磁场稳定系统及稳定磁场的方法

1.本发明涉及磁场检测领域，特别是涉及一种磁场稳定系统及稳定磁场的方法。


背景技术：

2.在磁基准计量领域，为了精确标定高灵敏度的磁传感器性能，需要在地球磁场环境中提供稳定的磁场。
3.磁通门计是一种灵敏度较高的矢量探测器，磁场噪声可达pt/hz
1/2
量级。在磁场测量领域有广泛的应用。超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device，以下简称squid)是目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导squid灵敏度可达1ft(1ft＝10-15
特斯拉)量级，高温超导squid灵敏度也可达10ft量级，是重要的高端应用磁传感器，广泛应用于生物医疗，地球物理探测，以及基础研究等领域。
4.现有的总场稳场系统能达到3-5pt的稳场效果，但是，现有系统只能实现总场稳场，根据磁场总场公式：
[0005][0006]
可知，在总场稳场过程中，只能确保总场b
t
不变，假设x方向矢量bx或者y方向矢量by有一定程度的波动，将造成z方向矢量bz的相应变化，各矢量场相互影响，这是我们所不期望看到的。因此，总场稳场系统只能确保探头附近的小空间内的总场波动较小，无法确保各矢量场方向的磁场波动较小，系统的灵敏度也有待提高。
[0007]
因此，如何同时实现总场和矢量场的稳场，提高磁场灵敏度，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

[0008]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁场稳定系统及稳定磁场的方法，用于解决现有技术中总场稳场的矢量容易波动，磁场灵敏度低的问题。
[0009]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种磁场稳定系统，所述磁场稳定系统至少包括：
[0010]
三轴磁强计，读出模块，总场探测模块，比较模块，反馈模块及三轴补偿线圈；
[0011]
所述三轴磁强计浸没于制冷液体中，并设置于所述三轴补偿线圈中，所述三轴磁强计用于探测水平方向的地球磁场；
[0012]
所述读出模块的输入端连接所述三轴磁强计的输出端，用于读出所述三轴磁强计检测到的两路信号；
[0013]
所述总场探测模块设置于所述三轴补偿线圈的中心，用于探测地球磁场的总场；
[0014]
所述比较模块连接所述总场探测模块的输出端，将所述总场探测模块输出的频率信号与一参考信号进行比较，并输出比较结果；
[0015]
所述反馈模块的输入端连接于所述比较模块及所述读出模块的输出端，并连接所
述三轴补偿线圈，用于将所述总场探测模块及所述三轴磁强计检测到的信号反馈到相应的三轴补偿线圈中；
[0016]
所述三轴补偿线圈基于所述三轴磁强计补偿地球磁场的水平方向的磁场，基于所述总场探测模块补偿所述地球磁场的竖直方向的磁场，以形成总场稳场。
[0017]
可选地，所述总场探测模块采用光泵。
[0018]
可选地，所述三轴磁强计采用磁通门三轴磁强计或巨磁阻传感器三轴磁强计。
[0019]
可选地，所述三轴磁强计采用squid三轴磁强计，所述squid三轴磁强计包括三个squid磁强计，分别设置于三个互相垂直的平面上，与所述三轴补偿线圈的三个轴向对应设置。
[0020]
可选地，所述反馈模块包括三路比例积分微分电路，各比例积分微分电路的输入端分别连接一个轴向的磁强计检测信号、输出端分别连接对应的补偿线圈。
[0021]
更可选地，所述比例积分微分电路包括依次连接的比例放大器、积分器及功率放大器。
[0022]
可选地，所述三轴补偿线圈包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈。
[0023]
更可选地，所述补偿线圈为正多边形或圆形。
[0024]
更可选地，各平面均包括两个补偿线圈，任意平面中的两个补偿线圈分别设置于所述总场探测模块及所述squid三轴磁强计的两侧。
[0025]
可选地，所述制冷液体容置于无磁杜瓦中，所述制冷液体包括液氮或液氦。
[0026]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种稳定磁场的方法，所述稳定磁场的方法至少包括：
[0027]
将总场探测模块设置于三轴补偿线圈的中心，调节所述三轴补偿线圈中调节水平方向磁场的线圈的电流，使水平方向的磁场为零场，保留竖直方向的磁场；
[0028]
所述总场探测模块正常工作，将所述总场探测模块输出的频率信号与一参考信号进行比较，并基于比较结果驱动竖直方向磁场的补偿线圈，产生补偿磁场；
[0029]
将三轴磁强计浸没于所述三轴补偿线圈中心的制冷液体中，调试所述三轴磁强计的工作点，使所述三轴磁强计正常工作；
[0030]
将所述三轴磁强计探测到的水平方向的磁场通过反馈模块反馈至所述三轴补偿线圈中调节水平方向磁场的线圈，实现水平方向的磁场稳场，进而形成总场稳场。
[0031]
如上所述，本发明的磁场稳定系统及稳定磁场的方法，具有以下有益效果：
[0032]
本发明的磁场稳定系统及稳定磁场的方法在总场稳场的基础上，引入另两个方向的矢量稳场，形成矢量-总场联合稳场。本发明的磁场稳定系统及稳定磁场的方法可以应用于磁基准测量中，同时获得磁场总场和分量场的稳定，在磁传感器尤其是矢量磁传感器标定过程中获得良好的应用；该装置也可以应用于其他需要稳定磁场的场合。
附图说明
[0033]
图1显示为本发明的磁场稳定系统的结构示意图。
[0034]
图2显示为本发明的squid三轴磁强计的结构示意图。
[0035]
图3显示为本发明的反馈模块的结构示意图。
[0036]
元件标号说明
[0037]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
磁场稳定系统
[0038]
11
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三轴磁强计
[0039]
11a～11c
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第一～第三squid磁强计
[0040]
12
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读出模块
[0041]
13
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总场探测模块
[0042]
14
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反馈模块
[0043]
141～143
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第一～第三比例积分微分电路
[0044]
1411
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比例放大器
[0045]
1412
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积分器
[0046]
1413
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功率放大器
[0047]
15
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三轴补偿线圈
[0048]
16
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无磁杜瓦
具体实施方式
[0049]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0050]
请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0051]
squid矢量磁场稳定系统相较之总场稳场，不仅能获得稳定的总场，更能确保三个方向的矢量场均能得到稳定，但squid通常需要工作在低温环境(浸泡在液氦)中，与常温下的被测器件间的间距受到一定的限制。
[0052]
本发明在将总场稳场的基础上，引入另两个方向的矢量稳场，形成矢量-总场联合稳场装置，具体方案如下所述。
[0053]
如图1所示，本发明提供一种磁场稳定系统1，所述磁场稳定系统1包括：
[0054]
三轴磁强计11，读出模块12，总场探测模块13，比较模块(图中未显示)，反馈模块14及三轴补偿线圈15。
[0055]
如图1所示，所述三轴磁强计11浸没于制冷液体中，并设置于所述三轴补偿线圈15中，所述三轴磁强计11用于探测水平方向的地球磁场。
[0056]
具体地，所述三轴磁强计11采用包括但不限于磁通门三轴磁强计、巨磁阻传感器三轴磁强计或squid三轴磁强计实现。在本实施例中，所述三轴磁强计11采用squid三轴磁强计实现，如图2所示，所述squid三轴磁强计包括三个squid磁强计，分别设置于三个互相垂直的平面上，与所述三轴补偿线圈的三个轴向对应设置，作为示例，第一squid磁强计11a、第二squid磁强计11b及第三squid磁强计11c分别设置于一正立方体的前表面、上表面及左表面上(三个相互垂直的表面)。各squid磁强计为一个圆环，所述squid磁强计由超导材料制成，用于将检测到的磁强计信号转换为电压信号。
[0057]
具体地，所述squid三轴磁强计工作在使其进入超导状态的低温环境中。所述squid三轴磁强计放置于无磁杜瓦16中，所述无磁杜瓦16中盛放有提供低温环境的制冷液体，所述squid三轴磁强计浸没于所述制冷液体中，以确保所述squid三轴磁强计工作于超导状态。若所述squid三轴磁强计由高温超导材料制成，则所述制冷液体为液氮(温度约为77k)；若所述squid三轴磁强计由低温超导材料制成，则所述制冷液体为液氦(温度约为4.2k)。在实际使用中，所述制冷液体可根据需要替换，不以本实施例为限。
[0058]
如图1所示，所述读出模块12的输入端连接所述三轴磁强计11的输出端，用于读出所述三轴磁强计11检测到的信号。
[0059]
具体地，在本实施例中，所述读出模块12为squid读出模块。所述squid读出模块工作于常温环境中，通过导线与所述squid三轴磁强计相连，采用多通道读出方式调试各squid磁强计的工作点，使各squid磁强计正常工作，并将所述squid三轴磁强计中的squid磁强计检测到的信号进行处理后读出，在本实施例中，仅需读出检测水平方向磁场的两路信号。所述squid读出模块12可采用现有技术中的任意一种squid读出电路实现，在此不对其结构进行一一阐述。
[0060]
如图1所示，所述总场探测模块13设置于所述三轴补偿线圈15的中心，用于探测地球磁场的总场。
[0061]
具体地，在本实施例中，所述总场探测模块13采用光泵实现，在实际使用中，任意可进行总场探测的装置均适用于本发明。
[0062]
如图1所示，所述比较模块连接所述总场探测模块13的输出端，将所述总场探测模块13输出的频率信号与一参考信号进行比较，并输出比较结果。
[0063]
具体地，所述比较模块的差分输入端分别连接所述总场探测模块13的输出端及一计频器(图中未显示)的输出端，将检测到的频率信号与一参考信号进行比较，并将放大后的比较结果输出。
[0064]
如图1所示，所述反馈模块14的输入端连接于所述读出模块12及所述比较模块的输出端、输出端连接所述三轴补偿线圈15，用于将所述三轴磁强计11及所述总场探测模块13检测到的信号反馈到相应的三轴补偿线圈中。
[0065]
具体地，如图3所示，在本实施例中，所述反馈模块14包括第一比例积分微分电路141、第二比例积分微分电路142及第三比例积分微分电路143，各比例积分微分电路的输入端分别连接所述读出电路12的两个输出端及所述比较模块的输出端、输出端分别连接对应的补偿线圈。所述总场探测模块13检测到的信号输入到所述第一比例积分微分电路141的输入端ina，经所述第一比例积分微分电路141处理后输出到所述三轴补偿线圈15中用于调节竖直方向的磁场的补偿线圈上(在本实施例中，位于该方向的补偿线圈包括两个，所述第一比例积分微分电路141的输出端outa连接两个补偿线圈，图1为简化仅连接一个补偿线圈)。所述第一比例积分微分电路141包括比例放大器1411，连接于所述比例放大器1411输出端的积分器1412，及连接于所述积分器1412输出端的功率放大器1413。同理，所述三轴磁强计11检测到的水平方向磁场的信号分别输入所述第二比例积分微分电路142的输入端inb及所述第三比例积分微分电路143的输入端inc，所述第二比例积分微分电路142的输出端outb及所述第三比例积分微分电路143的输出端outc分别连接对应的补偿线圈(squid磁强计与对应补偿线圈平行设置)，所述第二比例积分微分电路142及所述第三比例积分微分
电路143的具体电路结构与所述第一比例积分微分电路141类似，在此不一一赘述。
[0066]
需要说明的是，各比例积分微分电路的结构包括但不限于本实施例所列举，任意能实现比例积分微分的电路结构均适用于本发明。
[0067]
如图1所示，所述三轴补偿线圈15基于所述三轴磁强计11补偿地球磁场的水平方向的磁场，基于所述总场探测模块12补偿所述地球磁场的竖直方向的磁场，以形成总场稳场。
[0068]
具体地，所述三轴补偿线圈15包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈，与所述squid三轴磁强计的三个轴向对应。在本实施例中，各补偿线圈为正方形，且同一轴向上设置两个补偿线圈，分别位于所述三轴磁强计11及所述总场探测模块12的两侧(提高磁场均匀性)；同一轴向的两个补偿线圈的中心在与其轴向垂直的平面上重合，所述三轴补偿线圈15的外轮廓为立方体，所述三轴磁强计11及所述总场探测模块12位于该立方体结构的中心区域。
[0069]
需要说明的是，所述补偿线圈的形状包括但不限于其他环状结构，为提高磁场均匀性，优选为正多边形或圆形。同一轴向上的补偿线圈的数量至少为一个，可根据需要设定补偿线圈的数量，不以本实施例为限。
[0070]
所述磁场稳定系统稳定磁场的方法如下：
[0071]
1)将总场探测模块13设置于三轴补偿线圈15的中心，调节所述三轴补偿线圈15中调节水平方向磁场的线圈的电流，使水平方向的磁场为零场，保留竖直方向的磁场(即地球磁场只剩下竖直方向分量)。
[0072]
需要说明的是，本发明所述的水平方向的磁场为零场是指水平磁场在0
°
附近，与0
°
的差值在预设范围内即认为零场，并非绝对的零场，达到静态稳场即可。预设范围可根据需要具体设定，在此不一一赘述。
[0073]
2)调节所述总场探测模块13以使所述总场探测模块13正常工作，将所述总场探测模块13输出的频率信号与一参考信号进行比较，并基于比较结果驱动竖直方向磁场的补偿线圈，产生补偿磁场。
[0074]
3)将三轴磁强计11浸没于所述三轴补偿线圈15中心的所述无磁杜瓦16中，所述无磁杜瓦16中容置有制冷液体，基于所述读出电路12调试所述三轴磁强计11的工作点，使所述三轴磁强计11正常工作。
[0075]
4)将探测到的水平方向的磁场通过反馈模块14反馈至所述三轴补偿线圈15中调节水平方向磁场的线圈，实现水平方向的磁场稳场，进而形成总场稳场。
[0076]
具体地，将所述三轴磁强计11中探测水平方向磁场的两个squid磁强计输出接入所述反馈模块14的输入端，所述反馈模块14的输出端接入对应反馈线圈；将所述三轴磁强计11放置于所述三轴补偿线圈15的中心位置。在本实施例中，squid三轴磁强计的三轴方向分别与三轴补偿线圈15的方向一致；在实际使用中，squid三轴磁强计中两个轴的方向与所述三轴补偿线圈15中两个产生水平方向磁场的线圈平行即可。随后将整个系统置于安静的地球磁场环境中。
[0077]
具体地，开启所述反馈模块14，并调节其参数，以实现水平方向的磁场稳场，进而达到总场和矢量场同时稳场。
[0078]
需要说明的是，本发明的稳定磁场的方法的步骤不限于本实施例所列举，任意符
合逻辑的步骤的调整能实现本发明的稳定磁场的方法均适用于本发明，在此不一一赘述。
[0079]
本发明采用一个总场探测模块、一套三轴磁强计、反馈模块(三路反馈电路)和一个三轴反馈线圈，实现安静地球磁场环境下的磁场矢量稳场及总场稳场，为弱磁基准装置及其他应用场合提供极度稳定的磁场环境。本发明在获得高度稳定的磁场总场的情况下同时将分量磁场稳定住；同时，光泵为常温工作器件，较之于纯squid三轴稳场方式，能缩短稳场探测器与待测探测器间的距离。
[0080]
综上所述，本发明提供一种磁场稳定系统及稳定磁场的方法，采用两组线圈将地球磁场的水平方向补偿至零场附近(静态稳场)，使之只剩下竖直方向的磁场，继而采用光泵作为总场磁探头，将其输出与一计频器比较，驱动竖直方向的反馈线圈产生与外界波动相反的稳场磁场，形成一套总场稳场系统；在此基础上，采用三轴磁强计(仅使用其水平方向探头)及反馈模块和补偿线圈形成两个水平方向的补偿装置。本发明将工作于低温环境下的squid三轴磁强计放置于补偿线圈中心，检测环境磁场波动并馈送至反馈模块，反馈模块继而驱动补偿线圈产生与环境磁场波动相反的补偿磁场，达到稳定水平方向磁场波动的目的。本发明在传统总场稳场的基础上通过稳场模式升级，改用总场-矢量场联合稳场方式，使系统由总场稳场能力提升为总场及矢量场稳场能力。极大地提升了磁基准装置的稳场性能，为低噪声磁传感器的标定，尤其是矢量传感器的标定提供了一种新手段。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0081]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。