专利名称：标准波动磁场复现装置及方法
技术领域：
发明涉及一种磁场复现装置和方法，具体涉及一种标准波动磁场复现装置和方法。
背景技术：
传统的磁场复现装置一般分为两种，恒定磁场复现装置和交变磁场复现装置。恒定磁场复现装置用于复现所需要的恒定磁场，交变磁场复现装置用于复现所需要的交变磁场，两类装置互相独立，互不发生作用。目前光泵磁强计、质子磁强计需要在标准磁场下评估自身对磁场变化的响应能力，此类磁强计的磁场工作范围一般在20 ii T IOOii T之间，超出此范围则仪器无法工作。因此，需要设计一种具备交直流复合磁场特点的变频稳幅(波动)磁场标准装置，该装置需具备能够产生基于恒定磁场基础之上实现可调节频率和幅度波动磁场标准信号输出能力，输出标准的复合磁场信号用于此类磁强计磁场变化响应能力的校准工作。传统的两种磁场复现装置都无法满足复现此类标准磁场的要求。

发明内容
有鉴于此，本发明提供一种标准波动磁场复现装置和方法，能够产生基于恒定磁场基础之上频率变化、幅度稳定、准确度优于0. 1%的波动磁场标准信号。本发明的标准波动磁场复现装置包括动轴式波动磁场线圈装置和波动磁场激励
>J-U装直。所述动轴式波动磁场线圈装置包括波动磁场线圈主体、样品台、倾斜调节机构、支撑架和水平旋转台。所述倾斜调节机构和波动磁场线圈主体通过支撑架安装在水平旋转台上。所述水平旋转台用于调整波动磁场线圈主体的方位角，所述倾斜调节机构调节波动磁场线圈主体与水平旋转台之间的倾斜角度。在支撑架表面放置样品台，样品台用于放置待测设备。所述波动磁场线圈主体为轴对称的三环三绕组结构，包括三个环形线圈。设三个环形线圈分别为A环、B环和C环，其中B环和C环的直径相同，均小于A环的直径。B环和C环对称的同轴布置在A环的两侧，三个环形线圈依次通过连接杆固结为一个整体。波动磁场线圈主体的磁轴方向与地磁场的磁轴方向相同。所述波动磁场线圈主体每个环形线圈均包括主绕组、地磁修正绕组、补偿绕组、线圈骨架和绝缘层。所述主绕组、地磁修正绕组和补偿绕组从内到外依次缠绕在线圈骨架上，每个绕组之间通过绝缘层隔离，同时在补偿绕组外设置绝缘层。所述波动磁场线圈主体的绕组结构参数为三个环形线圈主绕组的结构比例为A环主绕组与B环、C环主绕组的直径比为
I 0.756。B环主绕组和C环主绕组之间的间距与A环主绕组的直径之比为1.31 I。A环主绕组与B环、C环主绕组的匝数比为64 49。三个环形线圈主绕组的绕制方向相同，互相串联。三个环形线圈地磁修正绕组的具体结构比例为A环地磁修正绕组与B环、C环地磁修正绕组的直径比为1: 0.8。B环地磁修正绕组和C环地磁修正绕组之间的间距与A环地磁修正绕组的直径之比为1.2 I。三个环形线圈地磁修正绕组的匝数相同。B环、C环地磁修正绕组的绕制方向与A环地磁修正绕组的绕制方向相反，三个环互相串联。三个环形线圈补偿绕组具体结构比例为A环补偿绕组与B环、C环补偿绕组的直径比为1: 0. 796。B环补偿绕组和C环补偿绕组之间的间距与A环补偿绕组的直径之比为1. 189 I。三个环形线圈补偿绕组匝数相同，绕制方向相同，互相串联。波动磁场激励装置包括任意波形发生器、线性功放、信号调理单元、电流精密测量单元和控制软件。所述任意波形发生器通过信号调理单元与线性功放相连，线性功放与电流测量单元相连，电流测量单元与动轴式波动磁场线圈装置中的波动磁场线圈主体相连，控制软件与任意波形发生器相连，同时与电流测量单元互连。所述动轴式波动磁场线圈装置中还包括磁轴探测器，所述磁轴探测器固定在波动磁场线圈主体的外部框架上，其磁轴轴线平行与波动磁场线圈主体的轴线。所述水平旋转台能够在水平方向360°转动。所述倾斜调节机构调节波动磁场线圈主体与水平旋转台之间的倾斜角的范围为46。±3。。采用上述装置复现标准波动磁场的方法为步骤一通过磁轴探测器探测地磁场轴线方向。步骤二 通过水平旋转台调整波动磁场线圈主体的方位角，通过倾斜调节机构调节波动磁场线圈主体与水平旋转台之间的倾斜角，使波动磁场线圈主体的磁轴方向与步骤一所探测的地磁场的磁轴方向相同。步骤三在控制软件内设定目标波动磁场的大小和频率。步骤四控制软件依据设定的目标波动磁场的大小和频率控制任意波形发生器输出正弦信号。同时控制电流精密测量单元切换交流标准电阻组。步骤五任意波形发生器向信号调理单元输出频率准确的正弦信号。该正弦信号通过信号调理单元和线性功放，调整为驱动动轴式波动磁场线圈装置产生波动磁场的电流驱动信号。步骤六信号调理单元将调整后的电流驱动信号发送给电流精密测量单元。步骤七电流精密测量单元测量电流驱动信号的峰值和偏移量，反馈至控制软件。控制软件依据其内部的目标波动磁场的大小对任意波形发生器输出的正弦信号的幅值进行微调，使其与预设的目标波动磁场的大小一致。步骤八电流精密测量单元将电流驱动信号输出给波动磁场线圈主体中三个环形线圈的主绕组。步骤九波动磁场线圈主体接收到电流驱动信号后产生目标波动磁场。有益效果( I)本发明的波动磁场标准装置能够产生和控制恒定、交变复合磁场，从而评估被测对象(包括但不仅限于原子式磁强计)对磁场变化的响应能力。(2)本发明的波动磁场标准装置产生的波动磁场在调整频率的过程中，可以保持波动磁场幅度稳定不变，而磁场频率发生从超低频到音频范围(0.1Hz IkHz)的变化。(3)复现的波动磁场为绝对量总量磁场，包含了地磁对磁场总量的影响，利用了地磁场作为磁场源的一部分，减少了装置本身的功耗。(4)利用磁轴探测器实现了对地磁磁轴方向的探测，指导调整动轴式波动磁场线圈装置的磁轴与地磁磁轴方向的平行，并检测其平行程度。(5)利用一套三环三路绕组结构的波动磁场线圈实现了具有交直流复合变频特点的波动磁场的输出，该复合磁场的恒定和交变磁场分量可独立调整，磁场幅度变化范围20 u T 100 u T0(6)能够保证3X 106mm3工作区内的磁场非均匀度优于0. 05%。(7)对不同频率下的负载阻抗变化，能够提供幅度稳定的交流电流信号，电流信号的频率调节范围为0.1Hz IOOOHz。


图1为本发明的波动磁场标准装置的原理框图；图2为本发明的动轴式波动磁场线圈装置的结构示意图；图3为动轴式波动磁场线圈装置绕组的结构示意图；图4为波动磁场激励装置电路原理示意图。其中1-水平旋转台，2-倾斜调节机构，3-波动磁场线圈主体，4样品台，5-支撑架，6-主绕组、7-地磁修正绕组、8-补偿绕组、9-线圈骨架、10-绝缘层
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本实施例提供的标准波动磁场复现装置能够提供校准原子式(光泵、质子)磁强计响应能力的标准波动磁场信号，其复现的磁场信号由恒定磁场分量和交变磁场分量组成，磁场幅度在20 ii T IOOii T范围内稳定，且幅度不随频率变化而改变，磁场频率能够在
0.1Hz IkHz范围内连续变化。所述标准波动磁场复现装置的原理如图1所示，包括动轴式波动磁场线圈装置和波动磁场激励装置。其中动轴式波动磁场线圈装置包括磁轴探测器、波动磁场线圈主体和磁轴调节台，如图2所示。磁轴调节台用于实现波动磁场线圈装置的稳固和波动磁场线圈主体的指向角调节。磁轴调节台包括样品台4、倾斜调节机构和水平旋转台I。水平旋转台I能够在水平方向360°转动。倾斜调节机构2和波动磁场线圈主体3通过支撑架5安装在水平旋转台I上，倾斜调节机构用于支撑波动磁场线圈主体，并调节波动磁场线圈主体与水平旋转台间的倾斜角度。本实施例中的倾斜调节机构具备倾斜46° ±3°的调节能力。在支撑架5表面放置样品台4，用于放置待测设备。水平旋转台I和倾斜调节机构2配合调整波动磁场线圈主体3的方位角和倾斜角，使波动磁场线圈的磁轴方向与地磁场的磁轴方向平行，实现地磁场作为部分磁场信号源。磁轴探测器用来判断波动线圈主体3的轴线与地磁场轴线的平行度。磁轴探测器固定在波动磁场线圈主体2的外部框架上，其磁轴轴线平行与波动磁场线圈主体3的轴线。磁轴探测器通过识别本发明所处位置的地磁方向，测量最大磁感应强度出现的位置，来判断波动线圈主体轴线与地磁场轴线的平行程度。所述波动磁场线圈主体为轴对称的三环三绕组结构。设形成波动磁场线圈主体的三个环形线圈分别为A环、B环和C环，其中B环和C环的直径相同，均小于A环的直径，B环和C环对称的同轴布置在A环的两侧，如图2所示。三个环形线圈依次通过连接杆固结为一个整体，通过倾斜调节机构2调整波动磁场线圈主体的倾斜角，通过水平旋转台I调整其方位角。波动磁场线圈主体每个环形线圈包括主绕组6、地磁修正绕组7、补偿绕组8、线圈骨架9和绝缘层10。所述主绕组6、地磁修正绕组7、补偿绕组8从内到外依次缠绕在线圈骨架9上，每个绕组之间通过绝缘层隔离，同时在补偿绕组8外设置绝缘层10，如图3所示。主绕组6、地磁修正绕组7和补偿绕组8分别用于实现波动磁场、修正磁场梯度、补偿磁场均匀区。本实施例通过设计波动磁场线圈主体的绕组结构参数，依靠一路线圈绕组输出具备一定磁场均匀区的交直流复合磁场。波动磁场线圈主体的绕组结构参数具体为(I)三个环形线圈主绕组的结构比例为A环主绕组与B环、C环主绕组的直径比为1: 0. 756。B环主绕组和C环主绕组之间的间距与A环主绕组的直径之比为1. 31 I ；A环主绕组与B环、C环主绕组的匝数比为64 49;三个环形线圈主绕组的绕制方向相同，互相串联。地磁修正绕组的具体结构比例为A环地磁修正绕组与B环、C环地磁修正绕组的直径比为1: 0. 8;B环地磁修正绕组和C环地磁修正绕组之间的间距与A环地磁修正绕组的直径之比为1. 2 I ；三个环形线圈地磁修正绕组的匝数相同；B环、C环地磁修正绕组的绕制方向与A环地磁修正绕组的绕制方向相反，三个环互相串联，地磁修正绕组能够补偿环境磁场梯度引起的磁场均匀区内InT IOOOnT范围的磁场梯度。(3)三个环形线圈补偿绕组具体结构比例为A环补偿绕组与B环、C环补偿绕组的直径比为1: 0. 796 ；B环补偿绕组和C环补偿绕组之间的间距与A环补偿绕组的直径之比为1.189 I ；三个环形线圈补偿绕组匝数相同，绕制方向相同，互相串联。补偿绕组能够补偿磁场均匀区内InT IOOOnT范围的磁场偏移，实现均匀区内的磁场非均匀性小于0. 1%。波动磁场激励装置的电路原理如图4所示，包括任意波形发生器、线性功放、信号调理单元、电流测量单元以及控制软件。波动磁场激励装置通过电流测量与反馈控制技术，实现在负载阻抗变化的情况下，输出幅度稳定、频率连续变化的信号。任意波形发生器通过信号调理单元与线性功放相连，线性功放与电流测量单元相连，电流测量单元与动轴式波动磁场线圈装置中的波动磁场线圈主体相连，控制软件与任意波形发生器相连，同时与电流测量单元互连。通过上述装置产生标准波动磁场的过程为步骤一通过磁轴探测器探测地磁场磁轴方向；
步骤二 通过水平旋转台I调整波动磁场线圈主体3的方位角，通过倾斜调节机构2调节波动磁场线圈主体3与水平旋转台I之间的倾斜角，使波动磁场线圈主体3的磁轴方向与步骤一所探测的地磁场的磁轴方向相同；步骤三在控制软件内设定目标磁场的大小和频率，任意波形发生器依据设定的目标磁场设定正弦信号的输出，同时控制电流精密测量单元依据设定的目标磁场切换交流标准电阻组。步骤四任意波形发生器向信号调理单元输出频率准确的正弦信号；该正弦信号通过信号调理单元和线性功放，调整为驱动动轴式波动磁场线圈装置产生波动磁场的电流驱动信号。步骤五信号调理单元将调整后的电流驱动信号发送给电流精密测量单元，电流精密测量单元利用交流电阻和高速24bitA/D变换器测量电流驱动信号的峰值和偏移量，反馈至控制软件。控制软件依据其内部的预设值对任意波形发生器输出信号的幅值进行微调(使其与预设值一致)，从而实现电流信号的稳定，修正因不同频率引起电路回路阻抗变化而动轴式波动磁场线圈装置中工作电流偏移的影响因素。电流精密测量单元将电流驱动信号输出给动波动磁场线圈主体3中三个环形线圈的主绕组。步骤六动轴式波动磁场线圈装置接收到电流驱动信号后产生目标磁场。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.标准波动磁场复现装置，其特征在于，包括动轴式波动磁场线圈装置和波动磁场激励装置； 所述动轴式波动磁场线圈装置包括波动磁场线圈主体(3)、样品台(4)、倾斜调节机构(2)、支撑架(5)和水平旋转台(I);所述倾斜调节机构(2)和波动磁场线圈主体(3)通过支撑架(5)安装在水平旋转台(I)上；所述水平旋转台(I)用于调整波动磁场线圈主体(3)的方位角，所述倾斜调节机构(2 )调节波动磁场线圈主体(3 )与水平旋转台(I)之间的倾斜角度；在支撑架(5)表面放置样品台(4)，样品台(4)用于放置待测设备； 所述波动磁场线圈主体(3)为轴对称的三环三绕组结构，包括三个环形线圈；设三个环形线圈分别为A环、B环和C环，其中B环和C环的直径相同，均小于A环的直径；B环和C环对称的同轴布置在A环的两侧，三个环形线圈依次通过连接杆固结为一个整体；波动磁场线圈主体(3)的磁轴方向与地磁场的磁轴方向相同； 所述波动磁场线圈主体(3)每个环形线圈均包括主绕组(6)、地磁修正绕组(7)、补偿绕组(8)、线圈骨架(9)和绝缘层(10);所述主绕组(6)、地磁修正绕组(7)和补偿绕组(8)从内到外依次缠绕在线圈骨架(9)上，每个绕组之间通过绝缘层隔离，同时在补偿绕组(8)外设置绝缘层(10); 所述波动磁场线圈主体(3)的绕组结构参数为 三个环形线圈主绕组的结构比例为A环主绕组与B环、C环主绕组的直径比为I 0.756 ;B环主绕组和C环主绕组之间的间距与A环主绕组的直径之比为1.31 I ；A环主绕组与B环、C环主绕组的匝数比为64 49 ;三个环形线圈主绕组的绕制方向相同，互相串联； 三个环形线圈地磁修正绕组的具体结构比例为A环地磁修正绕组与B环、C环地磁修正绕组的直径比为1: 0. 8 ;B环地磁修正绕组和C环地磁修正绕组之间的间距与A环地磁修正绕组的直径之比为1.2 I ;三个环形线圈地磁修正绕组的匝数相同；B环、C环地磁修正绕组的绕制方向与A环地磁修正绕组的绕制方向相反，三个环互相串联； 三个环形线圈补偿绕组具体结构比例为A环补偿绕组与B环、C环补偿绕组的直径比为1: 0. 796 ；B环补偿绕组和C环补偿绕组之间的间距与A环补偿绕组的直径之比为1.189 I ;三个环形线圈补偿绕组匝数相同，绕制方向相同，互相串联； 波动磁场激励装置包括任意波形发生器、线性功放、信号调理单元、电流精密测量单元和控制软件；所述任意波形发生器通过信号调理单元与线性功放相连，线性功放与电流测量单元相连，电流测量单元与动轴式波动磁场线圈装置中的波动磁场线圈主体相连，控制软件与任意波形发生器相连，同时与电流测量单元互连。
2.如权利要求1所述的标准波动磁场复现装置，其特征在于，所述动轴式波动磁场线圈装置中还包括磁轴探测器，所述磁轴探测器固定在波动磁场线圈主体(2)的外部框架上，其磁轴轴线平行与波动磁场线圈主体(3)的轴线。
3.如权利要求1和2所述的标准波动磁场复现装置，其特征在于，所述水平旋转台(I)能够在水平方向360°转动。
4.如权利要求1和2所述的标准波动磁场复现装置，其特征在于，所述倾斜调节机构(2)调节波动磁场线圈主体(3)与水平旋转台(I)之间的倾斜角的范围为46° ±3°。
5.采用上述装置复现标准波动磁场的方法，其特征在于，步骤一通过磁轴探测器探测地磁场磁轴方向； 步骤二 通过水平旋转台(I)调整波动磁场线圈主体(3)的方位角，通过倾斜调节机构(2 )调节波动磁场线圈主体(3 )与水平旋转台(I)之间的倾斜角，使波动磁场线圈主体(3 )的磁轴方向与步骤一所探测的地磁场的磁轴方向相同； 步骤三在控制软件内设定目标波动磁场的大小和频率； 步骤四控制软件依据设定的目标波动磁场的大小和频率控制任意波形发生器输出正弦信号；同时控制电流精密测量单元切换交流标准电阻组； 步骤五任意波形发生器向信号调理单元输出频率准确的正弦信号；该正弦信号通过信号调理单元和线性功放，调整为驱动动轴式波动磁场线圈装置产生波动磁场的电流驱动信号; 步骤六信号调理单元将调整后的电流驱动信号发送给电流精密测量单元； 步骤七电流精密测量单元测量电流驱动信号的峰值和偏移量，反馈至控制软件；控制软件 依据其内部的目标波动磁场的大小对任意波形发生器输出的正弦信号的幅值进行微调，使其与预设的目标波动磁场的大小一致； 步骤八电流精密测量单元将电流驱动信号输出给波动磁场线圈主体(3)中三个环形线圈的主绕组； 步骤九波动磁场线圈主体(3)接收到电流驱动信号后产生目标波动磁场。
全文摘要
本发明公开一种标准波动磁场复现装置及方法，该装置包括动轴式波动磁场线圈装置和波动磁场激励装置。其中动轴式波动磁场线圈装置包括磁轴探测器、波动磁场线圈主体和磁轴调节台，波动磁场线圈主体为轴对称的三环三路绕组结构。波动磁场激励装置包括任意波形发生器、线性功放、信号调理单元、电流精密测量单元及控制软件。波动磁场激励装置通过电流测量与反馈控制技术，实现在负载阻抗变化的情况下，输出幅度稳定、频率连续变化的信号。该装置复现的磁场信号由恒定磁场分量和交变磁场分量组成，磁场幅度在20μT～100μT范围内稳定，且不随频率变化而改变，磁场频率能够在0.1Hz～1kHz范围内连续变化。
文档编号G01R35/00GK103064048SQ201210557008
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者周鹰, 韩晓东, 杨云 申请人:中国船舶重工集团公司第七一〇研究所