CN108896945B - 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法 - Google Patents

一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108896945B
CN108896945B CN201810629978.2A CN201810629978A CN108896945B CN 108896945 B CN108896945 B CN 108896945B CN 201810629978 A CN201810629978 A CN 201810629978A CN 108896945 B CN108896945 B CN 108896945B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
magnetometer
sensitivity
atomic magnetometer
tested
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810629978.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108896945A (zh
Inventor
赵小利
史钰峰
任文冠
邵思霈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Institute of Space Electronic Technology
Original Assignee
Shandong Institute of Space Electronic Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Institute of Space Electronic Technology filed Critical Shandong Institute of Space Electronic Technology
Priority to CN201810629978.2A priority Critical patent/CN108896945B/zh
Publication of CN108896945A publication Critical patent/CN108896945A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108896945B publication Critical patent/CN108896945B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0017—Means for compensating offset magnetic fields or the magnetic flux to be measured; Means for generating calibration magnetic fields

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，在传统的三轴恒定磁场线圈中，利用待测原子磁力仪、新增的恒定磁场线圈及信号处理电路B构成二级闭合反馈系统进一步抵消干扰磁场，将环境中的磁场噪声控制在待测原子磁力仪的灵敏度水平；待测原子磁力仪在所述环境下测量磁场波动，并对测量数据进行处理分析获得原子磁力仪的灵敏度指标。本发明能够进一步抵消干扰磁场，将稳恒磁场的噪声水平提高到待测磁力仪的灵敏度量级，进而测得待测原子磁力仪的灵敏度指标。

Description

一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法
技术领域
本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法。
背景技术
原子磁力仪利用了极化后原子的自旋来测量磁场，即测量其最外层电子自旋被极化后的原子在外磁场中的旋进，属于电子旋进磁力仪。原子磁力仪一般采用氦(4He)、气态碱金属元素(85Rb、87Rb、133Cs、39K)和汞蒸气(Hg)作为工作物质，是用于检测微弱磁场的新型磁力仪，具有非常高的灵敏度。原子磁力仪样机完成后需要对其技术指标进行标定，其中一项重要指标就是磁力仪的灵敏度。磁力仪的灵敏度一般采用其噪声功率谱来衡量，表征了磁力仪在不同频率点下可响应的最小量。标定磁力仪的灵敏度时，首先要制备一个高稳定性的恒定磁场，然后将原子磁力仪置于该稳恒磁场中，并连续测量一段时间，自动记录数据，利用数据进行噪声功率谱分析，读取噪声谱本底数据，最终获得磁力仪的灵敏度指标。
为了产生一个稳恒磁场，首先要解决的是地磁场以及外界环境所带来的各种成分复杂的磁场干扰，其次是产生高稳定性的恒定磁场。目前，产生的稳恒磁场的噪声水平在pT量级。但是，当标定的原子磁力仪的灵敏度指标为fT水平，放置于目前所制备的pT量级的稳恒磁场中时，高灵敏度原子磁力仪将不能被准确标定。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，进一步抵消干扰磁场，将稳恒磁场的噪声水平提高到待测磁力仪的灵敏度量级，进而测得待测原子磁力仪的灵敏度指标。
本发明的具体实施方案如下：
一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，在传统的三轴恒定磁场线圈中，利用待测原子磁力仪、新增的恒定磁场线圈及信号处理电路B构成二级闭合反馈系统进一步抵消干扰磁场，将环境中的磁场噪声控制在待测原子磁力仪的灵敏度水平；待测原子磁力仪在所述环境下测量磁场波动，并对测量数据进行处理分析获得原子磁力仪的灵敏度指标。
进一步地，所述三轴恒定磁场线圈包含两套绕组：一套用于抵消地磁场在三轴方向的分量，同时可以在三轴方向设置指定大小的恒定磁场；另一套用于与标准磁力仪、信号处理电路A构成一级闭合反馈系统，实时测量环境磁场波动并对环境磁场进行反馈补偿，抵消干扰磁场，将磁场噪声控制在pT量级水平。
进一步地，所述标准磁力仪采用光泵磁力仪。
有益效果：
1、本发明在原来的三轴恒定磁场线圈中再增加一套恒定磁场线圈，利用待标定的原子磁力仪构成另外一个闭合反馈系统，进一步抵消干扰磁场，将稳恒磁场的噪声水平提高到待测磁力仪的灵敏度量级。满足高灵敏度原子磁力仪的标定需求，进而测得待测原子磁力仪的灵敏度指标。
2、本发明所述的三轴恒定磁场线圈除了可以在三轴方向设置指定大小的恒定磁场外，还能够实时测量环境磁场波动，并通过线圈进行第一级反馈补偿，抵消干扰磁场，确保所设置磁场的稳定性。
3、本发明采用光泵磁力仪作为第一级反馈补偿系统中的测量装备，测量精度高，响应频带宽。
附图说明
图1是本发明方法的测量系统示意图。
其中，1-光泵磁力仪，2-三轴恒定磁场线圈，3-恒定磁场线圈，4-待测原子磁力仪。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，高灵敏度原子磁力仪指的是噪声水平高于pT量级的原子磁力仪，该方法的原理为采用两级补偿的方法，即在原来的三轴恒定磁场线圈中的一个绕组构成的一级补偿系统的内部，新构造一套恒定磁场线圈，利用待标定的原子磁力仪构成另外一个闭合反馈系统，进一步抵消干扰磁场，将环境磁干扰降低到与待测磁力仪自身噪声相当的水平，即产生一个环境磁场噪声接近于或低于fT量级的稳恒磁场，从而满足测试与标定的要求。该套系统的最佳性能与待测磁力仪的技术指标相当。
如图1所示，第一级补偿主要由三轴恒定磁场线圈2、光泵磁力仪1以及信号处理电路A组成。其中，三轴恒定磁场线圈2为1.5m×1.5m×1.5m的方形线圈，高精密电流源为其提供稳恒电流，电流测量模块测量线圈中电流的大小。光泵磁力仪1：其灵敏度为pT量级，标量磁力仪，作为第一级补偿系统的标准磁力仪，用于测量环境磁场，并将数据反馈给三轴恒定磁场线圈2，与第一级闭合反馈系统一起将环境磁场干扰补偿至pT水平。信号处理电路A：进行一级补偿时，用于对测得的磁场数据进行处理和分析。
第二级补偿主要由恒定磁场线圈3、待测原子磁力仪4及信号处理电路B组成。其中恒定磁场线圈3为1m×1m×1m的方形线圈，是第二级补偿系统的主体，只包含一套绕组，高精密电流源为其提供稳恒电流，电流测量模块测量线圈中电流的大小。它的磁场均匀区要求与三轴恒定磁场线圈2的均匀区尽可能重合。待测原子磁力仪4：灵敏度为fT量级，放置于恒定磁场线圈3的均匀区内，有两个功能，一个是作为第二级补偿系统的标准磁力仪，与第二级闭合反馈系统一起将环境磁场噪声补偿至fT水平；另一个是待测的高灵敏度的原子磁力仪。信号处理电路B：进行二级补偿时，用于对测得的磁场数据进行处理和分析。
在原有的三轴恒定磁场线圈2等构成的一级补偿系统的基础上，在其内部新构造一套恒定磁场线圈3，通过无磁工装使两者的磁场中心均匀区最大程度的重合，并采用待测原子磁力仪4作为环境磁干扰测量设备，与新构建的恒定磁场线圈3组成第二级磁补偿系统，将环境磁干扰降低到与待测磁力仪自身噪声相当的水平，从而满足测试与标定的要求。该套系统的最佳性能与待测磁力仪的技术指标相当。
当待测的原子磁力仪的灵敏度指标进行标定时，首先采用磁通门磁力仪测量环境磁场在三轴方向的分量，通过三轴恒定磁场线圈2将三个轴向的分量抵消到零，在中心区形成一个近似“零磁”空间，然后调节该线圈形成一个恒定磁场。开启三轴恒定磁场线圈2的第一级闭合反馈系统，通过光泵磁力仪1实时测量环境磁场波动，由信号处理电路A进行处理分析，然后调节三轴恒定磁场线圈2中的电流大小进行反馈补偿，抵消干扰磁场，将环境磁场噪声补偿到pT水平。
待磁场初步稳定后，开启内层放置的恒定磁场线圈3构成的第二级闭合反馈系统，将环境噪声补偿到与待测原子磁力仪4噪声相当的水平，即fT量级水平。待磁场稳定后，利用待测原子磁力仪4连续测量30分钟，记录数据并利用数据进行快速傅里叶变换和噪声功率谱分析，读取噪声谱本底数据，最终获得待测原子磁力仪4的灵敏度指标。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (2)

1.一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，其特征在于，在传统的三轴恒定磁场线圈中，所述三轴恒定磁场线圈包含两套绕组：一套用于抵消地磁场在三轴方向的分量，同时可以在三轴方向设置指定大小的恒定磁场；另一套用于与标准磁力仪、信号处理电路A构成一级闭合反馈系统，实时测量环境磁场波动并对环境磁场进行反馈补偿，抵消干扰磁场，将磁场噪声控制在pT量级水平；
利用待测原子磁力仪、新增的恒定磁场线圈及信号处理电路B构成二级闭合反馈系统进一步抵消干扰磁场，将环境中的磁场噪声控制在待测原子磁力仪的灵敏度水平，待测原子磁力仪灵敏度为fT量级；待测原子磁力仪在所述环境下测量磁场波动，并对测量数据进行处理分析获得原子磁力仪的灵敏度指标。
2.如权利要求1所述的高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法，其特征在于，所述标准磁力仪采用光泵磁力仪。
CN201810629978.2A 2018-06-19 2018-06-19 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法 Active CN108896945B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810629978.2A CN108896945B (zh) 2018-06-19 2018-06-19 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810629978.2A CN108896945B (zh) 2018-06-19 2018-06-19 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108896945A CN108896945A (zh) 2018-11-27
CN108896945B true CN108896945B (zh) 2020-11-13

Family

ID=64345473

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810629978.2A Active CN108896945B (zh) 2018-06-19 2018-06-19 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108896945B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112450935B (zh) * 2020-10-15 2022-10-11 浙江工业大学 一种基于无屏蔽原子磁力仪的心磁测量方法和系统

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4218128B2 (ja) * 1999-05-20 2009-02-04 株式会社島津製作所 磁気遮蔽装置
WO2011063510A1 (en) * 2009-11-27 2011-06-03 Geo Equipment Manufacturing Ltd. Receiver coil assembly for airborne geophysical surveying with noise mitigation
CN202031580U (zh) * 2011-04-02 2011-11-09 北京工业大学 一种mwd定向探管有源磁场标定仪器
JP2013036941A (ja) * 2011-08-10 2013-02-21 Yamaha Corp 磁気センサの検査装置及び検査方法
CN103245928B (zh) * 2013-05-23 2015-09-16 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的方法及装置
CN103415196B (zh) * 2013-08-07 2016-06-22 北京航空航天大学 一种小型原子磁屏蔽与磁操控装置
CN106772134B (zh) * 2017-03-01 2019-05-21 中国科学院武汉物理与数学研究所 一种自动磁场补偿的装置与方法
CN107121655B (zh) * 2017-04-19 2020-03-17 吉林大学 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

Also Published As

Publication number Publication date
CN108896945A (zh) 2018-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ripka Advances in fluxgate sensors
CN209432986U (zh) 基于亥姆霍兹线圈的矢量闭环补偿式三轴磁场传感器探头
Li et al. Multilayer cylindrical magnetic shield for SERF atomic co-magnetometer application
Fan et al. A three-axis atomic magnetometer for temperature-dependence measurements of fields in a magnetically shielded environment
Can et al. Design of ring core fluxgate magnetometer as attitude control sensor for low and high orbit satellites
CN113687283B (zh) 一种用于材料极微弱磁性定量检测的装置及方法
Ma et al. A novel low-noise Mu-metal magnetic shield with winding shape
Bai et al. Research on an improved resonant cavity for overhauser geomagnetic sensor
CN108896945B (zh) 一种高灵敏度原子磁力仪的灵敏度指标标定方法
Xu et al. Magnetic target linear location method using two-point gradient full tensor
Zikmund et al. Precise scalar calibration of a tri-axial Braunbek coil system
CN116466277A (zh) 复杂工况下非晶/纳米晶合金铁心的磁致伸缩特性测试装置和方法
Li et al. In situ simultaneous measurement of magnetic coil constants and nonorthogonal angles using atomic magnetometers
CN116106610A (zh) 一种tmr电流传感器及设计方法
Setiadi et al. Inductance analyzer based on auto-balanced circuit for precision measurement of fluxgate impedance
Ge et al. Modeling and reduction of the initial orientation error of a coil vector magnetometer
Ge et al. A Novel Coil-Based Overhauser Vector Magnetometer for the Automatic Measurement of Absolute Geomagnetic Total Field and Directions
Dinale Magnetic Test Facility-Sensor and Coil Calibrations.
Weyand Maintenance and dissemination of the magnetic field unit at PTB
Cui et al. Development of electromagnetic tomography system using LCR meter
Riveros et al. Design, implementation and experimental characterisation of a high sensitivity GMI gradiometer with an interference compensation system
Neronov et al. Development and study of a pulsed magnetic induction meter based on nuclear magnetic resonance for high magnetic fields
Sokol-Kutylovskii Magnetomodulation sensors based on amorphous ferromagnetic alloys
CN114234951B (zh) 一种基于核自旋极化抑制的serf惯性装置磁场波动测试方法
Belyakov et al. Development of the Standards Base in the Field of Measurements of Magnetic Induction and Magnetic Flux

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant