弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置及方法。车厢中放置三个相同的磁屏蔽筒，其中都含有同轴的线圈，线圈系数相等，中心的磁场均匀区都放置磁力仪，三个线圈串联，使三个线圈内通入的电流相等；第一磁屏蔽筒、线圈及内部的铯光泵磁力仪用于实现恒流源功能，铯光泵磁力仪用于测量并输出载流线圈产生磁场对应的正弦自激振荡信号；第二个磁屏蔽筒、线圈及内部的抽运

【技术实现步骤摘要】
弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置及方法


[0001]本专利技术涉及弱磁测量
，具体涉及弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置及方法。

技术介绍

[0002]磁场测量可用于地磁匹配导航、军事磁异反潜、矿产资源勘探、地震监测等方面，为满足上述应用对弱磁传感器的高精度现场溯源测试需求，以及满足国内科研单位和企业在高精度弱磁传感器研制过程中的磁场测量、校准和标定的需求，有必要开发弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置。对磁感应强度量值溯源而言，磁场转化线性度较好的Overhauser质子磁力仪具有独特优势，但其量程、灵敏度、磁场采样率、带宽技术指标都难以标定其他弱磁传感器；工作模式与质子磁力仪相似的抽运
‑
检测型碱金属原子磁力仪可作为弱磁领域计量级原子磁力仪的有力补充，抽运
‑
检测型碱金属原子磁力仪的磁场测量值可被Overhauser质子磁力仪在其量程范围内进行修正，然后由抽运
‑
检测型碱金属原子磁力仪完成对其他弱磁传感器技术指标的评价工作，搭建起磁感应强度量值溯源和弱磁传感器技术指标评价之间的桥梁(参考文献：真空与低温,2020,26(6):494
‑
502)。
[0003]复现磁场中的噪声抑制是弱磁传感器技术指标评价必须要考虑的问题。目前市场在售的最高精度6.5位电流源其输出电流的稳定度达到10
‑6量级，直接用商用电流源复现地磁场量级的磁场时由电流源噪声引入的本底磁场噪声超过10pT/Hz
1/2r/>，利用抽运
‑
检测型原子磁力仪可测量复现磁场中的本底磁场噪声(参考文献：物理学报,2017,66(16):160701；物理学报,2022,71(2):024202)。利用自激振荡式的M
x
铯光泵磁力仪设计锁相环路可使地磁场量级复现磁场中的磁场噪声小于1pT/Hz
1/2
(参考文献：Review of Scientific Instruments,2020,91:084701；计测技术,2022,42(1):26
‑
31)，弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置可借鉴相关技术。由于物理原理和PID反馈控制设计的限制，部分弱磁传感器可通过牺牲对变化磁场的快速响应而获得远超过本底磁场噪声水平的灵敏度指标，车载移动式现场测评装置在评价这种弱磁传感器的技术指标时应明确指出灵敏度和带宽的相互制约关系。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置及方法，能够利用自激振荡式的M
x
铯光泵磁力仪设计锁相环路，使复现磁场具有低噪声、无漂移的特征，进一步利用抽运
‑
检测型原子磁力仪的测量结果评价待测弱磁传感器的磁场测量范围和灵敏度技术指标。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置包括汽车组件、恒流源组件、对比测量组件和传感器测量组件。
[0006]汽车组件包括驾驶室和车厢，车厢内部放置恒流源组件、对比测量组件和传感器测量组件。
[0007]恒流源组件包括第一磁屏蔽筒、铯光泵磁力仪、第一线圈、频率源、鉴相电路、PID反馈控制电路、开关和压控电流源。
[0008]第一磁屏蔽筒用于屏蔽地磁场；第一线圈和铯光泵磁力仪设置在第一磁屏蔽筒的内部，频率源、鉴相电路、PID反馈控制电路、开关和压控电流源顺次连接，构成锁相环路，设置在第一磁屏蔽筒的外部；铯光泵磁力仪连接鉴相电路。
[0009]第一线圈沿第一磁屏蔽筒的内壁绕制，第一线圈与第一磁屏蔽筒同轴；铯光泵磁力仪为自激振荡型的M
x
光泵磁力仪，被设置在第一线圈中心的磁场均匀区，用于测量并输出载第一线圈产生的磁场所对应的正弦自激振荡信号；频率源用于向鉴相电路输入特定频率的正弦信号；鉴相电路用于比较铯光泵磁力仪输出的正弦自激振荡信号和频率源输出的正弦信号的相位差，并使其输出电压与两个输入信号之间的相位差呈线性关系；PID反馈控制电路根据鉴相电路输出的电压信号实时微调压控电流源的输出电压；开关用于控制锁相环路处于开环或闭环状态，当锁相环路不工作时开关处于打开状态；压控电流源用于向第一线圈输入恒定的电流。
[0010]对比测量组件包括第二磁屏蔽筒、抽运
‑
检测型原子磁力仪和第二线圈；第二磁屏蔽筒用于屏蔽地磁场；第二线圈沿第二磁屏蔽筒的内壁绕制，第二线圈与第二磁屏蔽筒同轴；抽运
‑
检测型原子磁力仪被放置在第二线圈中心的磁场均匀区，用于测量第三线圈产生的磁场。
[0011]传感器测量组件包括第三磁屏蔽筒、弱磁传感器和第三线圈；磁屏蔽筒用于屏蔽地磁场；第三线圈沿第三磁屏蔽筒的内壁绕制，第三线圈与第三磁屏蔽筒同轴设置；弱磁传感器被放置在线圈中心的磁场均匀区，用于测量载流线圈产生的磁场。
[0012]第一磁屏蔽筒、第二磁屏蔽筒和第三磁屏蔽筒的结构尺寸相同，第一线圈、第二线圈和第三线圈的结构尺寸相同，三个线圈的线圈系数分别为C5、C
13
和C
16
，符合C5≈C
13
≈C
16
的关系；第一线圈、第二线圈和第三线圈串联起来，并与压控电流源相连。
[0013]汽车组件用于移动其他组件；恒流源组件用于产生电流；对比测量组件利用抽运
‑
检测型原子磁力仪测量第二磁屏蔽筒中的复现磁场；传感器测量组件利用弱磁传感器测量第三磁屏蔽筒中的复现磁场；利用抽运
‑
检测型原子磁力仪的测量结果评价待测弱磁传感器的磁场测量范围和灵敏度技术指标。
[0014]进一步地，汽车组件中的车厢采用磁屏蔽材料制造，用于初步屏蔽地磁场和环境磁场噪声。
[0015]进一步地，汽车组件中的车厢内部含有不间断电源，用于给其他组件中的频率源、电源、电路或磁力仪供电。
[0016]进一步地，第一线圈、第二线圈和第三线圈的线圈系数被溯源至约瑟夫森效应、量子化霍尔效应和拉莫尔进动效应三种量子自然基准。
[0017]进一步地，通过精密测量第一线圈、第二线圈和第三线圈的几何参数计算出三个线圈的线圈系数。
[0018]进一步地，抽运
‑
检测型原子磁力仪用于测量第二线圈轴线上的均匀磁场的大小和噪声，其量程为100nT～100000nT，磁场分辨率为0.1pT，极限灵敏度＜0.2pT/Hz
1/2
，磁场采样率最高可达1000Hz。
[0019]本专利技术的另外一个实施例还提供了一种弱磁传感器技术指标的车载移动式现场
测评方法，方法应用于权利要求1
‑
6的弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置，方法包括：
[0020]步骤1：当第一磁屏蔽筒中要复现的目标磁场为B3时，首先将压控电流源的输出电流设定为I＝B3/C5，其次将频率源输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置，其特征在于，所述装置包括汽车组件、恒流源组件、对比测量组件和传感器测量组件；所述汽车组件包括驾驶室(1)和车厢(2)，所述车厢(2)内部放置恒流源组件、对比测量组件和传感器测量组件；所述恒流源组件包括第一磁屏蔽筒(3)、铯光泵磁力仪(4)、第一线圈(5)、频率源(6)、鉴相电路(7)、PID反馈控制电路(8)、开关(9)和压控电流源(10)；所述第一磁屏蔽筒(3)用于屏蔽地磁场；第一线圈(5)和铯光泵磁力仪(4)设置在所述第一磁屏蔽筒(3)的内部，频率源(6)、鉴相电路(7)、PID反馈控制电路(8)、开关(9)和压控电流源(10)顺次连接，构成锁相环路，设置在所述第一磁屏蔽筒(3)的外部；所述铯光泵磁力仪(4)连接所述鉴相电路(7)；第一线圈(5)沿所述第一磁屏蔽筒(3)的内壁绕制，第一线圈(5)与所述第一磁屏蔽筒(3)同轴；所述铯光泵磁力仪(4)为自激振荡型的M
x
光泵磁力仪，被设置在所述第一线圈(5)中心的磁场均匀区，用于测量并输出载第一线圈(5)产生的磁场所对应的正弦自激振荡信号；所述频率源(6)用于向所述鉴相电路(7)输入特定频率的正弦信号；所述鉴相电路(7)用于比较铯光泵磁力仪(4)输出的正弦自激振荡信号和频率源(6)输出的正弦信号的相位差，并使其输出电压与两个输入信号之间的相位差呈线性关系；所述PID反馈控制电路(8)根据所述鉴相电路(7)输出的电压信号实时微调所述压控电流源(10)的输出电压；所述开关(9)用于控制锁相环路处于开环或闭环状态，当锁相环路不工作时开关(9)处于打开状态；所述压控电流源(10)用于向所述第一线圈(5)输入恒定的电流；所述对比测量组件包括第二磁屏蔽筒(11)、抽运
‑
检测型原子磁力仪(12)和第二线圈(13)；所述第二磁屏蔽筒(11)用于屏蔽地磁场；所述第二线圈(13)沿所述第二磁屏蔽筒(11)的内壁绕制，所述第二线圈(13)与所述第二磁屏蔽筒(11)同轴；所述抽运
‑
检测型原子磁力仪(12)被放置在所述第二线圈(13)中心的磁场均匀区，用于测量第三线圈(13)产生的磁场；所述传感器测量组件包括第三磁屏蔽筒(14)、弱磁传感器(15)和第三线圈(16)；所述磁屏蔽筒(14)用于屏蔽地磁场；所述第三线圈(16)沿所述第三磁屏蔽筒(14)的内壁绕制，所述第三线圈(16)与所述第三磁屏蔽筒(14)同轴设置；所述弱磁传感器(15)被放置在所述线圈(16)中心的磁场均匀区，用于测量载流线圈(16)产生的磁场；所述第一磁屏蔽筒(3)、第二磁屏蔽筒(11)和第三磁屏蔽筒(14)的结构尺寸相同，第一线圈(5)、第二线圈(13)和第三线圈(16)的结构尺寸相同，三个线圈的线圈系数分别为C5、C
13
和C
16
，符合C5≈C
13
≈C
16
的关系；所述第一线圈(5)、第二线圈(13)和第三线圈(16)串联起来，并与所述压控电流源(10)相连；所述汽车组件用于移动其他组件；所述恒流源组件用于产生电流；所述对比测量组件利用抽运
‑
检测型原子磁力仪(12)测量第二磁屏蔽筒(11)中的复现磁场；所述传感器测量组件利用弱磁传感器(15)测量第三磁屏蔽筒(14)中的复现磁场；利用抽运
‑
检测型原子磁力仪(12)的测量结果评价待测弱磁传感器(15)的磁场测量范围和灵敏度技术指标。2.根据权利要求1所述的弱磁传感器技术指标的车载移动式现场测评装置，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪培贤，刘志栋，崔敬忠，陈江，杨世宇，史彦超，蔡志伟，陈大勇，张金海，杨旭红，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：