CN1360679A - 用两端固定的丝测量磁场 - Google Patents

Abstract

一种检测磁场的方法和装置,其中丝(1)传导交变电流。通过拾波线圈(L1,L2)检测由穿过丝的磁力梯度引起的丝离开其无扰动位置的位移。用从所述交变电流导出的信号对来自拾波线圈的信号解调,从而产生输出。

Description

用两端固定的丝测量磁场

本发明涉及磁场的测量，具体地说，涉及磁力梯度张量的分量的测量，该测量也称为磁梯度测量。

磁感应强度的空间导数、即在某个局部坐标系OXYZ中取的磁力梯度张量Bij＝Bi/j(ij＝x，y，z)的精确的绝对测量对于在地质勘探、海上及水下导航和探测、陆地和海洋考古以及医学(心磁描记法和脑磁描记法)等领域的进步是十分重要的。关于涉及到地质和考古学的这种重要性的一个原因是，在大部分感兴趣的地区、地球磁场基本上是均匀的，所以磁力梯度测量不受地球磁场的影响。

目前，没有任何现有装置能够直接测量磁力梯度。一种已知的间接方法采用两个或两个以上间隔开的磁强计来测量磁感应强度。求出磁强计得出的各测量值之差并且除以采集读数之处的间隔，从而给出磁力梯度的近似值。磁强计通常相距50cm左右，这使得装置相对较大。此外，要沿其测量梯度的每个方向都需要两台磁强计，这增加了装置的成本。

现有利用SQUIDS(超导量子干涉器件)的磁通梯度计，但是这些需要低温以及经良好均衡的超导拾波线圈，这就限制了他们的实用性和精确性。

本发明利用一种导电丝形式的新颖的敏感元件和适当的传感器来检测磁场，尤其是磁力梯度。

因而，从第一方面来看，本发明提供了用于测量磁场的装置，它包括：

两端固定、在张力下拉紧并且安排成传导电流的丝；

以及检测装置，安排来检测由磁场作用于所述丝上引起的所述线离开不受干扰的位置的横向位移。

用“丝”意在对材料及结构不作具体限制。包括任何能传导电流、能通过磁场使之横向偏移、并且能提供恢复力的伸长元件。

从另一方面来看，本发明提供了测量磁场的方法，它包括：

设置一条两端固定、在张力下拉紧并传导电流的丝；以及

检测所述丝因磁场作用于所述丝上而产生的离开不受干扰的位置的横向位移。

两端固定、无扰动的软丝在空间中形成穿过固定丝的端点的一条纯粹(absolute)线。可任意选择该线作为局部直角坐标系的轴之一、比如Z轴，则选择的另外两轴X和Y位于与该线的方向垂直的平面内。该丝离开此线的任何偏移都是由作用在丝的每单位元件上的、每单位长度的力的横向分量的绝对值引起的。每单位长度的力是由周围的引力场产生的，并且当丝传导电流时，则是由周围的磁场引起的。

例如在上述局部坐标系的y方向上、长度为1的丝相对其无扰动位置的位移y(z，t)、作为单位元件的z位置和时间的函数，可用以下微分方程来描述： $\mathrm{\η}\frac{{\∂}^2}{\∂t^2}y(z,t)+h\frac{\∂}{\∂t}y(z,t)-\mathrm{YA}\frac{\mathrm{\Δ}1}{1}\frac{{\∂}^2}{\∂z^2}y(z,t)----\left(1\right)$

＝-ηg_y(0，t)-ηΓ_yz(0，t)z+I(t)B_x(0，t)+I(t)B_xz(0，t)z

                         +噪声其周边条件与丝的固定端对应，即y(0，t)＝y(1，t)＝0。在此方程中，η表示单位长度的丝的质量，h为单位长度的摩擦系数，参数Y、A和Δ1/1分别为丝的杨氏模数、丝的横截面积和丝的张力。量g_y(0，t)和Γ_yz(0，t)是总的加速度的Y的绝对值和相应的沿丝的磁力梯度张量分量，两个值都是在所选的局部坐标系中心测得的。

量I(t)是流过丝的电流。众所周知，在磁通密度为B(x，y，z)的不均匀磁场中、传导电流I(t)的导体受到的力F＝I(t){n×B(x，y，z)}，其中n是电流方向上、在此情况下即z方向上的单位向量。量B_x(0，t)和B_xz(0，t)则代表磁感应强度的x分量的绝对值和相应的沿着丝的方向的磁力梯度张量分量，二者都是在所选的局部坐标系中心测得的。

在此实例中，为简化对本发明的说明，选择Y方向作为任选示例。但是，前述和以下分析同样适用于任何与丝垂直的方向及任意数目的方向。

对由于丝与磁场和重力场的相互作用而导致的丝的复杂形状应用傅里叶分析，在z＝0到z＝1的范围内，函数y(z，t)可以借助适当的系数c_y(n，t)、用周期为21的正弦函数的无限和来描述。因此，满足以上所示边界条件的方程(1)的解可用以下无限和来表示，其中n中每一项对应于丝的固有振动模式之一 $y(z,t)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_y(n,t)\sin \left(\frac{\mathrm{\Πn}}{1}z\right)----\left(2\right)$

将等式(2)代入方程(1)，两边都乘以sin(πn′z/1)，然后再将两边对z从0到1积分，可得出c_y(n，t)的微分方程 $\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{c}_y(n,t)+\frac{2}{\mathrm{\τ}}\frac{d}{\mathrm{dt}}{c}_y(n,t)+{\mathrm{\ω}}_n^2{c}_y(n,t)=$ $\frac{2}{\mathrm{\Πn}}[{(-1)}^n-1][g_y(0,t)+\frac{1}{\mathrm{\η}}I\left(t\right)B_x(0,t)]----\left(3\right)$ $+{(-1)}^n\frac{21}{\mathrm{\Πn}}[{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ys}}(0,t)+\frac{1}{\mathrm{\η}}I\left(t\right)B_{\mathrm{xz}}(0,t)]$ +噪声其中量 ${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\mathrm{\Πn}}{1}\sqrt{\frac{Y}{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{\Δ}1}{1}}-----\left(4\right)$ 代表丝的固有频率，而τ和ρ分别是丝的张驰时间和容积质量密度。因此，当n＝1时，ω_n代表丝的基本谐振频率。

可以通过沿丝的纵向放置的一个或多个适当的传感器来测量y(和或x)方向上的丝离开其无扰动位置的位移。丝相对于直线的偏移可以用丝的固有模的无限傅里叶和来近似。例如，可以通过光学传感器等来记录和分析丝离开其无扰动位置之间的偏移。按照一种可能性，可以通过相机来记录丝在其偏移位置的图像。

或者，可以用电感应式传感器来检测丝的各部分的位移。通过这种分析，可以计算对于给定时间t₀的值C_y(n，t₀)，从而可依次计算g_y(0，t₀)、Γ_yz(0，t₀)、B_x(0，t₀)和/或B_xz(0，t₀)中任何值。以这种方式，可以用丝来测量磁感应强度和磁力梯度。

但是，当n取偶数值、即对于等式(2)中无限和对应于具有在z＝1/2处的节点的丝的振动模式(反对称模)的那些项，涉及g_y(0，t)和B_x(0，t)的项等于零。因而，当n是偶数时，C_y仅取决于Γ_yz(0，t)和B_xz(0，t)(以及热噪声)。

因此，通过仅仅测量傅里叶和中的反对称模的振幅，可以计算I_yz(0，t₀)和B_xz(0，t₀)。

因此，检测单元可包括关于丝的中点对称的至少两个传感器。这样，可以安排传感器来检测丝在其偏离位置上的反对称固有模的振幅，例如通过找各传感器输出间的差异。在最佳配置中，传感器位于与丝的至少一个反对称固有模的各个波腹对应的各位置上，例如n＝2，这里丝的位移将会最大。

通过丝的电流可以是交变电流。在此情况下，按照方程(1)，丝会受到由磁场中的交变电流所产生的力而引起的受迫振动。方程(1)中B_x和B_xz中的各项在电流I(t)下会随时间而变化，而g_y和Γ_yz中的各项对于准静态重力场会保持恒定。这种差异可用来区分由磁场造成的丝的位移和由重力场造成的位移，从而确定磁场的量值。

有利的是，可以选择交变电流的频率来使丝以其固有模中一种或多种谐振。在这种情况下，可以测量振动幅度，并且如果丝以第n种模谐振，该幅度会等于c_y(n，t)。如以上所说明的，通过c_y(n，t)的值，可以计算g_y(0，t₀)、Γ_yz(0，t₀)、B_x(0，t₀)和/或B_xz(0，t₀)中任何值。

在特别有利的配置中，交变电流的频率可基本上等于丝的反对称固有模之一的频率、即交变电流的频率可以为丝的基波频率的偶数倍(n)。

例如，如果选择通过丝的电流I(t)满足I(t)＝i sin(ω_nt)，其中ω_n是丝的第n种固有模的频率(这里n是偶数)，则丝会受到受迫振动，这会导致丝的谐振。在谐振时，当交变电流的激励力完全抵消了阻尼时，振荡的振幅将由以下表达式给定 $c_y(n,t)=-\frac{1}{n}\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\ω}}_n}\frac{i}{\mathrm{\η}}\frac{1}{n}{B}_{\mathrm{xz}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{n}t\right)----\left(5\right)$

因此，丝在第n种固有模下谐振，并且按照等式(5)，谐振的振幅与磁力梯度B_xz成正比，因而可用于测量该量。例如，可使用位于这种模的波腹、即关于丝的中点对称的传感器来直接测量振幅。

在最佳实施例中，交变电流的频率是丝的基波频率的两倍，即n＝2。

通过任何适当的位移检测装置可以检测丝离开其无扰动位置的偏离。当丝传导交变电流时，检测装置可检测电磁感应造成的丝的位移。在与丝相邻的导体中感应的电流的振幅是丝距该导体的距离的直接函数。因此，在本发明的最佳实施例中，沿丝的纵向安排一个或多个固定的拾波线圈，以起到位移检测装置的作用，每个线圈中感生的电流直接与丝距其无扰动位置的位移有关。

在特别有利的实施例中，位移传感器、例如拾波线圈安排成与丝相邻、在两个不平行最好是正交的平面内，以便能够同时在两个互相垂直的方向上测量丝的位移。

有利的是，可使用该交变电流对来自位移传感器的信号解调。例如，当交变电流的频率是丝的基波频率的偶数倍时，与谐振丝相邻的电磁拾波元件、例如线圈中产生的信号的频率是流过处在其无扰动位置的丝的交变电流产生的信号、即sin(ω_nt)与由于丝的物理振动产生的信号、即作为交变电流函数的积分的-cos(ω_nt)的乘积。这种相乘产生频率为2ω_n的传感器信号。频率为2ω_n的解调参考信号可以从交变电流中产生、以便同步地检测传感器信号。因为两个信号都是由同一信号源产生的，所以确保了频率关系是恒定的。

拾波线圈中由于电磁感应而激发的电压由下列表达式给定：

V_e＝G×B_xz×cos(2ω_nt)                         (6)

其中G是主要的电感性传感器、例如一对拾波线圈的增益。G的值由拾波线圈的几何结构决定，并且与通过丝的电流成比例。

在最佳实施例中，将丝、最好还有检测装置冷却、以便减小热噪声对测量的影响。例如，可以把装置浸入液氮或其他合适的冷却剂的池中。

装置可包括一根以上的丝，例如三根、四根、五根或更多的丝。可把丝安排成互相成任意角度，以便同时测量磁力梯度张量的所有独立元素。

现在仅以举例的方式并且参照附图来描述本发明的一些实施例，其中：

图1是本发明的最佳实施例的一般原理示意图；

图2表示用图1的实施例进行的实例，以及

图3表示借助本发明的第二实施例得到的实验结果。

图1中示出根据本发明的装置的单通道模型。该装置包括软丝1。在此实施例中，该丝的长度l＝26cm，直径为0.25mm，并且以其端点被固定在陶瓷外壳中。所述丝最好是由单位长度质量小、并且抗拉强度相对较高的导线制成。在所示实例中，丝是由合成的镀锌银线构成的，其单位长度质量为0.44×10^-3kgm^-1，而抗拉强度为130000磅/平方英寸(900MNm^-2)。

在竖直方向上将导电丝定向，将两个拾波线圈L1和L2串联，并且直接与低噪放大器A耦合。拾波线圈L1、L2反相连接，使得在每个线圈中感应的一致信号被消除，而相反信号加在一起。这种结构(当在2ω₂的频率下进行解调时)排除了由导电丝1所产生的均匀磁场的影响，当丝1的直线结构未被扰动时，在放大器A的输入端上形成偏移信号。这增加了磁梯度计的动态范围。应当注意，通过丝1的频率为ω₂的交变电流所产生的均匀磁场可随频率ω₂而变化，为此，在2ω₂的频率上通过解调将其去掉。

用来自信号发生器3的正弦电流I(t)＝isin(ω₂t)激励丝1。借助乘法器5和高通滤波器7、用同样的电流形成频率为激励电流频率的两倍即2ω₂的参考信号。激励电流的频率ω₂是丝的基波频率的两倍。参考信号和低噪放大器A的输出是同步检测器9的输入。同步检测器的输出电压V_out与丝1周围的磁力梯度B_xz成正比，是该装置的输出。

丝1和拾波线圈L1、L2位于77K的低温氮池11内。这通过使环境热噪声影响和拾波线圈本身内的Johnson噪声最小化来大大提高了信噪比，以及提高丝1的机械参数的稳定性，特别是其受迫谐振的振幅的稳定性。

在实验条件下测试图1中所示的模型。在陶瓷外壳中把丝拉紧，并且得到484Hz的第二谐振模。使用两个350匝的无芯拾波线圈，耦合到可在市场上得到的Stanford Research Lock-in放大器上，后者具有每根号Hz(root Hz)大约6nV的输入噪声。在双倍的484Hz频率(968Hz)下检测输出信号，并且选择带宽为0.3Hz。

把小磁体移动到实验设施的旁边，并且观察到清楚的磁力梯度信号。在实验过程中，在没有磁体出现的情况下丝被振动和移动。装置不响应这种移动。但是，当使磁体返回时，产生响应磁体位置的DC(直流电流)。

在图2中简明表示的另一实验中，把图1的磁梯度计模型3放置在移动框架上并且沿着磁场源17(图2中以黑点表示)上的2米长的轨道15连续移动。磁场源17产生与Bx×Iz成比例的差动力场，在图2中用箭头19来示意性地表示。模型的大约速度是每秒一厘米。从示波器的屏幕上记录一般的传感器响应，并且在图2中表示成输出电压V_out对时间t的曲线。

因此，实验已清楚表明，针对磁梯度计的丝传感器的差动响应。利用大量生产的HT_c超导量子干涉器件(SQUID)代替低噪放大器A，对磁力梯度的敏感性会增加到这样高的程度，使得容易从适当距离检测例如潜艇或船上保留的财宝。

已经通过实验测试了本发明的另一个实施例，根据它可以得到对磁力梯度的极高的灵敏度而不需使用SQUID。

在所述第二实施例中，丝1是由附加的载频电流激劢的，并且感应耦合到谐振桥路上，后者包括与电容并联、连接到梯度计结构中、并且调谐到载频上的两个拾波线圈。选择此频率远离丝的有效机械带宽，后者通常被限制在几kHz，即使对于非常僵硬的丝。在这种情况下，丝的机械位移给桥路两端的载频电压进行了低频调制(以丝的第二固有模的速度)。

把丝和谐振桥路冷却到77K以降低热噪声对测量的影响。

双锁定方案提供了首先是载波信号的放大和检测，其次是振幅与测量的磁力梯度成比例的低频包络的放大和检测。

在梯度磁场中测试按照本发明的模型测量系统，图3中示出测试结果。上面的曲线表示时域的磁力梯度信号。磁力梯度信号的幅度约为16nT/m，信号频率为O.3Hz，而屏幕标尺是每格10秒。下面的曲线表示磁梯度计输出信号的频谱。信号频率用光标来标明。标尺为每个水平格0.2Hz，每个垂直格10.0dBm。对于这种特定的传感器配置，信噪比的估计值给出每根号Hz大约0.36nT/m的灵敏度阈值。观察到的噪声不是仪器的，但是反映了实验设施周围的磁环境。

Claims (15)

1.一种测量磁场的装置，它包括：

两端固定、在张力下拉紧并且安排成传导电流的丝；以及

检测装置，安排来检测由磁场作用于所述丝引起的所述丝离开无扰动的位置的横向位移。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述检测装置包括关于所述丝的中点纵向对称放置的至少两个传感器。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述丝安排来传导交变电流。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述交变电流的频率基本上等于所述丝的固有反对称模的频率。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述交变电流的所述频率是所述丝的基波频率的两倍。

6.如权利要求3到5中任何一个所述的装置，其特征在于：所述检测装置安排成产生由丝的横向位移引起的检测信号，并且所述装置还包括安排来用解调信号对所述检测信号解调的解调装置，所述解调信号的频率等于所述交变电流的频率的两倍。

7.如以上任何权利要求所述的装置，其特征在于：所述检测装置包括至少一个这样安排的拾波线圈、即在使用时，通过所述丝的所述电流在所述线圈中感生出电流。

8.如以上任何权利要求所述的装置，其特征在于：所述检测装置包括用于在两个不平行平面内检测所述丝的横向位移的装置。

9.一种测量磁场的方法，它包括：

设置两端固定、在张力下拉紧并且安排成传导电流的丝；以及

检测由磁场作用于所述丝引起的所述丝离开无扰动位置的横向位移。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述丝传导交变电流。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述交变电流的所述频率基本上等于所述丝的固有反对称模的频率。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述交变电流的所述频率是所述丝的基波频率的两倍。

13.如权利要求10到12中任何一个所述的方法，其特征在于：检测所述丝的所述横向位移的步骤包括以解调频率对所述丝的所述位移引起的信号解调，所述解调频率是通过所述丝的所述交变电流的频率的两倍。

14.如权利要求9到13中任何一个所述的方法，其特征在于：以电磁方式检测所述丝的所述位移。

15.如权利要求9到14中任何一个所述的方法，其特征在于：在两个不平行平面内检测所述丝的所述位移。

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