標準波動磁場復現裝置及方法

2023-04-23 19:07:16

專利名稱：標準波動磁場復現裝置及方法
技術領域：
發明涉及一種磁場復現裝置和方法，具體涉及一種標準波動磁場復現裝置和方法。
背景技術：
傳統的磁場復現裝置一般分為兩種，恆定磁場復現裝置和交變磁場復現裝置。恆定磁場復現裝置用於復現所需要的恆定磁場，交變磁場復現裝置用於復現所需要的交變磁場，兩類裝置互相獨立，互不發生作用。目前光泵磁強計、質子磁強計需要在標準磁場下評估自身對磁場變化的響應能力，此類磁強計的磁場工作範圍一般在20 ii T IOOii T之間，超出此範圍則儀器無法工作。因此，需要設計一種具備交直流複合磁場特點的變頻穩幅(波動)磁場標準裝置，該裝置需具備能夠產生基於恆定磁場基礎之上實現可調節頻率和幅度波動磁場標準信號輸出能力，輸出標準的複合磁場信號用於此類磁強計磁場變化響應能力的校準工作。傳統的兩種磁場復現裝置都無法滿足復現此類標準磁場的要求。

發明內容
有鑑於此，本發明提供一種標準波動磁場復現裝置和方法，能夠產生基於恆定磁場基礎之上頻率變化、幅度穩定、準確度優於0. 1%的波動磁場標準信號。本發明的標準波動磁場復現裝置包括動軸式波動磁場線圈裝置和波動磁場激勵
>J-U裝直。所述動軸式波動磁場線圈裝置包括波動磁場線圈主體、樣品臺、傾斜調節機構、支撐架和水平旋轉臺。所述傾斜調節機構和波動磁場線圈主體通過支撐架安裝在水平旋轉臺上。所述水平旋轉臺用於調整波動磁場線圈主體的方位角，所述傾斜調節機構調節波動磁場線圈主體與水平旋轉臺之間的傾斜角度。在支撐架表面放置樣品臺，樣品臺用於放置待測設備。所述波動磁場線圈主體為軸對稱的三環三繞組結構，包括三個環形線圈。設三個環形線圈分別為A環、B環和C環，其中B環和C環的直徑相同，均小於A環的直徑。B環和C環對稱的同軸布置在A環的兩側，三個環形線圈依次通過連接杆固結為一個整體。波動磁場線圈主體的磁軸方向與地磁場的磁軸方向相同。所述波動磁場線圈主體每個環形線圈均包括主繞組、地磁修正繞組、補償繞組、線圈骨架和絕緣層。所述主繞組、地磁修正繞組和補償繞組從內到外依次纏繞在線圈骨架上，每個繞組之間通過絕緣層隔離，同時在補償繞組外設置絕緣層。所述波動磁場線圈主體的繞組結構參數為三個環形線圈主繞組的結構比例為A環主繞組與B環、C環主繞組的直徑比為
I 0.756。B環主繞組和C環主繞組之間的間距與A環主繞組的直徑之比為1.31 I。A環主繞組與B環、C環主繞組的匝數比為64 49。三個環形線圈主繞組的繞制方向相同，互相串聯。三個環形線圈地磁修正繞組的具體結構比例為A環地磁修正繞組與B環、C環地磁修正繞組的直徑比為1: 0.8。B環地磁修正繞組和C環地磁修正繞組之間的間距與A環地磁修正繞組的直徑之比為1.2 I。三個環形線圈地磁修正繞組的匝數相同。B環、C環地磁修正繞組的繞制方向與A環地磁修正繞組的繞制方向相反，三個環互相串聯。三個環形線圈補償繞組具體結構比例為A環補償繞組與B環、C環補償繞組的直徑比為1: 0. 796。B環補償繞組和C環補償繞組之間的間距與A環補償繞組的直徑之比為1. 189 I。三個環形線圈補償繞組匝數相同，繞制方向相同，互相串聯。波動磁場激勵裝置包括任意波形發生器、線性功放、信號調理單元、電流精密測量單元和控制軟體。所述任意波形發生器通過信號調理單元與線性功放相連，線性功放與電流測量單元相連，電流測量單元與動軸式波動磁場線圈裝置中的波動磁場線圈主體相連，控制軟體與任意波形發生器相連，同時與電流測量單元互連。所述動軸式波動磁場線圈裝置中還包括磁軸探測器，所述磁軸探測器固定在波動磁場線圈主體的外部框架上，其磁軸軸線平行與波動磁場線圈主體的軸線。所述水平旋轉臺能夠在水平方向360°轉動。所述傾斜調節機構調節波動磁場線圈主體與水平旋轉臺之間的傾斜角的範圍為46。±3。。採用上述裝置復現標準波動磁場的方法為步驟一通過磁軸探測器探測地磁場軸線方向。步驟二 通過水平旋轉臺調整波動磁場線圈主體的方位角，通過傾斜調節機構調節波動磁場線圈主體與水平旋轉臺之間的傾斜角，使波動磁場線圈主體的磁軸方向與步驟一所探測的地磁場的磁軸方向相同。步驟三在控制軟體內設定目標波動磁場的大小和頻率。步驟四控制軟體依據設定的目標波動磁場的大小和頻率控制任意波形發生器輸出正弦信號。同時控制電流精密測量單元切換交流標準電阻組。步驟五任意波形發生器向信號調理單元輸出頻率準確的正弦信號。該正弦信號通過信號調理單元和線性功放，調整為驅動動軸式波動磁場線圈裝置產生波動磁場的電流驅動信號。步驟六信號調理單元將調整後的電流驅動信號發送給電流精密測量單元。步驟七電流精密測量單元測量電流驅動信號的峰值和偏移量，反饋至控制軟體。控制軟體依據其內部的目標波動磁場的大小對任意波形發生器輸出的正弦信號的幅值進行微調，使其與預設的目標波動磁場的大小一致。步驟八電流精密測量單元將電流驅動信號輸出給波動磁場線圈主體中三個環形線圈的主繞組。步驟九波動磁場線圈主體接收到電流驅動信號後產生目標波動磁場。有益效果( I)本發明的波動磁場標準裝置能夠產生和控制恆定、交變複合磁場，從而評估被測對象(包括但不僅限於原子式磁強計)對磁場變化的響應能力。(2)本發明的波動磁場標準裝置產生的波動磁場在調整頻率的過程中，可以保持波動磁場幅度穩定不變，而磁場頻率發生從超低頻到音頻範圍(0.1Hz IkHz)的變化。(3)復現的波動磁場為絕對量總量磁場，包含了地磁對磁場總量的影響，利用了地磁場作為磁場源的一部分，減少了裝置本身的功耗。(4)利用磁軸探測器實現了對地磁磁軸方向的探測，指導調整動軸式波動磁場線圈裝置的磁軸與地磁磁軸方向的平行，並檢測其平行程度。(5)利用一套三環三路繞組結構的波動磁場線圈實現了具有交直流複合變頻特點的波動磁場的輸出，該複合磁場的恆定和交變磁場分量可獨立調整，磁場幅度變化範圍20 u T 100 u T0(6)能夠保證3X 106mm3工作區內的磁場非均勻度優於0. 05%。(7)對不同頻率下的負載阻抗變化，能夠提供幅度穩定的交流電流信號，電流信號的頻率調節範圍為0.1Hz IOOOHz。


圖1為本發明的波動磁場標準裝置的原理框圖；圖2為本發明的動軸式波動磁場線圈裝置的結構示意圖；圖3為動軸式波動磁場線圈裝置繞組的結構示意圖；圖4為波動磁場激勵裝置電路原理示意圖。其中1-水平旋轉臺，2-傾斜調節機構，3-波動磁場線圈主體，4樣品臺，5-支撐架，6-主繞組、7-地磁修正繞組、8-補償繞組、9-線圈骨架、10-絕緣層
具體實施例方式下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。本實施例提供的標準波動磁場復現裝置能夠提供校準原子式(光泵、質子)磁強計響應能力的標準波動磁場信號，其復現的磁場信號由恆定磁場分量和交變磁場分量組成，磁場幅度在20 ii T IOOii T範圍內穩定，且幅度不隨頻率變化而改變，磁場頻率能夠在
0.1Hz IkHz範圍內連續變化。所述標準波動磁場復現裝置的原理如圖1所示，包括動軸式波動磁場線圈裝置和波動磁場激勵裝置。其中動軸式波動磁場線圈裝置包括磁軸探測器、波動磁場線圈主體和磁軸調節臺，如圖2所示。磁軸調節臺用於實現波動磁場線圈裝置的穩固和波動磁場線圈主體的指向角調節。磁軸調節臺包括樣品臺4、傾斜調節機構和水平旋轉臺I。水平旋轉臺I能夠在水平方向360°轉動。傾斜調節機構2和波動磁場線圈主體3通過支撐架5安裝在水平旋轉臺I上，傾斜調節機構用於支撐波動磁場線圈主體，並調節波動磁場線圈主體與水平旋轉臺間的傾斜角度。本實施例中的傾斜調節機構具備傾斜46° ±3°的調節能力。在支撐架5表面放置樣品臺4，用於放置待測設備。水平旋轉臺I和傾斜調節機構2配合調整波動磁場線圈主體3的方位角和傾斜角，使波動磁場線圈的磁軸方向與地磁場的磁軸方向平行，實現地磁場作為部分磁場信號源。磁軸探測器用來判斷波動線圈主體3的軸線與地磁場軸線的平行度。磁軸探測器固定在波動磁場線圈主體2的外部框架上，其磁軸軸線平行與波動磁場線圈主體3的軸線。磁軸探測器通過識別本發明所處位置的地磁方向，測量最大磁感應強度出現的位置，來判斷波動線圈主體軸線與地磁場軸線的平行程度。所述波動磁場線圈主體為軸對稱的三環三繞組結構。設形成波動磁場線圈主體的三個環形線圈分別為A環、B環和C環，其中B環和C環的直徑相同，均小於A環的直徑，B環和C環對稱的同軸布置在A環的兩側，如圖2所示。三個環形線圈依次通過連接杆固結為一個整體，通過傾斜調節機構2調整波動磁場線圈主體的傾斜角，通過水平旋轉臺I調整其方位角。波動磁場線圈主體每個環形線圈包括主繞組6、地磁修正繞組7、補償繞組8、線圈骨架9和絕緣層10。所述主繞組6、地磁修正繞組7、補償繞組8從內到外依次纏繞在線圈骨架9上，每個繞組之間通過絕緣層隔離，同時在補償繞組8外設置絕緣層10，如圖3所示。主繞組6、地磁修正繞組7和補償繞組8分別用於實現波動磁場、修正磁場梯度、補償磁場均勻區。本實施例通過設計波動磁場線圈主體的繞組結構參數，依靠一路線圈繞組輸出具備一定磁場均勻區的交直流複合磁場。波動磁場線圈主體的繞組結構參數具體為(I)三個環形線圈主繞組的結構比例為A環主繞組與B環、C環主繞組的直徑比為1: 0. 756。B環主繞組和C環主繞組之間的間距與A環主繞組的直徑之比為1. 31 I ；A環主繞組與B環、C環主繞組的匝數比為64 49;三個環形線圈主繞組的繞制方向相同，互相串聯。地磁修正繞組的具體結構比例為A環地磁修正繞組與B環、C環地磁修正繞組的直徑比為1: 0. 8;B環地磁修正繞組和C環地磁修正繞組之間的間距與A環地磁修正繞組的直徑之比為1. 2 I ；三個環形線圈地磁修正繞組的匝數相同；B環、C環地磁修正繞組的繞制方向與A環地磁修正繞組的繞制方向相反，三個環互相串聯，地磁修正繞組能夠補償環境磁場梯度引起的磁場均勻區內InT IOOOnT範圍的磁場梯度。(3)三個環形線圈補償繞組具體結構比例為A環補償繞組與B環、C環補償繞組的直徑比為1: 0. 796 ；B環補償繞組和C環補償繞組之間的間距與A環補償繞組的直徑之比為1.189 I ；三個環形線圈補償繞組匝數相同，繞制方向相同，互相串聯。補償繞組能夠補償磁場均勻區內InT IOOOnT範圍的磁場偏移，實現均勻區內的磁場非均勻性小於0. 1%。波動磁場激勵裝置的電路原理如圖4所示，包括任意波形發生器、線性功放、信號調理單元、電流測量單元以及控制軟體。波動磁場激勵裝置通過電流測量與反饋控制技術，實現在負載阻抗變化的情況下，輸出幅度穩定、頻率連續變化的信號。任意波形發生器通過信號調理單元與線性功放相連，線性功放與電流測量單元相連，電流測量單元與動軸式波動磁場線圈裝置中的波動磁場線圈主體相連，控制軟體與任意波形發生器相連，同時與電流測量單元互連。通過上述裝置產生標準波動磁場的過程為步驟一通過磁軸探測器探測地磁場磁軸方向；
步驟二 通過水平旋轉臺I調整波動磁場線圈主體3的方位角，通過傾斜調節機構2調節波動磁場線圈主體3與水平旋轉臺I之間的傾斜角，使波動磁場線圈主體3的磁軸方向與步驟一所探測的地磁場的磁軸方向相同；步驟三在控制軟體內設定目標磁場的大小和頻率，任意波形發生器依據設定的目標磁場設定正弦信號的輸出，同時控制電流精密測量單元依據設定的目標磁場切換交流標準電阻組。步驟四任意波形發生器向信號調理單元輸出頻率準確的正弦信號；該正弦信號通過信號調理單元和線性功放，調整為驅動動軸式波動磁場線圈裝置產生波動磁場的電流驅動信號。步驟五信號調理單元將調整後的電流驅動信號發送給電流精密測量單元，電流精密測量單元利用交流電阻和高速24bitA/D變換器測量電流驅動信號的峰值和偏移量，反饋至控制軟體。控制軟體依據其內部的預設值對任意波形發生器輸出信號的幅值進行微調(使其與預設值一致)，從而實現電流信號的穩定，修正因不同頻率引起電路迴路阻抗變化而動軸式波動磁場線圈裝置中工作電流偏移的影響因素。電流精密測量單元將電流驅動信號輸出給動波動磁場線圈主體3中三個環形線圈的主繞組。步驟六動軸式波動磁場線圈裝置接收到電流驅動信號後產生目標磁場。綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.標準波動磁場復現裝置，其特徵在於，包括動軸式波動磁場線圈裝置和波動磁場激勵裝置； 所述動軸式波動磁場線圈裝置包括波動磁場線圈主體(3)、樣品臺(4)、傾斜調節機構(2)、支撐架(5)和水平旋轉臺(I);所述傾斜調節機構(2)和波動磁場線圈主體(3)通過支撐架(5)安裝在水平旋轉臺(I)上；所述水平旋轉臺(I)用於調整波動磁場線圈主體(3)的方位角，所述傾斜調節機構(2 )調節波動磁場線圈主體(3 )與水平旋轉臺(I)之間的傾斜角度；在支撐架(5)表面放置樣品臺(4)，樣品臺(4)用於放置待測設備； 所述波動磁場線圈主體(3)為軸對稱的三環三繞組結構，包括三個環形線圈；設三個環形線圈分別為A環、B環和C環，其中B環和C環的直徑相同，均小於A環的直徑；B環和C環對稱的同軸布置在A環的兩側，三個環形線圈依次通過連接杆固結為一個整體；波動磁場線圈主體(3)的磁軸方向與地磁場的磁軸方向相同； 所述波動磁場線圈主體(3)每個環形線圈均包括主繞組(6)、地磁修正繞組(7)、補償繞組(8)、線圈骨架(9)和絕緣層(10);所述主繞組(6)、地磁修正繞組(7)和補償繞組(8)從內到外依次纏繞在線圈骨架(9)上，每個繞組之間通過絕緣層隔離，同時在補償繞組(8)外設置絕緣層(10); 所述波動磁場線圈主體(3)的繞組結構參數為 三個環形線圈主繞組的結構比例為A環主繞組與B環、C環主繞組的直徑比為I 0.756 ;B環主繞組和C環主繞組之間的間距與A環主繞組的直徑之比為1.31 I ；A環主繞組與B環、C環主繞組的匝數比為64 49 ;三個環形線圈主繞組的繞制方向相同，互相串聯； 三個環形線圈地磁修正繞組的具體結構比例為A環地磁修正繞組與B環、C環地磁修正繞組的直徑比為1: 0. 8 ;B環地磁修正繞組和C環地磁修正繞組之間的間距與A環地磁修正繞組的直徑之比為1.2 I ;三個環形線圈地磁修正繞組的匝數相同；B環、C環地磁修正繞組的繞制方向與A環地磁修正繞組的繞制方向相反，三個環互相串聯； 三個環形線圈補償繞組具體結構比例為A環補償繞組與B環、C環補償繞組的直徑比為1: 0. 796 ；B環補償繞組和C環補償繞組之間的間距與A環補償繞組的直徑之比為1.189 I ;三個環形線圈補償繞組匝數相同，繞制方向相同，互相串聯； 波動磁場激勵裝置包括任意波形發生器、線性功放、信號調理單元、電流精密測量單元和控制軟體；所述任意波形發生器通過信號調理單元與線性功放相連，線性功放與電流測量單元相連，電流測量單元與動軸式波動磁場線圈裝置中的波動磁場線圈主體相連，控制軟體與任意波形發生器相連，同時與電流測量單元互連。
2.如權利要求1所述的標準波動磁場復現裝置，其特徵在於，所述動軸式波動磁場線圈裝置中還包括磁軸探測器，所述磁軸探測器固定在波動磁場線圈主體(2)的外部框架上，其磁軸軸線平行與波動磁場線圈主體(3)的軸線。
3.如權利要求1和2所述的標準波動磁場復現裝置，其特徵在於，所述水平旋轉臺(I)能夠在水平方向360°轉動。
4.如權利要求1和2所述的標準波動磁場復現裝置，其特徵在於，所述傾斜調節機構(2)調節波動磁場線圈主體(3)與水平旋轉臺(I)之間的傾斜角的範圍為46° ±3°。
5.採用上述裝置復現標準波動磁場的方法，其特徵在於，步驟一通過磁軸探測器探測地磁場磁軸方向； 步驟二 通過水平旋轉臺(I)調整波動磁場線圈主體(3)的方位角，通過傾斜調節機構(2 )調節波動磁場線圈主體(3 )與水平旋轉臺(I)之間的傾斜角，使波動磁場線圈主體(3 )的磁軸方向與步驟一所探測的地磁場的磁軸方向相同； 步驟三在控制軟體內設定目標波動磁場的大小和頻率； 步驟四控制軟體依據設定的目標波動磁場的大小和頻率控制任意波形發生器輸出正弦信號；同時控制電流精密測量單元切換交流標準電阻組； 步驟五任意波形發生器向信號調理單元輸出頻率準確的正弦信號；該正弦信號通過信號調理單元和線性功放，調整為驅動動軸式波動磁場線圈裝置產生波動磁場的電流驅動信號; 步驟六信號調理單元將調整後的電流驅動信號發送給電流精密測量單元； 步驟七電流精密測量單元測量電流驅動信號的峰值和偏移量，反饋至控制軟體；控制軟體 依據其內部的目標波動磁場的大小對任意波形發生器輸出的正弦信號的幅值進行微調，使其與預設的目標波動磁場的大小一致； 步驟八電流精密測量單元將電流驅動信號輸出給波動磁場線圈主體(3)中三個環形線圈的主繞組； 步驟九波動磁場線圈主體(3)接收到電流驅動信號後產生目標波動磁場。
全文摘要
本發明公開一種標準波動磁場復現裝置及方法，該裝置包括動軸式波動磁場線圈裝置和波動磁場激勵裝置。其中動軸式波動磁場線圈裝置包括磁軸探測器、波動磁場線圈主體和磁軸調節臺，波動磁場線圈主體為軸對稱的三環三路繞組結構。波動磁場激勵裝置包括任意波形發生器、線性功放、信號調理單元、電流精密測量單元及控制軟體。波動磁場激勵裝置通過電流測量與反饋控制技術，實現在負載阻抗變化的情況下，輸出幅度穩定、頻率連續變化的信號。該裝置復現的磁場信號由恆定磁場分量和交變磁場分量組成，磁場幅度在20μT～100μT範圍內穩定，且不隨頻率變化而改變，磁場頻率能夠在0.1Hz～1kHz範圍內連續變化。
文檔編號G01R35/00GK103064048SQ201210557008
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者周鷹, 韓曉東, 楊雲 申請人:中國船舶重工集團公司第七一〇研究所