一种磁场纹波测量方法及装置

1.本发明涉及一种高精度磁场纹波测量方法及装置，可以应用于各类大型磁场设备(如粒子加速器系统中的电磁铁)磁场纹波的测量，属于磁场测量技术领域。


背景技术：

2.对于大型加速器装置，例如欧洲的大型强子对撞机、德国重离子研究中心的重离子加速器、兰州重离子加速器、以及正在建设中的强流重离子加速器等，束流轨道的稳定性是这些装置运行水平的重要指标。在影响束流轨道稳定性的诸多因素中，磁场纹波的影响尤为突出。磁场纹波会引起束流轨道抖动，从而影响依托于其的加速器装置的实验精度。
3.通常，电磁铁产生的稳恒磁场，总是难以避免地包含一系列频率的纹波成份。可用随时间变化的磁感应强度b(t)表征：其中b0是磁感应强度的稳定值，也是平均值；ω是纹波的某一频率，a
ω
是该频率纹波的幅度，是该频率纹波的相位，t是时间。一般说来，电磁铁磁场纹波的频率从一赫兹以下到几十千赫兹，而且，低频成份幅度较大，对束流轨道的影响也最为显著。对磁场纹波进行测量，提取其幅值、频谱和相位信息，是抑制磁场纹波、提高束流轨道稳定性的先决条件。
4.目前，测量磁场参数的方法主要有霍尔效应法、核磁共振法、感应线圈法等。
5.霍尔效应法和核磁共振法可以直接获得磁感应强度。然而，此类方法速度慢，只能给出一段时间内(零点几秒到几秒)磁场的平均值。虽然可以给出磁场在长时间下的缓慢漂移，但无法给出快速变化的磁场纹波。
6.感应线圈法的物理基础是楞次定律，获得的是变化磁场激发的电动势，对应的是磁感应强度随时间的变化率，即而不是磁场纹波本身。该方法测量结果与磁场纹波的频率相关，对幅度相同、频率不同的纹波，其输出幅度是不同的。对于包含多种复杂未知频率成份、或随时间变化的多种未知频率成份的纹波，该方法的测量结果不直观，不易分析处理，且因其对高频成份过分敏感、对低频成份不灵敏，往往损失低频成份或扭曲其波形。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的是提供一种磁场纹波测量方法及装置，该方法测量得到的是磁场纹波，即实时磁感应强度值与平均值之差，且测量结果与磁场纹波频率无关，对幅度相同、频率不同的纹波，输出幅度是相同。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供一种磁场纹波测量装置，其包括：
10.感应探头和后继电子学系统；
11.所述感应探头放置于待测磁场中，其采用具有中间抽头的感应线圈，且所述中间抽头两侧的感应线圈缠绕方向一致，当以所述中间抽头为测量基准时，待测磁场的纹波产
生的感应电动势在所述感应线圈两端大小相等、极性相反，构成差分信号通过所述感应探头的差分信号端输出到所述后继电子学系统；
12.所述后继电子学系统用于对所述差分信号进行差分放大、积分处理后得到与待测磁场纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号。
13.进一步，所述感应探头采用印刷电路板，所述印刷电路板上设置有感应线圈层，所述感应线圈层包括感应线圈、绝缘基板和金属接地边框，所述感应线圈附着在所述绝缘基板上，所述绝缘基板外侧设置所述金属接地边框，且所述金属接地边框与所述感应线圈之间相互绝缘。
14.进一步，所述印刷电路板上设置有感应线圈段、绝缘基板和金属接地边框，所述感应线圈段附着在所述绝缘基板上，所述绝缘基板外侧设置所述金属接地边框，且所述金属接地边框与所述感应线圈段之间相互绝缘。
15.进一步，所述感应线圈层为一层以上。
16.进一步，当设置多层感应线圈层时，奇数层中的感应线圈从外向内以逆/顺时针方向旋进；偶数层中的感应线圈从内向外旋出，且旋出方向需与奇数层中感应线圈的旋进方向相同；第一感应线圈层中感应线圈旋进的结束端与第二感应线圈层中感应线圈旋出的起始端相连，依次类推，且所述第一感应线圈层中感应线圈旋进的初始端和最后一感应线圈层中感应线圈的结束端分别作为所述感应探头的差分信号端
±
ε(t)，所有相连的感应线圈长度的中点作为所述感应探头的中间抽头。
17.进一步，所述后继电子学系统包括差分放大模块和积分模块；所述差分放大模块用于对所述感应探头输出的差分信号进行差分放大后，输出到所述积分模块；所述积分模块用于对所述差分放大模块输出的信号进行积分处理，得到与纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号。
18.进一步，所述差分放大模块包括仪表放大器、第一保护电阻、第二保护电阻、第一取样电阻、第二取样电阻、第一高频信号滤除电容、第二高频信号滤除电容、拨档电阻；
19.所述仪表放大器的正极输入端上设置有第一保护电阻、第一取样电阻和第一高频信号滤波电容，且所述第一保护电阻的另一端与所述感应探头的差分信号端 ε(t)连接，所述第一取样电阻和第一高频信号滤波电容的另一端接地；
20.所述仪表放大器的负极输入端与正极输入端结构对称，其上设置有第二保护电阻、第二取样电阻和第二高频信号滤波电容，且所述第二保护电阻的另一端与所述感应探头的差分信号端-ε(t)连接，所述第二取样电阻和第二高频信号滤波电容的另一端接地；
21.所述仪表放大器的增益调节端与所述拨挡电阻相连，用于调节所述仪表放大器的放大倍数；
22.所述仪表放大器的输出端作为所述差分放大模块的输出端与所述积分模块连接。
23.进一步，所述积分模块包括运算放大器、第一电压-电流转换电阻、第二电压-电流转换电阻、隔直电容、第一～第四接地保护电阻、积分电阻、积分电容、输出保护电阻；
24.所述运算放大器的负极输入端作为所述积分模块的输入端，经所述第一电压-电流转换电阻、第二电压-电流转换电阻和隔直电容与所述差分放大模块的输出端相连，且所述第一电压-电流转换电阻和第二电压-电流转换电阻一端还分别经所述第一接地保护电阻和第二接地保护电阻接地；
25.所述运算放大器的正极输入端通过所述第三接地保护电阻接地；
26.所述运算放大器的输出端与负极输入端之间还设置有若干个并联所述积分电阻和积分电容，且所述运算放大器的输出端经所述输出保护电阻与相关显示设备连接，经所述第四接地保护电阻接地。
27.第二方面，本发明提供一种磁场纹波测量方法，包括以下步骤：
28.设置一磁场纹波测量装置，其包括感应探头、后继电子学系统；
29.将所述感应探头的差分信号端与后继电子学系统的两个输入端对应连接，同时将后继电子学系统的输出端与显示设备连接；
30.将感应探头放置在待测磁场内，待测磁场的纹波使得感应探头输出差分信号到后继电子学系统；后继电子学系统用于对差分信号进行差分放大、积分处理后得到与待测磁场纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号；采样设备用于对输出信号进行处理，得到待测磁场的纹波测量结果。
31.进一步，所述积分模块得到的测量结果为实时磁感应强度值与平均值之差：
[0032][0033]
式中，b(t)为磁感应强度，b0是磁感应强度的稳定值，也是平均值；ω是纹波的某一频率，a
ω
是该频率纹波的幅度，是该频率纹波的相位，t是时间。
[0034]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0035]
1、本发明的感应探头利用多层印刷电路板实现，具有厚度薄(零点几毫米到一两毫米)、等效面积大(可达几十平米)等优点，感应探头的线圈具有中间抽头，可提供差分信号，在后续处理中可提高信噪比；
[0036]
2、本发明在后继电子学系统中引入差分放大模块，可极大地抑制共模噪声，提高整个装置的信噪比与灵敏度；
[0037]
3、本发明引入了积分模块，测量得到的是磁场纹波，即实时磁感应强度值与平均值之差，输出幅度正比于纹波幅度，与频率无关，有利于捕捉低频纹波成份，可测量0到几十特斯拉磁场的纹波，灵敏度可达1
×
10-10
特斯拉，涵盖的纹波频率从0.1赫兹到300k赫兹；
[0038]
4、本发明测量结果与磁场纹波频率无关，对幅度相同、频率不同的纹波，输出幅度是相同。与感应线圈法相比，本发明能够真实地反映纹波各个频率成份之间的相对强度。
[0039]
因此，本发明可以广泛应用于磁场测量技术领域。
附图说明
[0040]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0041]
图1是是本发明实施例提供的高精度磁场纹波测量方法原理框图；
[0042]
图2是本发明实施例提供的感应探头示意图；
[0043]
图3是本发明实施例提供的为后继电子学系统的电路示意图；
[0044]
图中各附图标记如下：
[0045]
1、感应线圈；2、绝缘基板；3、金属接地板框。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0048]
本发明的一些实施例中提供一种磁场纹波测量装置，包括：感应探头和后继电子学系统；感应探头放置于待测磁场中，其采用具有中间抽头的感应线圈，且中间抽头两侧的感应线圈缠绕方向一致，当以中间抽头为测量基准时，待测磁场的纹波产生的感应电动势在感应线圈两端大小相等、极性相反，构成差分信号通过感应探头的差分信号端输出到后继电子学系统；后继电子学系统用于对差分信号进行差分放大、积分处理后得到与待测磁场纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号。本发明可以广泛应用于各类大型磁场设备(如粒子加速器系统中的电磁铁)磁场纹波的测量领域。
[0049]
与之相对应地，本发明的另一些实施例中还提供一种磁场纹波测量方法。
[0050]
实施例1
[0051]
如图1所示，本实施例提供一种磁场纹波测量装置，其包括：感应探头和后继电子学系统。其中，感应探头放置于待测磁场中，其采用具有中间抽头的感应线圈，且中间抽头两侧的线圈缠绕方向一致，当以中间抽头为测量基准时，待测磁场的纹波产生的感应电动势在感应线圈两端大小相等、极性相反，构成差分信号通过感应探头的差分信号端输出到后继电子学系统；后继电子学系统用于对差分信号进行差分放大和积分处理，得到与待测磁场纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号。
[0052]
优选地，感应探头采用印刷电路板结构，该印刷电路板上设置有一层或多层感应线圈层。
[0053]
优选地，当感应线圈层采用单层结构时，线圈所在的层上设置有感应线圈1、绝缘基板2和金属接地边框3，感应线圈1附着在绝缘基板2上，绝缘基板2外侧设置金属接地边框3，且金属接地边框3与感应线圈段1之间相互绝缘。感应线圈1的两端作为感应探头的差分信号端
±
ε(t)，将感应线圈的中点作为感应探头的中间抽头。
[0054]
优选地，如图2所示，当感应线圈层为多层结构时(例如本实施例采用六层结构)时，该多个感应线圈层之间相互绝缘。
[0055]
优选地，本实施例中，奇数层感应线圈层(即第一层、第三层和第五层)中，感应线圈1从外向内以逆(顺)时针方向旋进；偶数层感应线圈层(即第二层、第四层、第六层)中，感应线圈段1从内向外旋出，旋出方向需与奇数层印刷电路板中感应线圈段1的旋进方向相同。定义感应线圈段旋进或旋出的起始端为头部，结束端为尾部，则各层印刷电路板中感应线圈段1的尾部与下一层印刷电路板中感应线圈段的头部相连，并将第一层中感应线圈段1的头部和最后一层中感应线圈1的尾部作为感应探头的差分信号端
±
ε(t)，将感应线圈长度的中点作为感应探头的中间抽头。
[0056]
优选地，如图1、图3所示，后继电子学系统包括差分放大模块和积分模块，差分放大模块用于对感应探头输出的差分信号进行差分放大后，输出到积分模块；积分模块用于对差分放大模块输出的信号进行积分处理，得到与纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号。
[0057]
优选地，本实施例中，差分放大模块包括仪表放大器(ina)、第一保护电阻r1、第二保护电阻r2、第一取样电阻r3、第二取样电阻r4、第一高频信号滤除电容c1、第二高频信号滤除电容c2、拨档电阻rg等电子元器件。其中，仪表放大器的正极输入端与第一保护电阻r1、第一取样电阻r3和第一高频信号滤除电容c1相连，且第一保护电阻r1的另一端与感应探头的差分信号端 ε(t)连接，第一取样电阻r3和第一高频信号滤除电容c1的另一端接地；仪表放大器的负极输入端与正极输入端结构对称，其上设置有第二保护电阻r2、第二取样电阻r4和第二高频信号滤除电容c2，且第二保护电阻r2的另一端与感应探头的差分信号端-ε(t)连接，第二取样电阻r4和第二高频信号滤除电容c2的另一端接地；仪表放大器的增益调节端与拨档电阻rg相连，以调节仪表放大器的放大倍数；仪表放大器的输出端作为差分放大模块的输出端与积分模块连接。
[0058]
优选地，积分模块包括运算放大器(op)、第一电压-电流转换电阻r5、第二电压-电流转换电阻r8、隔直电容c3、第一～第四接地保护电阻r6、r7、r9和r
11
、积分电阻ri、积分电容ci、输出保护电阻r
10
等电子元器件。运算放大器的负极输入端作为积分模块的输入端，经第一电压-电流转换电阻r5、第二电压-电流转换电阻r8和隔直电容c3与差分放大模块的输出端相连，且第一电压-电流转换电阻r5、第二电压-电流转换电阻r8一端还分别经第一接地保护电阻r6和第二接地保护电阻r7接地；运算放大器的正极输入端通过第三接地保护电阻r9接地；运算放大器的输出端与负极输入端之间还设置有若干个并联积分电阻ri和积分电容ci，且运算放大器的输出端经输出保护电阻r
10
与相关显示设备连接，经第四接地保护电阻r
11
接地。
[0059]
本实施例中感应探头形状、探头线圈的绕向、形状、匝数、线圈所围面积、层数、层之间线圈的连接方式、中间抽头的位置，电路结构、放大器的类型等只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0060]
实施例2
[0061]
基于实施例提供的一种磁场纹波测量装置，本实施例还提供一种磁场纹波测量方法，包括以下步骤：
[0062]
1)将感应探头的中间抽头接地，并将其差分信号端与后继电子学系统的两个输入端对应连接，同时将后继电子学系统的输出端与后续显示设备连接；
[0063]
2)将感应探头放置在待测磁场内，待测磁场的纹波使得感应探头输出差分信号到后继电子学系统；后继电子学系统用于对差分信号进行差分放大、积分处理后得到与待测磁场纹波频率无关、正比于纹波幅度的输出信号。
[0064]
其中，积分模块得到的测量结果为实时磁感应强度值与平均值之差，即：
[0065][0066]
式中，b(t)为磁感应强度，b0是磁感应强度的稳定值，也是平均值；ω是纹波的某一频率，a
ω
是该频率纹波的幅度，是该频率纹波的相位，t是时间。
[0067]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。