CN112881953B - 一种用于极弱剩磁材料的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁性材料测量技术领域，具体地说，涉及一种用于极弱剩磁材料的测量装置，该测量装置包括：矢量磁场传感器(1)、无磁转台(4)和磁补偿装置(2)；矢量磁场传感器(1)与无磁转台(4)位于同一水平面上，相对固定设置在磁补偿装置(2)内；待测目标(3)布设在无磁转台(4)上，矢量磁场传感器(1)与信号处理器(7)通信连接。

Description

一种用于极弱剩磁材料的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于空间探测中的磁性材料测量技术领域，具体地说，涉及一种用于极弱剩磁材料的测量装置及测量方法。

背景技术

在空间探测领域，卫星的剩磁一般都是一种干扰因素，需要进行严格的控制。对不同探测方案要求卫星进行磁洁净的程度不同。高精度地球磁场测绘以及重力测量对材料剩磁的空间要求非常高，甚至达到10^-8Am²的量级。空间探测领域中经常使用的铝、铜、钛都可以认为是无磁材料，实际上这些无磁材料在冶炼和加工中，一些磁性元素的成分或者混入一些磁性的杂质，都会使这些材料带有微弱的剩磁。从材料部件的角度来说，它们的矫顽力和剩磁都很低，表面的磁场低于0.1nT。

传统的极弱材料的剩磁测量的方式主要为：设置一个或者多个磁场传感器布置在待测物周围，通过旋转待测物得到待测物周围的磁场以及随距离的梯度，再利用球谐函数模型或者多偶极子模型反演待测物的剩磁。每个测量点，都要求磁场直流测量。但是，传统的磁场直流测量存在两方面问题：

1)环境磁场极低频的扰动非常复杂，背景噪声太大；

2)所用磁传感器近直流频带的噪声过大；

两者的综合效果，直流测量的分辨率一般只有0.1nT左右。如果待测物剩磁产生的磁场小于0.1nT，则无法分辨。传统的剩磁测量方式无法达到所需要的小于0.1nT的分辨率。

另外，现有的极弱剩磁材料的测量方法，测量最小剩磁的能力一般可以到10^-4Am²。但是，针对空间探测领域，现有的测量方法并不能达到对于微弱磁材料的剩磁的定量测量的10^-8Am²精度；另外，现有的针对微弱磁材料的测量方法，还存在无法避免外部磁场噪声的干扰，以及无法提高剩磁测量的灵敏度的问题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于极弱剩磁材料的测量装置，该测量装置包括：矢量磁场传感器、无磁转台和磁补偿装置；

矢量磁场传感器与无磁转台位于同一水平面上，相对固定设置在磁补偿装置内；待测目标布设在无磁转台上，矢量磁场传感器与信号处理器通信连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述磁补偿装置为磁场屏蔽筒或者地磁补偿线圈。

作为上述技术方案的改进之一，所述测量装置还包括：电机和传动构件；无磁转台与电机通过传动构件传动连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述传动构件为传送皮带或橡胶履带。

作为上述技术方案的改进之一，所述矢量磁场传感器与无磁转台之间的相对距离为1-20cm。

作为上述技术方案的改进之一，所述无磁转台的旋转频率控制在5-30Hz。

本发明还提供了一种用于极弱剩磁材料的测量方法，该方法包括：

定义待测目标的X轴向、Y轴向和Z轴向，并规定其正方向为垂直无磁转台的旋转面向上的方向；

启动电机转动，通过传动构件带动布设在无磁转台上的待测目标在交流频段分别进行X轴向、Y轴向和Z轴向的正方向旋转；

利用矢量磁场传感器分别测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，并分别将其输入至信号处理器；

信号处理器对接收的磁场交流信号进行处理，分别得到X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场；并根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场，反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量，再根据反演得到的偶极子三分量，计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁，完成对极弱剩磁材料的测量。

作为上述技术方案的改进之一，所述信号处理器对接收的磁场交流信号进行处理，分别得到X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场；并根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场，反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量，再根据反演得到的偶极子三分量，计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁，完成对极弱剩磁材料的测量；其具体过程为：

利用矢量磁场传感器测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器，信号处理器对所接收的磁场交流信号进行处理，得到X轴向磁场Bxy；

利用矢量磁场传感器测量待测目标沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器，信号处理器对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Y轴向磁场Byz；

利用矢量磁场传感器测量待测目标沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器，信号处理器对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Z轴向磁场Bzx；

根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场Bxy、Y轴向磁场Byz和Z轴向磁场Bzx，计算待测目标在在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影Axy、Ayz、Azx：

其中，L为待测目标到矢量磁场传感器的距离；

根据计算得到的待测目标在在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影的大小Axy、Ayz、Azx：反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量A_x、A_y、A_z：

再根据公式(5)和得到的A_x、A_y、A_z，计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁A_xyz：

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的方法采用交流调制的方式，将待测目标的直流剩磁特性调整到交流频段，交流的优点和直流完全相对，采用交流频段能够在普通实验室环境，采用简单的磁屏蔽措施，就能将环境磁场降低到1pT以下。通过10s以上交流信号采集，在频谱中识别待测目标的磁场调制信号的分辨率可以达到1pT以下，能够有效地提高剩磁测量的灵敏度。另外，利用矢量磁场传感器交流灵敏度远高于直流的特点，在交流频段测量待测目标的剩磁，能够大大提高剩磁测量的灵敏度，剩磁的极限测量精度可以达到10^-9Am²；另外，还可以有效提高对极弱剩磁材料样品、小型元器件、部组件的剩磁测量精度，可以满足极弱剩磁定量的要求。

附图说明

图1是本发明的一种用于极弱剩磁材料的测量装置的结构示意图；

附图标记：

1、矢量磁场传感器                 2、磁补偿装置

3、待测目标                       4、无磁转台

5、电机                           6、传动构件

7、信号处理器

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供了一种用于极弱剩磁材料的测量装置，具体涉及一种将直流剩磁调制到交流的测量装置及测量方法，利用磁场传感器在交流频带上不易受干扰，而且剩磁测量的灵敏度远高于直流的特点，实现更高精度的剩磁测量。

该测量装置包括：矢量磁场传感器1、无磁转台4、电机5、信号处理器7和磁补偿装置2；

矢量磁场传感器1和无磁转台4相对固定设置在磁补偿装置2内；

矢量磁场传感器1与无磁转台4位于同一水平面上，无磁转台4与电机5通过传动构件6传动连接，待测目标3布设在无磁转台4上；

矢量磁场传感器1与信号处理器7通信连接。

其中，所述磁补偿装置2为磁场屏蔽筒或者地磁补偿线圈；所述传动构件6为传送皮带或橡胶履带。

所述无磁转台4在电机的带动下，可实现高速旋转。

所述无磁转台4的旋转频率控制在5-30Hz。

所述矢量磁场传感器1与无磁转台4之间的相对距离为1-20cm，优选为10-20cm。

所述矢量磁场传感器1为XYZ三分量磁场传感器；该适量磁场传感器的X轴向和Y轴向所在的平面与无磁转台4上的旋转平面位于同一水平面上，且该矢量磁场传感器1的Z轴向与位于无磁转台4上的待测目标的中心对齐。

本发明还提供了一种用于极弱剩磁材料的测量方法，该方法包括：

启动电机，测量空载状态下，矢量磁场传感器1测量的磁场交流谱，确认在旋转频率上无信号；

定义待测目标的X轴向、Y轴向和Z轴向；利用矢量磁场传感器1对待测目标进行X轴向、Y轴向和Z轴向，并规定其正方向方向为垂直无磁转台4的旋转面向上的方向；

启动电机5转动，通过传动构件6带动布设在无磁转台4上的待测目标3在交流频段分别进行X轴向、Y轴向和Z轴向的正方向旋转；

利用矢量磁场传感器1分别测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，并分别将其输入至信号处理器7；

信号处理器7对接收的磁场交流信号进行处理，分别得到X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场；并根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场，反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量，再根据反演得到的偶极子三分量，计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁，完成对极弱剩磁材料的测量。

具体地，利用矢量磁场传感器1测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器7，信号处理器7对所接收的磁场交流信号进行处理，得到X轴向磁场Bxy；

利用矢量磁场传感器1测量待测目标沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器7，信号处理器7对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Y轴向磁场Byz；

利用矢量磁场传感器1测量待测目标沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器7，信号处理器7对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Z轴向磁场Bzx；

根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场Bxy、Y轴向磁场Byz和Z轴向磁场Bzx，计算待测目标3在在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影Axy、Ayz、Azx：

其中，L为待测目标3到矢量磁场传感器(1)的距离；

根据计算得到的待测目标在在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影的大小Axy、Ayz、Azx：反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量A_x、A_y、A_z：

具体地，根据计算得到的待测目标在在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影的大小Azy、Ayz、Azx：

由公式(6)推导，得到公式(4)：

再根据公式(5)和得到的A_x、A_y、A_z，计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁A_xyz：

其中，对得到的测量后的X轴向、Y轴向和Z轴向的交流信号分别进行幅值和相位的分析，判断信号的有效性，拟合计算待测目标3在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影的大小Azy，Ayz，Azx。其中，测量的交流信号的条件包括：X、Y轴测量的交流信号，相位相差π/2，X轴测量的交流幅度是Y轴的2倍，Z轴测量的信号近似为直流。

其中，待测目标的剩磁计算可简化为计算待测目标的偶极子剩磁；由于偶极子剩磁是一个矢量，因此，其也分为X、Y、Z三个分量。如果偶极子剩磁方向与旋转轴完全重合，旋转过程中，磁传感器所有的分量上将看不到任何信号。如果偶极子剩磁方向在旋转面上有投影，则在X、Y方向会看到幅值相差两倍(X轴信号是Y轴信号的2倍)，相位相差90°的交流正弦信号。如果偶极子有明显的偏心，则在Z方向上会看到交流信号，这种情况下，应调整安装待测物，确保偶极子在旋转轴上。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于极弱剩磁材料的测量装置，其特征在于，该测量装置包括：矢量磁场传感器(1)、无磁转台(4)和磁补偿装置(2)；

矢量磁场传感器(1)与无磁转台(4)位于同一水平面上，相对固定设置在磁补偿装置(2)内；待测目标(3)布设在无磁转台(4)上，矢量磁场传感器(1)与信号处理器(7)通信连接；

所述测量装置还包括：电机(5)和传动构件(6)；无磁转台(4)与电机(5)通过传动构件(6)传动连接；

所述测量装置的测量方法包括：

定义待测目标的X轴向、Y轴向和Z轴向，并规定其正方向为垂直无磁转台(4)的旋转面向上的方向；

启动电机(5)转动，通过传动构件(6)带动布设在无磁转台(4)上的待测目标(3)在交流频段分别进行X轴向、Y轴向和Z轴向的正方向旋转；

利用矢量磁场传感器(1)分别测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，并分别将其输入至信号处理器(7)；

所述信号处理器(7)对接收的磁场交流信号进行处理，分别得到X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场；并根据偶极子的球谐函数模型，计算得到待测目标的极弱剩磁的总剩磁，再根据X轴向磁场、Y轴向磁场、Z轴向磁场和总剩磁反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量；其具体过程为：

利用矢量磁场传感器(1)测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器(7)，信号处理器(7)对所接收的磁场交流信号进行处理，得到X轴向磁场Bxy；

利用矢量磁场传感器(1)测量待测目标沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器(7)，信号处理器(7)对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Y轴向磁场Byz；

利用矢量磁场传感器(1)测量待测目标沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器(7)，信号处理器(7)对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Z轴向磁场Bzx；

根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场Bxy、Y轴向磁场Byz和Z轴向磁场Bzx，计算待测目标(3)在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影Axy、Ayz、Azx：

其中，L为待测目标(3)到矢量磁场传感器(1)的距离；

根据计算得到的待测目标在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影的大小Axy、Ayz、Azx：根据下式计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁Axyz：

根据Axy、Ayz、Azx和Axyz反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量A_x、A_y、A_z：

2.根据权利要求1所述的用于极弱剩磁材料的测量装置，其特征在于，所述磁补偿装置(2)为磁场屏蔽筒或者地磁补偿线圈。

3.根据权利要求1所述的用于极弱剩磁材料的测量装置，其特征在于，所述传动构件(6)为传送皮带或橡胶履带。

4.根据权利要求1所述的用于极弱剩磁材料的测量装置，其特征在于，所述矢量磁场传感器(1)与无磁转台(4)之间的相对距离为1-20cm。

5.根据权利要求1所述的用于极弱剩磁材料的测量装置，其特征在于，所述无磁转台(4)的旋转频率控制在5-30Hz。

6.一种用于极弱剩磁材料的测量方法，该方法基于上述权利要求1-5中任一所述的用于极弱剩磁材料的测量装置实现，该方法包括：

定义待测目标的X轴向、Y轴向和Z轴向，并规定其正方向为垂直无磁转台(4)的旋转面向上的方向；

启动电机(5)转动，通过传动构件(6)带动布设在无磁转台(4)上的待测目标(3)在交流频段分别进行X轴向、Y轴向和Z轴向的正方向旋转；

利用矢量磁场传感器(1)分别测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号、沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，并分别将其输入至信号处理器(7)；

所述信号处理器(7)对接收的磁场交流信号进行处理，分别得到X轴向磁场、Y轴向磁场和Z轴向磁场；并根据偶极子的球谐函数模型，计算得到待测目标的极弱剩磁的总剩磁，再根据X轴向磁场、Y轴向磁场、Z轴向磁场和总剩磁反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量；其具体过程为：

利用矢量磁场传感器(1)测量待测目标沿着X轴向的正方向、绕X轴旋转时，在YZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器(7)，信号处理器(7)对所接收的磁场交流信号进行处理，得到X轴向磁场Bxy；

利用矢量磁场传感器(1)测量待测目标沿着Y轴向的正方向、绕Y轴旋转时，在XZ轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器(7)，信号处理器(7)对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Y轴向磁场Byz；

利用矢量磁场传感器(1)测量待测目标沿着Z轴向的正方向、绕Z轴旋转时，在XY轴组成的平面上的剩磁产生的磁场交流信号，将其输入至信号处理器(7)，信号处理器(7)对所接收的磁场交流信号进行处理，得到Z轴向磁场Bzx；

根据偶极子的球谐函数模型，利用得到的X轴向磁场Bxy、Y轴向磁场Byz和Z轴向磁场Bzx，计算待测目标(3)在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影Axy、Ayz、Azx：

其中，L为待测目标(3)到矢量磁场传感器(1)的距离；

根据计算得到的待测目标在旋转平面上的X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子剩磁投影的大小Axy、Ayz、Azx：根据下式计算待测目标的极弱剩磁的总剩磁Axyz：

根据Axy、Ayz、Azx和Axyz反演得到待测目标的极弱剩磁在X轴向、Y轴向和Z轴向上的偶极子三分量A_x、A_y、A_z：

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