CN110133560B - 一种磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置，属于磁场发生器的技术领域。结构有产生匀强磁场的螺线管(3)、产生梯度磁场的一对梯度线圈(2)以及可调电流源(1)；所述的螺线管(3)，由普通线圈(33)和两端由外向内均缠绕有的一次补偿线圈(31)和二次补偿线圈(32)构成；所述的梯度线圈(2)，两个线圈产生的磁场方向相反，距离为线圈半径的

倍。所述螺线管(3)与所述梯度线圈(2)可以组合缠绕。本发明的磁力仪测量范围与梯度容限指标的测量装置可单独或同时产生磁场强度可调的均匀磁场与梯度可调的梯度磁场，磁场强度分布与磁场梯度分布均匀度高，且装置成本低，制作方便，体积小，适用于室外测试环境。

Description

一种磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置

技术领域

本发明属于磁场发生器的技术领域，具体涉及利用专门设计的装置，在一定范围内产生强度可调的均匀磁场与磁梯度场。此装置可用于标定磁力仪的测量范围与梯度容限等指标。

背景技术

磁力仪是一种弱磁场测量仪器，是研究磁异常测定岩石磁参数的重要仪器，广泛应用于地球物理研究、矿物探测、空间探测、海洋探测与考古等领域。高性能磁力仪的研制对科学研究、国防建设以及工业生产均有重要的意义。

测量范围与梯度容限是磁力仪的两项重要技术指标。需要均匀度较高的可变磁场来标定磁力仪测量范围；需要均匀度较高的可变磁梯度场来标定磁力仪梯度容限，在磁力仪的研制过程中需要频繁的对测量范围与梯度容限指标进行测量。

常见的均匀磁场发生装置有螺线管线圈和亥姆霍兹线圈，亥姆霍兹线圈骨架制作难度较大，体积难以缩小，满足不了实际测试需求。螺线管绕制简单，在长度较长时可以保证管内的磁场均匀度，但是在长度有限的情况下管内的磁场均匀度较低，所以本发明提出一种改进的小型均匀场螺线管。而且为了方便在室外环境中对这两项指标进行评价，本发明公开了一种小体积，在一定范围内可产生强度可调的均匀磁场与磁梯度场的磁场发生装置。

与本发明相近的现有技术为中国知网2016年6月公开的吉林大学王超的硕士学位论文，论文题目是“质子磁力仪的标定研究”。学位论文涉及的装置只有亥姆霍兹线圈，只能对测量范围指标进行测试；学位论文涉及的装置产生磁场的最差梯度可达700nT/m(本发明中的螺线管梯度最差为450nT/m)；学位论文中的亥姆霍兹线圈体积为1.5m*1.5m*0.8m，(本发明中螺线管长为为1m半径0.2m)，体积大携带搬运都不方便。总之，该装置体积大、功能少、磁场均匀度差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种用于在室外测量磁力仪测量范围与梯度容限指标的小型磁场发生器，磁场强度可调范围为：20000nT～120000nT，磁场梯度可调范围：0nT/m～15000nT/m。

为了实现上述目的，本发明采取如下结构，包括：用于产生均匀磁场的螺线管、用于产生梯度磁场的一对梯度线圈以及用于供电的可变电流源。

其中所述用于产生均匀磁场的螺线管，其组成部分包括非磁性材质管状骨架与在外缠绕的铜质线圈组成。

其中所述用于产生梯度磁场的一对梯度线圈，其组成部分包括非磁性材质管状骨架与一对在外缠绕的铜质线圈组成。

所述的梯度线圈，两个圆形线圈的绕向相反距离为半径的

倍，可在其中间产生梯度磁场。

此外本发明提供一种用于提高螺线管内部磁场均匀度的方法，所述方法为，保持中间部分线圈匝数不变，在螺线管的两端增加线圈匝数，对管内部的磁场进行补偿，提高磁场均匀度。使用一种提高螺线管内部磁场均匀度的方法，所述方法为，保持中间部分线圈匝数不变，在螺线管的两端增加线圈匝数。

结合附图归纳出本发明的技术方案如下。

一种磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置，结构有用于产生均匀磁场的螺线管3、用于产生梯度磁场的一对梯度线圈2以及用于供电的可调电流源1；螺线管3由非磁性材质管状骨架与在外缠绕的铜质线圈组成，梯度线圈2由非磁性材质管状骨架与一对在外缠绕的铜质线圈组成；所述的螺线管3，由普通线圈33和两端由外向内均缠绕有的一次补偿线圈31和二次补偿线圈32构成，一次补偿线圈31与二次补偿线圈32的匝数比为30∶12；所述的梯度线圈2，两个线圈产生的磁场方向相反，距离为线圈半径的

倍。

所述的普通线圈33，铜质绕线按段缠绕，每段10匝；相应的螺线管3两个最端头的一次补偿线圈31各缠绕1段，匝数为30匝；相应的邻着一次补偿线圈31缠绕的二次补偿线圈32各有1段，匝数为12匝；普通线圈33、一次补偿线圈31及二次补偿线圈32的各匝线圈按同一方向缠绕。

为了减小外界磁场的干扰同时提高内部磁场均一性，普通线圈33、二次补偿线圈32及一次补偿线圈31的相邻各段之间的连接线采用麻花编织处理。

本发明具有以下优点及有益效果：

1)单独或同时产生磁场强度可调的均匀磁场与梯度可调的梯度磁场，便于研究磁力仪在不同的磁场强度与梯度下的测磁响应；

2)装置体积小，装置主体为长为1m，半径为0.3m的圆柱体，便于搬运；

3)结构简单，制作方便，所述线圈采用常见铜质漆包线，管状骨架可采用尺寸合适的波纹排水管等常见的材料代替；

4)产生的均匀磁场均匀度很高，0.2m×Φ0.1m中心区域梯度范围50nT/m～450nT/m，区域内磁场与轴线磁场相对误差为0.11％；

5)产生的梯度磁场梯度分布均匀度很高，0.2m×Φ0.1m中心区域内磁场梯度与轴线磁场梯度相对误差为1.47％。

附图说明

图1是本发明磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置的总体结构示意图。

图2是图1所示装置的分解图。

图3是本发明磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置的剖面示意图。

图4是本发明中的螺线管3中心区域磁场强度分布仿真结果(横向磁场，纵向磁场及合场)。

图5是本发明中的梯度线圈2中心区域梯度磁场分布仿真结果(横向梯度，纵向梯度及合梯度)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行完整、清楚地描述，另外，所描述的实例为本发明的一种实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，均属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种可以产生强度可变、梯度可变的高均匀度磁场的磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置，下面给出实施例对本发明提供的磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置进行详细描述。

实施例1本发明磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置的总体结构

如图1和图2所示，本发明实施例提供的磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置包括，用于产生梯度磁场的一对梯度线圈2，用于产生均匀磁场的螺线管3以及两通道可调电流源1。梯度线圈2使用两个同轴缠绕的漆包铜线线圈反向串联。螺线管3使用漆包铜线可分段缠绕，为了提高产生磁场的均匀度，可以在螺线管3两端适当增加线圈匝数对中心区域磁场进行补偿。梯度线圈2与螺线管3线圈使用为同轴缠绕，可以分别在两个半径不同的管状骨架上绕制，也可以在同一个管状骨架上绕制。

实施例2本发明磁力仪测量范围与梯度容限指标测量装置的一种具体结构

如图3所示，本实施例的可选方案中，螺线管3线圈共分19段缠绕，每段线圈间距为5cm，普通线圈33位于螺线管3的中部，线圈分为15段，每段匝数为10匝。两段一次补偿线圈31位于螺线管3的两个端头，每段匝数为30匝。两段二次补偿线圈32位于一次补偿线圈31和普通线圈33之间，每段匝数为12匝。一次补偿线圈31，二次补偿线圈32与普通线圈33每段的匝数比例包括但不限于3:1.2:1。段与段间的连接线采用麻花编织处理以减小干扰。

如图3所示，本实施例的可选方案中，梯度线圈2的两个漆包铜线圈的线圈半径为30cm，线圈匝数为15匝，轴向间距与线圈半径的比例包括但不限于

两个梯度线圈2的线圈缠绕方向互为相反。

本实施例的可选方案中，管状骨架可以采用HDPE波纹排水管或其他无磁轻质骨架代替。

实施例3单独使用螺线管3时的均匀磁场

单独使用实施例2给出的螺线管3时，能够在中心区域(20cm×20cm×10cm)产生强度可调的高均匀度的磁场，其中均匀磁场中心区域梯度范围50nT/m～450nT/m。螺线管3通入0.3A电流时区域内磁场与轴线磁场相对误差为0.11％，如附图4所示。

实施例4单独使用梯度线圈2时的梯度磁场

单独使用实施例2给出的梯度线圈2时，可以在中心区域(20cm×20cm×10cm)产生梯度可调的梯度磁场。梯度线圈2通入0.06A电流时可以产生9000nT/m的梯度磁场，如附图5所示，中心区域内磁场梯度与轴线磁场梯度相对误差为1.47％。

实施例5螺线管3和梯度线圈2共同使用时的磁场

两种磁场搭配使用也可以应用于磁力仪测量范围指标与梯度容限指标的评价。螺线管3与梯度线圈2同时产生均匀磁场与梯度磁场，此时磁力仪的探头会同时受到附图4与附图5所示磁场的影响。现有技术的装置仅能单独改变磁场的梯度或者磁场的强度，本发明的装置可以对磁场的梯度与强度同时调节，这样可以对磁力仪在不同磁场强度环境下受到不同磁场梯度影响的测量响应进行研究。

本发明的整体结构与螺线管线圈补偿方式不限于上述实施例所述的情况。上述实施方式只为说明本发明的技术构思与特点，其目的是为了让本领域技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种磁力仪测磁范围与梯度容限指标测量装置，结构有用于产生均匀磁场的螺线管(3)、用于产生梯度磁场的一对梯度线圈(2)以及用于供电的可调电流源(1)；螺线管(3)由非磁性材质管状骨架与在外缠绕的铜质线圈组成，梯度线圈(2)由非磁性材质管状骨架与一对在外缠绕的铜质线圈组成；其特征在于，所述的螺线管(3)，由普通线圈(33)和两端由外向内均缠绕有一次补偿线圈(31)和二次补偿线圈(32)构成，螺线管(3)线圈共分19段缠绕，每段线圈间距为5cm，普通线圈(33)位于螺线管(3)的中部，线圈分为15段，每段匝数为10匝，两段一次补偿线圈(31)位于螺线管(3)的两个端头，每段匝数为30匝，两段二次补偿线圈(32)位于一次补偿线圈(31)和普通线圈(33)之间，每段匝数为12匝；所述的梯度线圈(2)，线圈半径为30cm，线圈匝数为15匝，两个线圈产生的磁场方向相反，距离为线圈半径的

倍。

2.根据权利要求1所述的磁力仪测磁范围与梯度容限指标测量装置，其特征在于，普通线圈(33)、一次补偿线圈(31)及二次补偿线圈(32)的各匝线圈按同一方向缠绕。

3.根据权利要求2所述的磁力仪测磁范围与梯度容限指标测量装置，其特征在于，普通线圈(33)、二次补偿线圈(32)及一次补偿线圈(31)的相邻各段之间的连接线采用麻花编织处理。

Images