CN111060861A - 一种原子式磁强计梯度容差校准装置 - Google Patents

一种原子式磁强计梯度容差校准装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原子式磁强计梯度容差校准装置，包括梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统和测控系统；测控系统分别与梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统电连接，并与梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统相距5m以上，所述梯度磁场复现系统产生线性梯度磁场，均匀磁场复现系统产生均匀磁场，测控系统测量所述线性梯度磁场和均匀磁场，为调节磁场大小提供依据；线性梯度磁场和均匀磁场的工作区域中心重合，且均匀磁场和线性梯度磁场的方向一致，为原子式磁强计提供梯度容差校准环境。本发明可用于原子式磁强计梯度容差的校准。

Description

一种原子式磁强计梯度容差校准装置
技术领域
本发明属于电磁场领域，具体涉及一种原子式磁强计梯度容差校准装置。
背景技术
原子式磁强计主要包括质子磁强计、光泵磁强计、激光光泵磁强计等，其特点是磁场测量准确度高、噪声低，其中质子磁强计可用作标准磁强计对恒定弱磁场进行准确测量。我国国家计量科学研究院、国防科技工业弱磁一级计量站保存的恒定弱磁场标准装置，均以质子磁强计作为主标准器。光泵磁强计、激光光泵磁强计是原子式磁强计的重点发展方向，在磁异常探测、空间磁场探测、地质勘探等众多领域有极重要的应用价值。梯度容差是原子式磁强计的指标中非常重要的一项，反应了原子式磁强计在不同工作环境下测量结果准确度的真实水平。
进口的原子式磁强计同样也有“梯度容差”的技术指标，一般为40μT/m，其含义是指在不大于40μT/m的梯度磁场环境下，磁强计均能保证其标称的测量准确度和噪声。但我们在实际应用中发现，磁强计在磁场环境存在梯度时，其测量准确度和噪声指标均会变差，而且环境磁场的梯度越大，其测量精度和噪声指标越差。目前没有手段可对原子式磁强计实际的梯度容差参数进行定量分析，但通过定性推测，当环境磁场梯度达到40μT/m时，其准确度和噪声指标应与说明书标称指标相去甚远。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种原子式磁强计梯度容差校准装置，可用于原子式磁强计梯度容差的校准。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种原子式磁强计梯度容差校准装置，包括梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统和测控系统；
所述测控系统分别与梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统电连接，并与梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统相距5m以上，所述梯度磁场复现系统产生线性梯度磁场，所述均匀磁场复现系统产生均匀磁场，所述测控系统测量所述线性梯度磁场和均匀磁场，为调节磁场大小提供依据；所述线性梯度磁场和均匀磁场的工作区域中心重合，且均匀磁场和线性梯度磁场的方向一致，为原子式磁强计提供梯度容差校准环境。
进一步地，所述梯度磁场复现系统由两组线圈和电流源组成，每组线圈由两个大小不同的圆环线圈组成，两个圆环线圈同轴设置并位于同一平面；同一组内的线圈通过的电流相同，并且与另一组线圈通过的电流方向相反；
电流源向两组线圈供电，在线圈轴线上产生梯度磁场，通过调节电流源输出电流的大小，对产生磁场的梯度大小进行控制。
进一步地，同一组内的大圆环线圈与小圆环线圈的直径比为(2.7～2.8):1，匝数比为(9～10)：1；两组线圈的间距与小环线圈直径的比例为(1.8～2)：1。
进一步地，所述均匀磁场复现系统由两套正交的三轴均匀磁场线圈和六台电流源组成；
两套三轴均匀磁场线圈共用一套线圈支撑框架，每套三轴均匀磁场线圈由相互正交的三个轴系线圈组成，分别对应抵消环境磁场的南北、东西、垂直三个方向的分量磁场，以及在南北、东西、垂直三个方向上产生标准的分量磁场；六台电流源分别为每一个轴系线圈供电。
有益效果：
1、本发明可以产生20μT～100μT的均匀磁场，同时，可在均匀磁场的基础上叠加产生最大40μT/m的梯度磁场，均匀磁场和梯度磁场的量值大小在一定范围内可以任意调节，对原子式磁强计在不同均匀磁场环境下的梯度容差进行校准。
2、本发明限定的圆环线圈尺寸、参数，能够使其产生的梯度磁场线性度好，提供的磁场环境更好，校准准确度更高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为梯度磁场线圈结构示意图；
图3为梯度磁场线圈参数示意图；
其中，1-均匀磁场复现系统，2-梯度磁场复现系统，3-原子式磁强计，4-测控系统，5-连接电缆，6-圆环线圈I，7-圆环线圈II，8-圆环线圈III，9-圆环线圈IV。
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。
本实施例提供了一种原子式磁强计梯度容差校准装置，如图1所示，包括梯度磁场复现系统2、均匀磁场复现系统1和测控系统4。
梯度磁场复现系统2由一套梯度磁场线圈和一台电流源组成，电流源向梯度磁场线圈供电，在线圈轴线上产生梯度磁场，通过调节电流源输出电流的大小，可以对产生磁场的梯度大小进行控制。可在其中心区域内产生0～40μT/m的线性梯度磁场，梯度磁场的大小连续可调，用于校准原子式磁强计3在不同梯度磁场下的噪声、准确度等指标。
如图2所示，梯度磁场复现系统2由两组线圈和电流源组成，每组线圈由两个大小不同的圆环线圈组成，分别为：圆环线圈I6、圆环线圈II7、圆环线圈III8、圆环线圈IV9。圆环线圈I6和圆环线圈III8的直径、匝数相同，圆环线圈II7和圆环线圈IV9的直径、匝数相同。四个线圈同轴，且圆环线圈I6、圆环线圈II7位于同一平面内为一组，圆环线圈III8、圆环线圈IV9位于同一平面内为另一组。同一组内的线圈通过的电流相同，并且与另一组线圈通过的电流方向相反。
电流源向两组线圈供电，在线圈轴线上产生梯度磁场，通过调节电流源输出电流的大小，对产生磁场的梯度大小进行控制。
如图3所示，以圆环线圈I6与圆环线圈II7为例，圆环线圈I6与圆环线圈II7的直径比R1：R2为(2.7～2.8):1，匝数比为W2：W1(9～10)：1；两组线圈的间距2L与圆环线圈II7直径2R1的比例为(1.8～2)：1。
均匀磁场复现系统1产生均匀磁场，用于抵消背景磁场；在校准工作区内实现零磁空间，再根据需要复现均匀磁场。
均匀磁场复现系统1由两套正交的三轴均匀磁场线圈和六台电流源组成。两套三轴均匀磁场线圈共用一套线圈支撑框架，功能分别为抵消环境磁场，以及复现三维标准磁场，两套线圈绕组均绕制在同一线槽内，可以根据需要并排绕制或嵌套绕制。根据环境磁场分量特征，每套三轴均匀磁场线圈由相互正交的三个轴系线圈组成，分别对应抵消环境磁场的南北、东西、垂直三个方向的分量磁场，以及在南北、东西、垂直三个方向上产生标准的分量磁场。
六台恒流源放置在测控系统4内的机柜里面，并与磁场线圈拉开至少5m的距离，其中三台电流源向磁场线圈抵消绕组的三个轴系供电，产生三分量的磁场，磁场大小与环境磁场大小相等，方向相反，即可将校准工作区内的环境磁场抵消为零。另外三台电流源向磁场线圈复现绕组的三个轴系供电，产生三轴均匀恒定磁场，通过调节三个正交磁场的大小和方向，可以控制三轴磁场矢量合成后的总磁场的大小和方向，总磁场的范围为20μT～100μT。
线性梯度磁场和均匀磁场的工作区域中心重合，并且均匀磁场和梯度磁场的方向一致，为原子式磁强计3提供梯度容差校准环境。
测控系统4由电流测量装置和计算机组成，电流测量装置可以是电流表，或是电压表与标准电阻组合使用，通过连接电缆5分别与梯度磁场复现系统2、均匀磁场复现系统1电连接，用于测量均匀磁场线圈和梯度磁场线圈中通过的电流，电流与均匀线圈常数、梯度线圈常数(两个线圈常数均可在说明书或计量证书上查询到)分别相乘，可计算单个轴系产线圈生的均匀磁场和梯度磁场，再由计算机处理得到当前合成的均匀磁场、梯度磁场值大小和磁场方向，为调节磁场大小提供依据。
在校准原子式磁强计3梯度容差时，将原子式磁强计3放置在线圈中心区域的校准工作区内，均匀磁场复现系统1和梯度磁场复现系统2产生同方向的均匀磁场和梯度磁场，测量原子式磁强计3在不同大小的均匀磁场和梯度磁场下的噪声、准确度等指标，实现对原子式磁强计3的梯度容差的校准。
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 (4)

1.一种原子式磁强计梯度容差校准装置，其特征在于，包括梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统和测控系统；
所述测控系统分别与梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统电连接，并与梯度磁场复现系统、均匀磁场复现系统相距5m以上，所述梯度磁场复现系统产生线性梯度磁场，所述均匀磁场复现系统产生均匀磁场，所述测控系统测量所述线性梯度磁场和均匀磁场，为调节磁场大小提供依据；所述线性梯度磁场和均匀磁场的工作区域中心重合，且均匀磁场和线性梯度磁场的方向一致，为原子式磁强计提供梯度容差校准环境。
2.如权利要求1所述的原子式磁强计梯度容差校准装置，其特征在于，所述梯度磁场复现系统由两组线圈和电流源组成，每组线圈由两个大小不同的圆环线圈组成，两个圆环线圈同轴设置并位于同一平面；同一组内的线圈通过的电流相同，并且与另一组线圈通过的电流方向相反；
电流源向两组线圈供电，在线圈轴线上产生梯度磁场，通过调节电流源输出电流的大小，对产生磁场的梯度大小进行控制。
3.如权利要求2所述的原子式磁强计梯度容差校准装置，其特征在于，同一组内的大圆环线圈与小圆环线圈的直径比为(2.7～2.8):1，匝数比为(9～10)：1；两组线圈的间距与小环线圈直径的比例为(1.8～2)：1。
4.如权利要求1所述的原子式磁强计梯度容差校准装置，其特征在于，所述均匀磁场复现系统由两套正交的三轴均匀磁场线圈和六台电流源组成；
两套三轴均匀磁场线圈共用一套线圈支撑框架，每套三轴均匀磁场线圈由相互正交的三个轴系线圈组成，分别对应抵消环境磁场的南北、东西、垂直三个方向的分量磁场，以及在南北、东西、垂直三个方向上产生标准的分量磁场；六台电流源分别为每一个轴系线圈供电。
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