光栅尺位移传感器反馈的位置信息实现闭环控制样品支撑杆的移动定位；电机驱动器，与所述电机控制器连接，用于接收电机控制电信号并能生成驱动信号给所述步进电机。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述样品支撑杆水平设置；所述步进电机为三个，分别用于控制样品支撑杆在三个维度上移动。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述样品支撑杆的长度为30cm～100cm。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述三维样品移动台及样品支撑杆均选用无磁性材料制作。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述步进电机为压电陶瓷超声电机。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述TMR探头阵列、三维样品移动台和磁化退磁线圈均置于磁屏蔽室中。

在根据本发明所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中，优选地，所述TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪还包括在磁场检测时套设于所述TMR探头阵列以及样品支撑杆外的磁屏蔽筒；所述磁屏蔽室用于将内部磁场屏蔽至100nT及以下；所述磁屏蔽筒用于将内部磁场屏蔽至10nT及以下。

实施本发明的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，具有以下有益效果：本发明利用TMR传感器阵列和移动平台构建TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，可以对岩石标本实现高精度高分辨率的磁性扫描，并且其中设置了专门的磁化退磁系统，可以在不移动岩石标本的情况下进行原位磁化和退磁，便于对前后的磁性分布进行比。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例提供的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪的结构示意图；

图2为根据本发明的第二实施例提供的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪的结构示意图；

图3为根据本发明第二实施例的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中充磁电路的示意图；

图4为根据本发明第二实施例的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中退磁电路的示意图；

图5为根据本发明第二实施例的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中磁化退磁线圈的结构示意图；

图6为根据本发明的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中三维样品移动台的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明的第一实施例提供的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪的结构示意图。如图1所示，该实施例提供的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪至少包括：样品定位系统、TMR磁场检测系统、磁化退磁系统和数据处理控制系统。

其中样品定位系统包括用于放置岩石标本1的三维样品移动台10，以及用于调节三维样品移动台10位置的样品台控制器20。该三维样品移动台上设置有样品支撑杆11，用于放置岩石标本1,。

TMR磁场检测系统包括TMR探头阵列30，以及用于驱动TMR探头阵列30进行磁场检测的TMR电路40。TMR探头阵列30中TMR传感器的个数为n*n。

磁化退磁系统包括套设在岩石标本30外的磁化退磁线圈50，以及与之连接的线圈控制电路60。

数据处理控制系统70与TMR电路40、线圈控制电路60和样品台控制器20连接，用于接受用户输入并分别发送TMR扫描指令、磁化或退磁指令、样品台移动指令给TMR电路40、线圈控制电路60和样品台控制器20。数据处理控制系统70可以通过例如计算机实现。

请参阅图2，为根据本发明的第二实施例提供的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪的结构示意图。如图2所示，在第一实施例的基础上，提供了每个系统的具体实现方式。

其中，TMR电路40包括：TMR控制器41和前置放大器42。TMR控制器41通过数据采集卡71与数据处理控制系统70连接，用于接收数据处理控制系统70发出的TMR扫描指令，并生成TMR控制信号。前置放大器42与TMR控制器41连接，用于对TMR控制信号进行放大和滤波后，输出一个正比于磁场信号的电压给TMR探头阵列30。优选地，本发明中的TMR探头阵列30可以选用多个TMR传感器以矩阵排列。例如选购拥有±50Oe的线性测量范围，2nT/Hz^1/2@100Hz的磁场分辨率，1×2微米的测量区域，非常适合弱磁样品扫描。将该TMR传感器将以矩阵排列4×4共16支传感器构成TMR矩阵，阵列数据的采集可以加快测量速度并达到微米尺度的空间分辨率。前置放大器42可以采用拥有超过100分贝的衰减的电源降噪。

线圈控制电路60包括：脉冲电源61、信号源62、功率放大器63和换路开关64。

其中脉冲电源61通过数据采集卡71与数据处理控制系统70连接，用于根据数据处理控制系统70发出的磁化指令生成对应电流强度的磁化脉冲电流。请结合参阅图3，为根据本发明第二实施例的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中充磁电路的示意图。

本发明的脉冲充磁可以使用电容放电脉冲充磁技术。脉冲电源，最大电压可达1500V，给内部的电容衡流充电，电流1-1.5A，磁化退磁线圈电感32.4mH，电阻1.727ohm，选用电容容值300μF时，将电容充到1300V即可。

该脉冲电源可以有四个信号的接口，如图所示：

1)模拟电压输入：用于设置电容两端电压，当电容电压值达到设定值时，硬件关断充电电路；

2)模拟电压输出：电压传感器传回电容两端电压给数据采集卡71；

3)数字信号输入：用于软件控制开关充电电路；

4)数字信号输入：用于控制放电电路开关。

四个接口与数据采集卡的DO、D/A和A/D接口相连。

信号源62与数据处理控制系统70连接，用于根据数据处理控制系统70发出的退磁指令生成对应频率的正弦波退磁电信号。功率放大器63与信号源62连接，用于将信号源62生成的正弦波退磁电信号放大成对应幅值后输出。请结合参阅图4，为根据本发明第二实施例的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中退磁电路的示意图。

本发明中交流退磁场使用信号源62和功率放大器63来驱动磁化退磁线圈。信号源62由单片机622和AD9854芯片621来实现，输出频率400Hz、电压幅值线性减小的正弦波(磁场200mT衰减到0mT)。单片机622与计算机72通过RS232串口通信，等待计算机的退磁指令。PC机的设置的退磁指令可对输出信号幅值、频率进行改变，输出指令控制信号源62输出信号到功率放大器，进行退磁。功率放大器可以采用音频功率放大器631。例如选用商业声准公司的专业功放CA20，8ohm立体声功率1300w，4ohm立体声功率2000w，2ohm立体声立体声功率2600w。理论上，使用2ohm负载可以达到最大电流36A。8ohm算的最大电压可达102V。AD9854DDS芯片可输出频率，相位，幅度可调的正弦波。32位频率控制字，频率精度可达0.0466Hz，14位幅度控制字，21A最大电流(200mT磁场)，控制精度可达0.0013A(12.2μT)。退磁的频率选为400Hz，在400Hz条件下，磁化退磁线圈50的电阻受临近效应影响，变为2.499ohm，由于电感的存在整个负载的阻抗很大，使用电容进行调谐，使在400Hz时，负载只为电阻特性，用CBB电容串并联实现调谐，调谐电容1.221μF。

换路开关64与脉冲电源61和功率放大器63连接，用于切换磁化脉冲电流或者放大后的正弦波退磁电信号给磁化退磁线圈50，以产生预定强度的磁场，起到切换磁化获退磁功能的目的。

虽然上述给出了脉冲电源61、信号源62和功率放大器63的具体实现方式，但是本领域基础技术人员也可以采用其它现有技术中能够适用的脉冲电源61、信号源62和功率放大器63。

请结合参阅图5，为根据本发明第二实施例的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪中磁化退磁线圈的结构示意图。饱和等温剩磁的测量需要对样品进行磁化和退磁，并利用TMR探头阵列测量岩石标本的剩磁信号。这部分主要包括直流磁化磁场线圈和交变磁场线圈的设计，使得产生的磁场具有很高的均匀性与分辨率。本发明的磁化退磁线圈采用空心圆柱线圈结构，如图所示，内径R1＝25mm，外径R2＝67mm，长度l＝30mm。漆包线线径1.77mm(铜芯1.68mm)，绕24层，每层33匝，共792匝。计算可得，当脉冲电流I＝105A时，B＝1T；当交流电流I＝21A时，B＝0.2T。能够满足磁化退磁场的要求。制作完成的磁化退磁线圈置于线圈架上，该线圈架可以为环氧材料。岩石标本被置于该磁化退磁线圈的内部空腔中。

本发明的样品定位系统可以实现对样品的三维精密运动和定位。优选地，三维样品移动台10上设置有步进电机13和光栅尺位移传感器14。

样品台控制器20进一步包括：电机控制器21和电机驱动器22。其中，电机控制器21与数据处理控制系统70连接，用于接收样品台移动指令生成电机控制信号，并利用光栅尺位移传感器14反馈的位置信息实现闭环控制样品支撑杆11上岩石标本的移动定位。电机驱动器22与电机控制器21连接，用于接收电机控制信号并能生成驱动电信号给步进电机13。三维样品移动台10的三个方向的移动和定位分别通过三个步进电机13来实现。步进电机13优选采用压电陶瓷超声电机，以减少电机本身剩磁。压电陶瓷超声电机的电机驱动器可以采用AB1A驱动器。当操作于闭环伺服系统时，电机驱动器从电机控制器接收+/-10V的模拟信号指令，将控制信号转换为交流电压驱动电机。电机控制器21控制器选用运动控制卡DMC18X2，DMC18X2控制卡直接插到计算机的PCI卡槽上，这两种控制卡分别可实现1-4个轴的控制，可以满足三维移动平台的控制要求。可为标准的伺服系统提供+/-10V的模拟信号指令。

本发明的岩石标本架的设计与制作，要求样本支撑杆11为无磁材料并且与TMR探头阵列的超导接收线圈距离非常近，以减少岩石标本剩磁信号的衰减损耗。并且本发明可以实现对样品精准X-Y-Z三维运动，实现对生物样品的剩磁测量和扫描成像。移动分辨率：20nm，移动精度：100nm。优选地，三维样品移动台10及样品支撑杆11均选用无磁性材料制作。如陶瓷、有机塑料、石英玻璃等。

本发明的TMR探头阵列30、三维样品移动台10和磁化退磁线圈50均置于磁屏蔽室9中。本发明设计了专用的磁屏蔽室9，为整个系统提供一个零磁场空间实验环境，实现对环境静磁场和交变磁场的屏蔽。优选地，利用高磁导率材料搭建立方形屏蔽室，能足够容纳岩石标本磁检测系统、实验样品和实验操作人员。

本发明构建的磁屏蔽室9的内部磁场在100nT以下，均匀区低于50nT的高标准零磁空间，可以为扫描式TMR阵列岩石标本磁性检测与分析仪提供极佳的测试环境。

更优选地，本发明还包括在磁场检测时套设于所述TMR探头阵列30以及样品支撑杆11外的磁屏蔽筒8。该磁屏蔽筒8只在对岩石样本1进行磁场检测时使用，在退磁时撤开。上述磁屏蔽室9用于将内部磁场屏蔽至100nT及以下，去除了周围环境对测试的干扰；磁屏蔽,8则用于将内部磁场屏蔽至10nT及以下，可以将测试的背景磁场降得更低。

虽然上述图1和图2中样品支撑杆11为竖直的支撑杆，但是本发明不仅限于此，该样品支撑杆11更优选为水平设置的支撑杆。请参阅图6，为根据本发明的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪的三维样品移动台的结构示意图。如图6所示，其中三维样品移动台10由三维移动机构组成，且在上方设置有水平样品支撑杆12。该水平样品支撑杆12的长度为50cm～70cm。水平样品支撑杆12大于50cm可以减少电机本身及运动时产生的磁场对测量造成的影响。

本发明的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪可以达到以下技术指标：

1)、系统灵敏度：2nT/Hz1/2@100Hz；

2)、测量范围：±50Oe；

3)、单TMR灵敏度：2-4mV/V/Oe；

4)、磁化场强度：0-1T，均匀性±2％；

5)、退磁场强度：0-0.3T，均匀性±2％；

6)、系统空间分辨率达到5×10-6m；

7)、测试区磁屏蔽指标：0-5×10-8T。

综上所述，本发明的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪具有以下特点：

1)本发明针对岩石标本的磁性检测与分析需求，提供了一种具有原位磁化和退磁功能的扫描式岩石标本磁性检测与分析仪。现有技术中还没有这种商用的扫描式岩石标本磁检测系统，通常都是采用各类磁力仪测量整块样品的磁矩，而已有的扫描式磁力仪没有对样品的磁化和退磁功能。

2)本发明提出利用TMR探头阵列对岩石标本进行二维扫描，并可利用得到的磁信号和最小二乘算法及反卷积实现对天然剩磁和饱和等温剩磁的测量，同时从地学应用的角度开发对数据解析。

本发明的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪可以为我国地质与地球物理研究提供有力的工具，不仅可以为古地磁学、环境磁学等传统地球科学提供新的研究工具，还可以推动生物磁学、陨石磁学等交叉学科的发展，在集成电路检测分析、磁性材料无损检测等方面也具有广阔的应用前景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，包括：

样品定位系统，包括用于放置岩石标本的三维样品移动台，以及用于调节所述三维样品移动台位置的样品台控制器；所述三维样品移动台上设置有样品支撑杆；

TMR磁场检测系统，包括TMR探头阵列，以及用于驱动所述TMR探头阵列进行磁场检测的TMR电路；

磁化退磁系统，包括套设在岩石标本外的磁化退磁线圈，以及与之连接的线圈控制电路；

数据处理控制系统，与所述TMR电路、线圈控制电路和样品台控制器连接，用于接受用户输入并分别发送TMR扫描指令、磁化或退磁指令、样品台移动指令给所述TMR电路、线圈控制电路和样品台控制器。

2.根据权利要求1所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述线圈控制电路包括：

脉冲电源，通过数据采集卡与所述数据处理控制系统连接，用于根据数据处理控制系统发出的磁化指令生成对应电流强度的磁化脉冲电流；

信号源，与所述数据处理控制系统连接，用于根据数据处理控制系统发出的退磁指令生成对应频率的正弦波退磁电信号；

功率放大器，与所述信号源连接，用于将信号源生成的正弦波退磁电信号放大成对应幅值后输出；

换路开关，与所述脉冲电源和功率放大器连接，用于切换磁化脉冲电流或者放大后的正弦波退磁电信号给所述磁化退磁线圈，以产生预定强度的磁场，起到切换磁化或退磁功能的目的。

3.根据权利要求1或2所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于：

所述三维样品移动台上设置有步进电机和光栅尺位移传感器；

所述样品台控制器包括：

电机控制器，与所述数据处理控制系统连接，用于接收数据处理控制系统的样品台移动指令生成电机控制信号，并利用所述光栅尺位移传感器反馈的位置信息实现闭环控制样品支撑杆的移动定位；

电机驱动器，与所述电机控制器连接，用于接收电机控制信号并能生成驱动电信号给所述步进电机。

4.根据权利要求3所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述步进电机为三个，分别用于控制样品支撑杆在三个维度上移动。

5.根据权利要求4所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述样品支撑杆水平设置。

6.根据权利要求4所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述样品支撑杆的长度为30cm～100cm。

7.根据权利要求3所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述三维样品移动台及样品支撑杆均选用无磁性材料制作。

8.根据权利要求3所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述步进电机为压电陶瓷电机。

9.根据权利要求1所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述TMR探头阵列、三维样品移动台和磁化退磁线圈均置于磁屏蔽室中。

10.根据权利要求9所述的TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪，其特征在于，所述TMR阵列扫描式岩石磁性检测仪还包括在磁场检测时套设于所述TMR探头阵列以及样品支撑杆外的磁屏蔽筒；

所述磁屏蔽室用于将内部磁场屏蔽至100nT及以下；所述磁屏蔽筒用于将内部磁场屏蔽至10nT及以下。