非屏蔽SERF原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置及測量方法與流程

本發明涉及一種應用于三軸磁場線圈非正交角檢測方法，尤其適用于serf原子磁力儀在非屏蔽模式下磁場抵消線圈非正交角測量裝置與方法。

背景技術：

采用高靈敏度磁力儀進行弱磁場測量作為獲取磁場信息最新方式，廣泛應用于諸多領域。在現代醫學中可以利用弱磁場的探測進行胃磁診斷，心磁腦磁診斷等；在軍事方面可以進行船只，飛行器等載體姿態的測量與控制。高靈敏度矢量磁傳感器能夠比標量磁傳感器提供更多磁場信息，是測量弱磁場的重要手段。無自旋交換弛豫原子磁力儀(spinexchangerelaxationfreeregime,serf)是目前世界上最靈敏的磁力儀，理論靈敏度可達到阿特斯拉量級，應用前景十分廣闊。

serf原子磁力儀是以超精細能級原子躍遷為基礎，工作在弱磁環境下的精密磁場測量裝置。由于無自旋交換弛豫的基本條件是原子的拉莫爾進動頻率遠小于原子自旋交換碰撞頻率,這就要求原子氣室必須工作在微弱磁場下。然而目前大部分serf原子磁力儀的研究都是采用多層屏蔽筒達到弱磁場環境，磁屏蔽筒在屏蔽干擾磁場的同時也屏蔽掉了外部環境有用信號，另外由于體型龐大的屏蔽筒不易搬移，使其在野外實際應用受限。若要將serf原子磁力儀的高靈敏優勢應用于野外地學測量，甚至擴展到航空(機載)、海洋、深地等復雜環境，則必須消除屏蔽筒帶來的不便。

欲使serf磁力儀擺脫屏蔽筒，則必須采用其他方式抵消環境磁場，三軸磁場線圈是必需的重要構件之一。三軸磁場線圈主要有兩方面用途：一是補償環境磁場，以使原子氣室處于弱磁環境中；二是產生磁場調制信號。在生產過程中，很難保證三對線圈完全正交，而這種非正交性直接影響到環境磁場的補償以及磁場的調制，進而對磁場測量的精度產生影響。因此必須準確測量每兩軸線圈間的非正交角，以便對線圈驅動電流進行補償，從而提高serf原子磁力儀的精度。

cn105301541a公開的一種適用于serf原子磁強計的鞍型線圈x,y軸非正交角的測量裝置與方法，其原理是對磁力儀進行磁場調制，基于磁力儀bloch動力學方程的穩態解對磁力儀輸出數據進行擬合處理，從而得到穩態解中的各項參數值，進一步通過推導得到鞍型線圈x,y軸非正交角。

cn103033786a公開的一種三軸矢量磁強計正交校準方法及裝置，利用磁場投影法，測量正交偏差角度，計算正交校準矩陣，解決將三軸矢量磁強計探頭測量的數據校準到一個正交坐標系內的問題。

上述方法中cn105301541a可直接通過serf原子磁力儀的輸出得到x,y軸非正交角，但也存在一定缺陷。此方法需測得大量數據并對數據進行擬合，處理過程較為復雜。并且只能得到x,y軸間的非正交角，對于x,z與y,z間的非正交角無法測量，有一定的局限性。cn103033786a對于三軸矢量磁強計探頭的正交校準是一種行之有效的方法，然而由于磁強計探頭本身是磁傳感裝置，因此此種方法無法應用到三軸磁場線圈的非正交角檢測中。

技術實現要素：

本發明的目的就在于針對上述現有技術的不足，提出一種針對非屏蔽serf原子磁力儀三軸磁場抵消線圈非正交角測量裝置；

本發明的另一目的是提出一種針對非屏蔽serf原子磁力儀三軸磁場抵消線圈非正交角測量裝置的測量方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置，是由三軸磁場抵消線圈1中心設有標量磁力儀探頭4，x線圈由驅動電流源i激勵，y線圈由驅動電流源ⅱ激勵，z線圈由驅動電流源ⅲ激勵，標量磁力儀探頭4輸出信號通過精密平方運算電路6接入鎖相放大器5構成。

非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置的檢測方法，包括以下步驟：

步驟一、任選三軸磁場抵消線圈1中兩對待測線圈，如x線圈、y線圈；

步驟二、開啟x線圈和y線圈對應的驅動電流源i和驅動電流源ⅱ，同時確保另一對z線圈對應的驅動電流源ⅲ處于關閉狀態；

步驟三、設置驅動電流源7和驅動電流源8，使x線圈和y線圈分別通以頻率相同、相位差90°的正弦激勵電流，電流頻率為ω，驅動電流幅值根據線圈參數設定，使x線圈和y線圈分別在中心位置產生的磁場幅度相等，記為ba；

步驟四、令鎖相放大器5鎖定頻率為2ω的信號，設鎖相放大器5輸出為u0，則待測x線圈和y線圈非正交角α為：

其中，k為標量磁力儀探頭4探測靈敏度；

步驟五、選擇y線圈和z線圈，重復步驟二至步驟五，測量y線圈和z線圈非正交角β；

步驟六、選擇x線圈和z線圈，重復步驟二至步驟五，測量x線圈和z線圈非正交角γ。

有益效果：本發明不同于現有的對磁力儀進行磁場調制，并對輸出數據進行擬合處理，再通過推導得到線圈x軸、y軸非正交角的測量方法，提出一種調制磁場后直接根據數據進行簡單計算即可測得非正交角的方法。由于不受serf磁力儀本身條件限制，無需測得大量數據進行擬合，并且對線圈的三個非正交角均可測量，解決了serf磁力儀實驗中數據校準的問題，適用于serf磁力儀在非屏蔽條件下的應用。

附圖說明

圖1，非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置結構圖

圖2，測量裝置在環境磁場中的磁矢量示意圖。

圖3，待測線圈在所在平面上產生的磁場矢量示意圖。

附圖1是非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置結構圖，1三軸磁場抵消線圈，4標量磁力儀探頭，5鎖相放大器，6精密平方運算電路，三軸磁場抵消線圈1中三對兩兩平行線圈x、y、z，驅動電流源i，驅動電流源ⅱ，驅動電流源ⅲ。

附圖2是非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置工作在環境磁場中的磁矢量示意圖。圖中bg為環境磁場，bc為待測的兩軸線圈分別通以正弦電流所產生的合成磁場，圖中橢圓為bc變化的軌跡，以經過橢圓中心的橢圓所在平面的法線作為z軸，以環境磁場bg在橢圓平面的投影所在的直線作為y軸，建立空間坐標系。bg與xoy平面的夾角為θ。三軸上的磁場分量分別為bx，by，bz。

附圖3是選定的兩軸待測線圈在xoy平面上產生的磁場的示意圖，設所選兩對線圈c1、c2為上述兩對平行線圈x、y和z中的任意兩對，線圈c1產生的磁場為bc1，線圈c2產生的磁場為bc2，c1、c2間的非正交角為α，線圈c1所在軸與x軸夾角為c1、c2所產生的合成磁場在x軸上的分量為bcx，在y軸上的分量為bcy。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明

非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置如圖1所示，是由三軸磁場抵消線圈1中心設有標量磁力儀探頭4，x線圈由驅動電流源i激勵，y線圈由驅動電流源ⅱ激勵，z線圈由驅動電流源ⅲ激勵，標量磁力儀探頭4輸出信號通過精密平方運算電路6接入鎖相放大器5構成。

非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置的檢測方法，包括以下步驟：

步驟一、任選三軸磁場抵消線圈1中兩對待測線圈，如x線圈、y線圈；

步驟二、開啟x線圈和y線圈對應的驅動電流源i和驅動電流源ⅱ，同時確保另一對z線圈對應的驅動電流源ⅲ處于關閉狀態；

步驟三、設置驅動電流源ⅰ和驅動電流源ⅱ，使x線圈和y線圈分別通以頻率相同、相位差90°的正弦激勵電流，電流頻率為ω，驅動電流幅值根據線圈參數設定，使x線圈和y線圈分別在中心位置產生的磁場幅度相等，記為ba；

步驟四、令鎖相放大器5鎖定頻率為2ω的信號，設鎖相放大器5輸出為u0，則待測x線圈和y線圈非正交角α為：

其中，k為標量磁力儀探頭4探測靈敏度；

步驟五、選擇y線圈和z線圈，重復步驟二至步驟五，測量y線圈和z線圈非正交角β；

步驟六、選擇x線圈和z線圈，重復步驟二至步驟五，測量x線圈和z線圈非正交角γ。

實施例1

非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置如圖1所示，是由三軸磁場抵消線圈1中心設有標量磁力儀探頭4，x線圈由驅動電流源i激勵，y線圈由驅動電流源ⅱ激勵，z線圈由驅動電流源ⅲ激勵，標量磁力儀探頭4輸出信號通過精密平方運算電路6接入鎖相放大器5構成。

非屏蔽serf原子磁力儀磁場抵消線圈非正交角測量裝置的檢測方法，包括以下步驟：

步驟一：選定待測兩對磁場抵消線圈，如線圈x、線圈y，圖3中即為c1、c2。

步驟二：開啟選定線圈x和線圈y對應的驅動電流源i和驅動電流源ⅱ，同時確保另一對線圈z對應的驅動電流源ⅱ處于關閉狀態。

步驟三：設置驅動電流源i和驅動電流源ⅱ使兩對平行線圈x和平行線圈y分別通以頻率相同，相位相差90°的正弦激勵電流，電流頻率為ω，驅動電流幅值根據線圈參數設定，使兩對平行線圈分別在中心位置產生的磁場幅度相等，記為ba。

如圖3所示，此時有：

bc1，bc2合成磁場在x軸與y軸上的分量分別為：

則圖2中三軸上的磁場分量分別為：

總的合成磁場模平方為：

步驟四：令鎖相放大器5鎖定頻率為2θ的信號，設鎖相放大器5輸出為u0，則待測平行線圈x和平行線圈y非正交角α為：

其中，k為標量磁力儀探頭4探測靈敏度。

步驟五：選擇另外兩對平行線圈y和平行線圈z，重復步驟二到步驟五，測量平行線圈y和平行線圈z非正交角β。

步驟六：選擇另外兩對平行線圈x和平行線圈z，重復步驟二到步驟五，測量平行線圈x和平行線圈z非正交角γ。

將光泵磁力儀探頭放置在待測三軸亥姆霍茲線圈中心，三軸線圈直徑分別為500mm，560mm，620mm，均為100匝，分別由三臺吉時利6221型電流源驅動，磁力儀輸出信號通過由乘法器芯片ad835構成的平方運算電路接入鎖相放大器sr850。

選定兩軸線圈x、y，開啟驅動電流源i、ⅱ，關閉驅動電流源ⅲ。使兩軸線圈產生的磁場強度幅值均為5000nt，則按照線圈參數，平行線圈x的驅動電流源i輸出幅值設置為69.77ma，平行線圈y的驅動電流源ⅱ輸出幅值設置為56.27ma。電流頻率設定為1khz，調整兩電流源觸發設置，使兩電流源輸出電流相位差為90°。令鎖相放大器5鎖定頻率為2khz，得到輸出信號為5.975mv。標量磁力儀探頭4的探測靈敏度為10000nt/v。將測得數據代入式(5)計算可得非正交角α＝88.63°。

選定兩軸線圈y、z,開啟驅動電流源ⅱ、ⅲ，關閉驅動電流源i。使兩軸線圈產生的磁場強度幅值均為5000nt，則按照線圈參數，平行線圈y的驅動電流源ⅱ輸出幅值設置為56.27ma，平行線圈z的驅動電流源ⅲ輸出幅值設置為63.02ma。電流頻率設定為1khz，調整兩電流源觸發設置，使兩電流源輸出電流相位差為90°。令鎖相放大器5鎖定頻率為2khz，得到輸出信號為3.638mv。將測得數據代入式(5)計算可得非正交角β＝89.17°。

選定兩軸線圈x、z,開啟驅動電流源i、ⅲ，關閉驅動電流源ⅱ。使兩軸線圈產生的磁場強度幅值均為5000nt，則按照線圈參數，平行線圈x的驅動電流源i輸出幅值設置為69.77ma，平行線圈z的驅動電流源ⅲ輸出幅值設置為63.02ma。電流頻率設定為1khz，調整兩電流源觸發設置，使兩電流源輸出電流相位差為90°。令鎖相放大器5鎖定頻率為2khz，得到輸出信號為4.325mv。將測得數據代入式(5)計算可得非正交角γ＝89.01°。

本發明提出一種新的三軸磁場線圈非正交角度檢測方法，即在三軸磁場線圈中心放置一標量磁力儀探頭，通過特定方式驅動線圈，對標量磁力儀探頭輸出進行處理從而得到非正交角。由于不受serf磁力儀本身條件限制，無需測得大量數據進行擬合，使得測量過程簡便易行。并且對于線圈的三個非正交角均可測量，解決了serf磁力儀實驗中數據校準的問題，適用于非屏蔽serf原子磁力儀的磁場抵消。