[发明专利]一种基于铜线圈的全张量磁场梯度测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及磁场梯度测量技术领域，特别涉及一种基于铜线圈的全张量磁场梯度测量装置。

背景技术

所谓全张量磁场梯度是指磁场矢量的三个分量沿着三维空间基底方向的变化量。对于全张量磁场梯度信息的测量是以磁传感器为基本单元通过合理的空间排布和适当连接方式而构成的。磁测量技术在科研、医学及国民经济各部门的重要性日益凸显。针对各种磁场测量的不同要求，具有不同优点和性能的磁传感器也层出不穷，如磁通门传感器、GMR、GMI、SQUID、核进动、光泵磁传感器等。

目前刚刚出现且逐渐成熟的全张量矢量磁场梯度计是以SQUID为基本元件组合而成的。由于这种新型的磁场测量带来的全新应用和适应复杂背景的应用，目前国外对中国进行严密的技术封锁，世界上掌握基于SQUID全张量矢量磁场测量技术的国家只有三个，典型代表有：美国特瑞斯坦技术公司(Tristan Technologies，Inc.)研制的三轴SQUID磁力仪(Model G377)[1]，德国耶拿物理学高技术研究所(Institute for Physical High-Technology，IPHT)研制的MAGSAFE系统[2]和澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)研究的GETMAG装置[3,4]。公开的测试数据表明，其磁场梯度探测分辨率在0.01nT/m的量级。然而，SQUID需要在低温下进行工作，使用和维护费用高昂；对应用环境要求也较高，对背景噪声控制要求也高，加上高性能持久耐用的约瑟夫森结(SQUID的核心)制备具有较大的困难，限制了SQUID全张量梯度计的大规模应用。此外，由于磁场梯度张量的测量是通过不同位置传感器测量值的差分来替代理论上的微分而获得的，因此高精度的磁场梯度测量需要在更小的尺度上实现更好。

综上所述，一种高精度、微型化、低成本、宽频响的用于测量全张量磁场梯度传感器有着迫切的科学技术需求和和广泛的工程应用前景。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于铜线圈的全张量磁场梯度测量装置，解决了传统磁场梯度测量装置只能测量磁场单一方向梯度信息的技术缺陷，并提高了磁场分量测量的空间一致性和信息的完整性。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于铜线圈的全张量磁场梯度测量装置，包括：梯度计主体、支撑底座和信号连接接口，其中，所述梯度计主体用于测量空间内各点的全张量磁场及磁场梯度信息，其中，所述全张量磁场及磁场梯度信息包括：全张量矩阵中的5个独立分量所对应的响应梯度值以及中心点的三个磁场矢量值；所述支撑底座用于测量空间磁场梯度时需要进行的水平调节操作；所述信号连接接口用于传递与磁场梯度和中心磁场强度相对应的微弱电压信号。

进一步，所述梯度计主体采用多个正方形无磁骨架缠绕线圈制成构成，每个所述正方形骨架单元尺寸完全相等，且沿空间坐标轴正交分布。

进一步，除原点处的三轴线圈磁传感器单元外，处于同一坐标轴的三轴线圈磁传感器的同一方向探测线圈，采用串联反接的电路连接方式，以抑制测量误差。

进一步，所述三轴线圈磁传感器的每个面上的线圈匝数为20匝。

进一步，所述梯度计主体的测量电压信号引线呈麻花状绞合。

进一步，所述信号连接接口采用串联反接的方式，由X-与X+位置的相同分量面互相串联，对称端口输入和引出，以得到一路磁场张量分量的测量信号。

进一步，采用所述支撑底座进行水平调节操作，包括：调节底座四角上的水平调节螺母，使两个条式水平仪的气泡均处于中间位置。

进一步，所述梯度计主体测量中心点的三个磁场矢量值包括：

将梯度计置于待测磁场中，调节水平并依次测量和记录磁场全张量所对应的电压信号幅值

其中，VG原点处的磁场矢量所对应的电压信号幅值，Vx，Vy，Vz分别为三维方向的电压值；

根据测量的电压信息反演梯度张量和磁场信息，对于原点处的待测磁场

f为原点处的磁场矢量所对应的电压信号的频率，

根据公式则原点处的感应电压的幅值为

进而，待测磁场的幅值用测量信号可以表示为：

其中，Φ是通过线圈有效面积为A、匝数为n的线圈的磁通量，B为磁感应强度，H为磁场强度，μ₀＝4π×10^-7N/A为真空磁导率常数。