本發(fā)明涉及一種應(yīng)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(shù)：

采用高靈敏度磁力儀進(jìn)行弱磁場測量作為獲取磁場信息最新方式，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中可以利用弱磁場的探測進(jìn)行胃磁診斷，心磁腦磁診斷等；在軍事方面可以進(jìn)行船只，飛行器等載體姿態(tài)的測量與控制。高靈敏度矢量磁傳感器能夠比標(biāo)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(dá)到阿特斯拉量級，應(yīng)用前景十分廣闊。

serf原子磁力儀是以超精細(xì)能級原子躍遷為基礎(chǔ)，工作在弱磁環(huán)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(jìn)動頻率遠(yuǎn)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(dá)到弱磁場環(huán)境，磁屏蔽筒在屏蔽干擾磁場的同時也屏蔽掉了外部環(huán)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(shí)際應(yīng)用受限。若要將serf原子磁力儀的高靈敏優(yōu)勢應(yīng)用于野外地學(xué)測量，甚至擴(kuò)展到航空(機(jī)載)、海洋、深地等復(fù)雜環(huán)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(huán)境磁場，三軸磁場線圈是必需的重要構(gòu)件之一。三軸磁場線圈主要有兩方面用途：一是補(bǔ)償環(huán)境磁場，以使原子氣室處于弱磁環(huán)境中；二是產(chǎn)生磁場調(diào)制信號。在生產(chǎn)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(huán)境磁場的補(bǔ)償以及磁場的調(diào)制，進(jìn)而對磁場測量的精度產(chǎn)生影響。因此必須準(zhǔn)確測量每兩軸線圈間的非正交角，以便對線圈驅(qū)動電流進(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)計(jì)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(jìn)行磁場調(diào)制，基于磁力儀bloch動力學(xué)方程的穩(wěn)態(tài)解對磁力儀輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，從而得到穩(wěn)態(tài)解中的各項(xiàng)參數(shù)值，進(jìn)一步通過推導(dǎo)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(qiáng)計(jì)正交校準(zhǔn)方法及裝置，利用磁場投影法，測量正交偏差角度，計(jì)算正交校準(zhǔn)矩陣，解決將三軸矢量磁強(qiáng)計(jì)探頭測量的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)到一個正交坐標(biāo)系內(nèi)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(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，處理過程較為復(fù)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(qiáng)計(jì)探頭的正交校準(zhǔn)是一種行之有效的方法，然而由于磁強(qiáng)計(jì)探頭本身是磁傳感裝置，因此此種方法無法應(yīng)用到三軸磁場線圈的非正交角檢測中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)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(fā)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(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)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(shè)有標(biāo)量磁力儀探頭4，x線圈由驅(qū)動電流源i激勵，y線圈由驅(qū)動電流源ⅱ激勵，z線圈由驅(qū)動電流源ⅲ激勵，標(biāo)量磁力儀探頭4輸出信號通過精密平方運(yùn)算電路6接入鎖相放大器5構(gòu)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(yīng)的驅(qū)動電流源i和驅(qū)動電流源ⅱ，同時確保另一對z線圈對應(yīng)的驅(qū)動電流源ⅲ處于關(guān)閉狀態(tài)；

步驟三、設(shè)置驅(qū)動電流源7和驅(qū)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(qū)動電流幅值根據(jù)線圈參數(shù)設(shè)定，使x線圈和y線圈分別在中心位置產(chǎn)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(shè)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(biāo)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(fù)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(fù)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(fā)明不同于現(xiàn)有的對磁力儀進(jìn)行磁場調(diào)制，并對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，再通過推導(dǎo)得到線圈x軸、y軸非正交角的測量方法，提出一種調(diào)制磁場后直接根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單計(jì)算即可測得非正交角的方法。由于不受serf磁力儀本身?xiàng)l件限制，無需測得大量數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的問題，適用于serf磁力儀在非屏蔽條件下的應(yīng)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(jié)構(gòu)圖

圖2，測量裝置在環(huán)境磁場中的磁矢量示意圖。

圖3，待測線圈在所在平面上產(chǎn)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(jié)構(gòu)圖，1三軸磁場抵消線圈，4標(biāo)量磁力儀探頭，5鎖相放大器，6精密平方運(yùn)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(qū)動電流源i，驅(qū)動電流源ⅱ，驅(qū)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(huán)境磁場中的磁矢量示意圖。圖中bg為環(huán)境磁場，bc為待測的兩軸線圈分別通以正弦電流所產(chǎn)生的合成磁場，圖中橢圓為bc變化的軌跡，以經(jīng)過橢圓中心的橢圓所在平面的法線作為z軸，以環(huán)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(biāo)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(chǎn)生的磁場的示意圖，設(shè)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(chǎn)生的磁場為bc1，線圈c2產(chǎn)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(chǎn)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)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(shè)有標(biāo)量磁力儀探頭4，x線圈由驅(qū)動電流源i激勵，y線圈由驅(qū)動電流源ⅱ激勵，z線圈由驅(qū)動電流源ⅲ激勵，標(biāo)量磁力儀探頭4輸出信號通過精密平方運(yùn)算電路6接入鎖相放大器5構(gòu)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(yīng)的驅(qū)動電流源i和驅(qū)動電流源ⅱ，同時確保另一對z線圈對應(yīng)的驅(qū)動電流源ⅲ處于關(guān)閉狀態(tài)；

步驟三、設(shè)置驅(qū)動電流源ⅰ和驅(qū)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(qū)動電流幅值根據(jù)線圈參數(shù)設(shè)定，使x線圈和y線圈分別在中心位置產(chǎn)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(shè)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(biāo)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(fù)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(fù)步驟二至步驟五，測量x線圈和z線圈非正交角γ。

實(shí)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(shè)有標(biāo)量磁力儀探頭4，x線圈由驅(qū)動電流源i激勵，y線圈由驅(qū)動電流源ⅱ激勵，z線圈由驅(qū)動電流源ⅲ激勵，標(biāo)量磁力儀探頭4輸出信號通過精密平方運(yùn)算電路6接入鎖相放大器5構(gòu)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(yīng)的驅(qū)動電流源i和驅(qū)動電流源ⅱ，同時確保另一對線圈z對應(yīng)的驅(qū)動電流源ⅱ處于關(guān)閉狀態(tài)。

步驟三：設(shè)置驅(qū)動電流源i和驅(qū)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(qū)動電流幅值根據(jù)線圈參數(shù)設(shè)定，使兩對平行線圈分別在中心位置產(chǎn)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(shè)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(biāo)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(fù)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(fù)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(qū)動，磁力儀輸出信號通過由乘法器芯片ad835構(gòu)成的平方運(yùn)算電路接入鎖相放大器sr850。

選定兩軸線圈x、y，開啟驅(qū)動電流源i、ⅱ，關(guān)閉驅(qū)動電流源ⅲ。使兩軸線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度幅值均為5000nt，則按照線圈參數(shù)，平行線圈x的驅(qū)動電流源i輸出幅值設(shè)置為69.77ma，平行線圈y的驅(qū)動電流源ⅱ輸出幅值設(shè)置為56.27ma。電流頻率設(shè)定為1khz，調(diào)整兩電流源觸發(fā)設(shè)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(biāo)量磁力儀探頭4的探測靈敏度為10000nt/v。將測得數(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算可得非正交角α＝88.63°。

選定兩軸線圈y、z,開啟驅(qū)動電流源ⅱ、ⅲ，關(guān)閉驅(qū)動電流源i。使兩軸線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度幅值均為5000nt，則按照線圈參數(shù)，平行線圈y的驅(qū)動電流源ⅱ輸出幅值設(shè)置為56.27ma，平行線圈z的驅(qū)動電流源ⅲ輸出幅值設(shè)置為63.02ma。電流頻率設(shè)定為1khz，調(diào)整兩電流源觸發(fā)設(shè)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(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算可得非正交角β＝89.17°。

選定兩軸線圈x、z,開啟驅(qū)動電流源i、ⅲ，關(guān)閉驅(qū)動電流源ⅱ。使兩軸線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度幅值均為5000nt，則按照線圈參數(shù)，平行線圈x的驅(qū)動電流源i輸出幅值設(shè)置為69.77ma，平行線圈z的驅(qū)動電流源ⅲ輸出幅值設(shè)置為63.02ma。電流頻率設(shè)定為1khz，調(diào)整兩電流源觸發(fā)設(shè)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(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算可得非正交角γ＝89.01°。

本發(fā)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(biāo)量磁力儀探頭，通過特定方式驅(qū)動線圈，對標(biāo)量磁力儀探頭輸出進(jìn)行處理從而得到非正交角。由于不受serf磁力儀本身?xiàng)l件限制，無需測得大量數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的問題，適用于非屏蔽serf原子磁力儀的磁場抵消。