一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，获得磁场值

An active magnetic compensation method for ultra sensitive atomic magnetometer

【技术实现步骤摘要】
一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法
本专利技术属于软件算法和精密测磁等领域，具体涉及一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，适用于原子物理实验，生物医学，精密测量等相关领域研究。
技术介绍
原子磁力计是一种可以媲美超导量子干涉器件(Superconductingquantuminterferencedevice，SQUID)且不需要低温环境的超高灵敏度测磁工具，根据一些相关的文献报道，目前已经将其应用于核磁共振(Nuclearmagneticresonance，NMR)，心磁(Magnetocardiography，MCG)与脑磁(Magnetoencephalography，MEG)，以及磁性材料等的测量。通常地，大多数原子磁力计利用多层高磁导率合金被动式屏蔽环境中磁场，但是，被动式屏蔽的技术和方法限制了原子磁力计的应用范围，例如地磁测量、空间磁场测量、磁异常测量等。因此，需要发展新型主动式磁补偿的原子磁力计以及专利技术新的主动式磁补偿方法，减少或者消除限制主动式磁补偿类型原子磁力计灵敏度主要因素之一的工频磁场噪声，为实现高精度主动式磁补偿类型的原子磁力计奠定基础。常用的主动式磁补偿方法有多种，例如文献“Activeshieldingtoreducelowfrequencydisturbancesindirectcurrentnearbiomagneticmeasurements”[Rev.Sci.Instrum.70,2465(1999)]中利用测磁传感器测量环境中的磁场，PID控制器根据测得磁场产生反馈信号进入电流源，然后，电流源输出电流进入亥姆霍兹线圈产生均匀磁场，实现外界环境磁场补偿。该方法可以实现静态磁场的补偿，但对于工频磁场噪声的补偿效果不显著。文献“ActivecancellationofstraymagneticfieldsinaBose-Einsteincondensationexperiment”[Rev.Sci.Instrum.78,024703(2007)]报道了利用独立的电感线圈来实现工频磁场噪声的补偿，该方法需要挑选具有合适容抗的线圈，具有一定的局限性。在文献“Magneticfieldstabilizationsystemforatomicphysicsexperiments”[Rev.Sci.Instrum.90,044702(2019)]中，报道了利用钙离子作为测磁传感器，并结合正反馈电路实现工频磁场噪声的补偿，然而，该方法仅适用于补偿固定相位的工频磁场噪声。本专利技术提出了一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，包括静态与工频磁场噪声的补偿。利用测磁单元测量环境中的磁场、计算机中磁补偿程序分析测量磁场信号，实时快速提取信号相位与幅值，利用单个电流源与单组亥姆霍兹线圈产生相反磁场，补偿后磁场值小于20nT。本专利技术方法与传统利用比例-积分-微分(Proportion-integral-differential，PID)控制方式进行磁补偿相比较，对工频磁场噪声有更好的衰减效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术和方法存在的问题，提供一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，解决工频磁场噪声和静态磁场噪声的补偿。本专利技术的目的通过以下技术措施实现：一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，包括以下步骤：步骤1、计算机控制DAC转换单元输出线性变化电压Vlin，线性变化电压Vlin经过压控电流源模块作用于亥姆霍兹线圈，测磁单元放置于亥姆霍兹线圈的中心位置，测磁单元测得磁场值Bmag与线性变化电压Vlin进行线性拟合，获得磁场值Bmag与线性变化电压Vlin拟合的斜率k与截距a；步骤2、设定无磁旋转台的旋转速度，亥姆霍兹线圈和测磁单元随着无磁旋转台在水平面内旋转，测磁单元实时测量磁场，获取环境磁场分布数据范围，设定DAC转换单元的输出电压范围＝(环境磁场分布数据范围-a)/k，设定阻尼因子和采样率；步骤3、亥姆霍兹线圈不通入电流；步骤4、测磁单元测量磁场值BN，磁场值BN包括工频磁场噪声aN和静态磁场噪声bN，其中，N表示步骤4和步骤5的当前循环的次数；BN＝aN+bN步骤5、工频磁场噪声幅值|aN|与相位θN采用如下计算方法，其中，Re为工频磁场噪声aN进行频谱变换后的实部，Im为工频磁场噪声aN进行频谱变换后的虚部，f表示需要补偿的工频磁场噪声aN的频率，n表示采样总数，fs表示采样率，i∈{0～(n-1)}，t设定为采样点序号与对应关联的输出序号之间的时间差；步骤6、DAC转换单元输出补偿电压V′N给压控电流源模块，补偿电压V′N通过以下公式获得，vN为静态磁场噪声输出补偿电压，VN为工频磁场噪声输出补偿电压，damping为阻尼因子；W′N＝vN+yN步骤7、重复步骤4～6。本专利技术相对于现有技术和方法，具有以下有益效果：本专利技术适用于静态与工频磁场噪声的补偿，对于测磁单元测磁频带内其它高频磁场噪声均可实现补偿，补偿效果的最终限制因素为测磁单元的磁场分辨率与采样率。相对于传统的PID磁补偿方法补偿速度更快，对工频磁场噪声补偿效果更明显。附图说明图1是本专利技术的总体工作流程方框图；图2是一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法所使用的磁补偿装置结构示意图；1-亥姆霍兹线圈；2-测磁单元；3-支撑台；4-无磁旋转台。图3是补偿前测得磁场结果示意图；图4是进行磁补偿后测得磁场结果示意图。具体实施方式为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图2所示，一种主动式磁补偿装置，包括亥姆霍兹线圈1、测磁单元2、支撑台3、和无磁旋转台4。亥姆霍兹线圈1用于产生均匀磁场，补偿外界环境中的磁场噪声。测磁单元2用于实时测量外界环境中磁场及磁场噪声。支撑台3用于将测磁单元2支撑，并固定在测磁单元2上。无磁旋转台4用于实现测磁单元2测量环境中磁场与磁场噪声的分布，从而确定最佳磁补偿参数。如图2所示，测磁单元2放置于亥姆霍兹线圈1中心位置，本实施例中，亥姆霍兹线圈1边长L为400mm，线圈间距D为218mm。测磁单元2通过支撑台3底端螺纹固定在无磁旋转台4上，亥姆霍兹线圈1与无磁旋转台4之间使用特氟龙螺钉紧密连接与固定。如图1所示，计算机与DAC转换单元的输入端连接，DAC转换单元的输出端与压控电流源的输入端连接，压控电流源的输出端与亥姆霍兹线圈1连接，测磁单元2的输出端与ADC转换单元的输入端连接，ADC转换单元的输出端与计算机连接。一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，包括以下步骤：步骤1、计算机控制DAC转换单元输出线性变化电压Vlin本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、计算机控制DAC转换单元输出线性变化电压V

【技术特征摘要】
1.一种用于超灵敏原子磁力计的主动式磁补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、计算机控制DAC转换单元输出线性变化电压Vlin，线性变化电压Vlin经过压控电流源模块作用于亥姆霍兹线圈(1)，测磁单元(2)放置于亥姆霍兹线圈(1)的中心位置，测磁单元(2)测得磁场值Bmag与线性变化电压Vlin进行线性拟合，获得磁场值Bmag与线性变化电压Vlin拟合的斜率k与截距a；
步骤2、设定无磁旋转台(4)的旋转速度，亥姆霍兹线圈(1)和测磁单元(2)随着无磁旋转台(4)在水平面内旋转，测磁单元(2)实时测量磁场，获取环境磁场分布数据范围，设定DAC转换单元的输出电压范围＝(环境磁场分布数据范围-a)/k，设定阻尼因子和采样率；
步骤3、亥姆霍兹线圈(1)不通入电流；
步骤4、测磁单元(2)测量磁场值BN，磁场值BN包括工频磁场噪声aN和静态磁场噪声bN，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：周欣，肖康达，孙献平，赵修超，王力，娄昕，叶朝辉，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42