一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置的制作方法

本发明属于磁场计量技术领域，尤其涉及一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置。

背景技术：

光泵磁场噪声补偿系统是建立高稳定的磁场空间有效方式，在军事、地质勘探、海洋勘探等领域广泛应用的光泵磁强计、overhauser磁强计、原子光学磁强计，高稳定度的磁场是其研究的基础。现在建立或待建立的磁场补偿系统必须建立在专业的弱磁试验室，局限性比较高。专业弱磁试验室必须建立在远离人烟的偏远地区，周围十千米内不能有铁路、地铁、输电线等设施，对磁暴等自然环境也有很高的要求，在实验室建立地点，必须进行地磁探测，地磁环境必须满足要求，建筑材料必须经过筛选，满足其无磁要求，专业弱磁试验室造价十分昂贵，一般超过几千万元，而且交通不便，造成科研效率的低下。

此外，在屏蔽装置内产生标准磁场，其激励电源的噪声和稳定性会叠加到屏蔽装置内的磁场噪声上，激励电源的磁场噪声将远远超过屏蔽装置内部的磁场噪声，不能满足原子光学磁强计的磁场参数的调试要求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置，能够在屏蔽筒中产生地磁场范围内超低噪声的恒定磁场，既降低了环境磁场噪声对磁场补偿的影响和产生低噪声磁场空间的成本，又提高了屏蔽筒内磁场噪声的稳定性。

一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置，包括屏蔽筒1、补偿线圈2、铯光泵磁强计3、锁相补偿模块4、标准信号发生模块5、磁场线圈6以及电流源7，其中，所述补偿线圈2、铯光泵磁强计3以及磁场线圈6安装在屏蔽筒1的内部；

所述屏蔽筒1用于屏蔽外部磁场；

所述电流源7用于为磁场线圈6提供电流，使磁场线圈6产生铯光泵磁强计3工作的背景磁场，其中，背景磁场与外部磁场的方向相同；

所述铯光泵磁强计3用于实时测量屏蔽筒1内部磁场大小，并输出表征内部磁场大小的第一交变电信号；

所述标准信号发生模块5用于向锁相补偿模块4输出与第一交变信号类型相同的第二交变电信号，所述第二交变电信号的频率与第一交变电信号的频率初值的差值小于设定阈值，其中，第一交变电信号的频率初值通过铯光泵磁强计3首次测量内部磁场大小得到；

所述锁相补偿模块4用于根据第二交变电信号和实时测量得到的第一交变电信号得到控制电压u，具体为：

u＝ksin[2π(fcs-f0)+(θcs-θ0)]

其中，k为锁相补偿模块4的放大倍数，fcs为第一交变电信号的频率，f0为第二交变电信号的频率，θcs为第一交变电信号的相位，θ0为第二交变电信号的相位；

所述补偿线圈2用于根据所述控制电压u产生与所述内部磁场方向相反的感应磁场，使屏蔽筒1内部磁场的大小保持为设定值。

进一步地，所述补偿线圈2放置于屏蔽筒1的中心。

进一步地，所述铯光泵磁强计3放置于补偿线圈2的中心，且补偿线圈2和磁场线圈6的中心重合，两者磁轴在同一直线上。

进一步地，所述屏蔽筒1材质为坡莫合金。

有益效果：

本发明提供一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置，首先通过屏蔽筒屏蔽大部分外部磁场，残留部分低磁噪声，然后再采用电流源驱动磁场线圈产生背景磁场，则低磁噪声和背景磁场共同构成屏蔽筒的内部磁场；则补偿线圈通过产生与内部磁场方向相反的感应磁场，与内部磁场相互抵消，便可将屏蔽筒的内部磁场大小调节或保持为所需数值；而补偿线圈产生的感应磁场的大小与锁相补偿模块输出的控制电压的大小有关，控制电压的大小又与铯光泵磁强计测得的第一交变电信号和标准信号发生模块输出的第二交变电信号有关；因此，设定第二交变电信号的频率后，铯光泵磁强计实时测量屏蔽筒内部磁场的大小，当屏蔽筒的内部磁场发生改变时，锁相补偿模块输出的控制电压也会发生相应的改变，从而去抵消内部磁场的增大或者补偿内部磁场的减小，即可实现屏蔽筒内部磁场大小的自动调节，使得在屏蔽筒内形成大磁场范围低磁场噪声的稳定磁场，大大降低屏蔽筒内部的磁场噪声，甚至将屏蔽筒内部的磁场大小调节为无限接近于零；

由此可见，本发明的磁场噪声补偿装置，能够同时补偿复现磁场线圈的磁场和屏蔽筒内部的磁场噪声，在产生地磁场范围内超低磁场噪声的同时，还保证整个屏蔽筒内部磁场噪声的稳定性，与现有单纯的磁场屏蔽技术和磁场补偿技术相比，结构简单，磁场噪声更低，效率高，可行性高，还可以安装在普通实验室中，使普通实验室的补偿精度达到在专业弱磁试验室的补偿精度，从而应用范围更广。

附图说明

图1为本发明提供的一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置的结构示意图；

1-屏蔽筒、2-补偿线圈、3-铯光泵磁强计、4-锁相补偿模块、5-标准信号发生模块、6-磁场线圈、7-电流源。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，该图为本实施例提供的一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置的结构示意图。一种屏蔽装置内部磁场噪声补偿装置，其特征在于，包括屏蔽筒1、补偿线圈2、铯光泵磁强计3、锁相补偿模块4、标准信号发生模块5、磁场线圈6以及电流源7，其中，所述补偿线圈2、铯光泵磁强计3以及磁场线圈6安装在屏蔽筒1的内部。

可选的，补偿线圈2放置于屏蔽筒1的中心，而铯光泵磁强计3放置于补偿线圈2的中心，且补偿线圈2和磁场线圈6的中心重合，磁轴在一条直线上。

需要说明的是，为了避免锁相补偿模块4和标准信号发生模块5对磁场噪声的影响，将两者放置于屏蔽筒1外。本实施例选用铯光泵磁强计，梯度容限比较大，保证磁场噪声补偿装置可以在屏蔽筒1内工作。

所述屏蔽筒1用于屏蔽外部磁场；可选的，屏蔽筒1材质为坡莫合金。

所述电流源7用于为磁场线圈6提供电流，使磁场线圈6产生铯光泵磁强计3工作的背景磁场，其中，背景磁场与屏蔽筒1外的外部磁场的方向相同。

需要说明的是，磁场线圈6和电流源7产生的背景磁场的大小范围为10μt～120μt，即可保证铯光泵磁强计3正常工作。

所述铯光泵磁强计3用于测量实时屏蔽筒1内部磁场的大小，并输出表征内部磁场大小的第一交变电信号。

所述标准信号发生模块5用于向锁相补偿模块4输出第一交变信号类型相同的第二交变电信号，例如，两者均为正弦波信号，所述第二交变电信号的频率与第一交变电信号的频率初值的差值小于设定阈值，其中，第一交变电信号的频率初值通过铯光泵磁强计3首次测量内部磁场大小得到。

所述锁相补偿模块4用于根据第一交变电信号和第二交变电信号得到控制电压u，具体为：

u＝ksin[2π(fcs-f0)+(θcs-θ0)]

其中，k为锁相补偿模块4的放大倍数，fcs为第一交变电信号的频率，f0为第二交变电信号的频率，θcs为第一交变电信号的相位，θ0为第二交变电信号的相位。

所述补偿线圈2用于根据所述控制电压u产生与所述背景磁场方向相反的感应磁场，使屏蔽筒1内部磁场的大小保持为设定值。

下面介绍内部磁场噪声补偿装置的工作原理：

铯光泵磁强计3输出的第一交变电信号的频率是根据屏蔽筒1内部磁场大小的改变而改变的，其中，铯元素的旋磁比3.49857hz/nt，则当屏蔽筒1内磁场大小为b时，铯光泵磁强计3的输出的第一交变电信号的频率为3.49857b；标准信号发生模块5输出的第二交变电信号的频率为基准频率，基准频率定下来以后，在后续的试验中是保持不变的，且基准频率与第一交变电信号的频率初值的差值小于设定阈值，例如，基准频率与第一交变电信号的频率初值的差值为100hz；此外，在磁场噪声补偿的过程中，铯光泵磁强计3输出的第一交变电信号的相位和标准信号发生模块5输出的第二交变电信号的相位是随着各自的频率而周期性改变的，但两者的初始相位是在磁场噪声补偿装置上电时就确定了，且在后续磁场噪声补偿过程中保持不变，则根据初始相位和频率，即可获取第一交变电信号和第二交变电信号的实时相位；由此可见，两者的相位差(θcs-θ0)实质上还是以频率为变量，也就是说，锁相补偿模块4输出的控制电压的大小取决于两个电信号的频率。

控制电压驱动补偿线圈2产生与所述内部磁场方向相反的感应磁场，去反馈磁场线圈6的磁场的变化。当外部磁场，如地磁场增大时，屏蔽筒1内部磁场也会增大，则铯光泵磁强计3输出的第一交变电信号的频率随之变大，就会导致频率差fcs-f0变大，从而引起锁相补偿模块4输出的控制电压变大，最后导致补偿线圈2中补偿电流增大去抵消屏蔽筒1内部磁场的增大；随后，屏蔽筒1内部磁场将会减小，铯光泵磁强计3输出的第一交变电信号的频率随之变小，就会导致频率差fcs-f0变小，从而引起锁相补偿模块4输出的控制电压变小，最后导致补偿线圈2中补偿电流减小，从而补偿屏蔽筒1内部磁场的减小；以此类推，通过铯光泵磁强计3实时测量屏蔽筒1内部磁场大小，内部磁场大小改变，补偿线圈2中的补偿电流也随之不断改变，最后达到平衡状态，屏蔽筒1内部磁场稳定在一个恒定值，此时，屏蔽筒1内部磁场大小不变，则第一交变电信号的频率fcs也不再改变，也就是说，本装置进入锁定状态；同理，当外部地磁场减小时，整个控制过程也相反进行；由此可见，本装置对屏蔽筒1内部磁场大小的调节，是一个自动跟踪、闭环反馈的过程。

此外，达到锁定状态时，铯光泵磁强计3的输出的第一交变电信号的频率锁定在标准信号发生模块5的基准频率上。因此，本实施例通过采用锁相的方式屏蔽装置内磁场噪声的变化，与现有单纯的磁场屏蔽技术和磁场补偿技术相比，应用范围更广，磁场噪声更低，效率高，可行性高。

需要说明的是，本实施例的磁场噪声补偿装置的系统噪声取决于铯光泵磁强计3、标准信号发生模块5频率的稳定度。

由此可见，本实施例设定标准信号发生模块的基准频率后，铯光泵磁强计3实时测量屏蔽筒1内部磁场的大小，当屏蔽筒的内部磁场发生改变时，锁相补偿模块4输出的控制电压也会发生相应的改变，从而去抵消内部磁场的增大或者补偿内部磁场的减小，使得在屏蔽筒内形成大磁场范围低磁场噪声的稳定磁场，提高了磁场调节的分辨力；本实施例的磁场噪声补偿装置结构简单，稳定性高，不受外部磁场环境的影响，可以满足低噪声磁强计的调试要求，能够安装在普通实验室，解决了原子光学磁强计等低噪声磁强计的调试必须在专用弱磁实验室的工作难题。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。