一种微弱涡流磁场测量装置及方法与流程

本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及一种微弱涡流磁场测量装置及方法。

背景技术：

航空超导全张量磁梯度测量系统是通过在航空平台上搭载磁测设备，利用飞行过程中获取的由磁性矿产资源引起的地磁异常信息，从而实现对地下磁性矿体高效率、高精度的三维定位，并获取它们的空间分布信息。其具有探测效率高，单位面积运行成本低等特点，是进行资源普查和筛选找矿靶区的重要手段之一。

因射频屏蔽、电磁兼容以及机械可加工性等方面的因素，已研制的航空超导全张量磁梯度测量系统中或多或少都会存在金属部件，而在系统开展航空飞行磁测量时，这些金属部件会因在飞行过程中切割地球磁场产生涡流，从而影响到航空超导全张量磁梯度测量系统的测量精度。因航空超导全张量磁梯度测量系统需具有很高的磁测量精度(0.05nt/m)，所以需要对系统金属部件在飞行过程中切割地球磁场产生的涡流进行量化评估，而且有时还需要对航空超导全张量磁梯度测量系统整体在飞行过程中切割地球磁场产生的涡流进行量化评估。

《机电设备》中文期刊2011年第28卷中的《涡流磁场测量方法研究》公布了一种涡流磁场测量方法。该文中提出一种采用模拟舰艇摇摆切割磁力线产生涡流磁场的测量方法，并采用圆铜板为简易模型，从理论研究和试验结果两方面证明，利用线圈通电方法产生、测量涡流磁场可行。该文公布的方法虽然可以实现涡流磁场测量，但缺点也很明显：其一，测量精度易受外界磁场影响，在室内很难实现微弱涡流(比如<5nt)的测量；其二，涡流线圈产生的交变磁场并非均匀磁场，从而与实际切割的地球磁场是均匀的现实不符，进而影响其激发涡流的评估效果；其三，获取的涡流磁场只有幅值信息，但没有相位信息；其四，在磁探头改变位置或者更换磁探头时均需调整其反馈系统的参数，测量步骤繁琐；其五，在被测对象存在感应磁场时，无法有效测量涡流磁场。此外，目前市场上的涡流传感器大多只能测量涡流磁场的相对量，无法实现涡流磁场绝对值的精确量化，而且也无法对大尺寸系统的涡流磁场进行精确测量。

综上所述，现有涡流磁场测量方法不但存在测量精度不高和测量步骤繁琐等问题，还存在无法有效对大尺寸系统的涡流磁场进行精确测量等问题，而微弱涡流磁场的测量对具有战略意义的航空超导磁测量系统至关重要，从而引导出本申请的构思。

技术实现要素：

为了解决现有涡流磁场测量方法的局限性，本发明提供一种基于同步数据采集和亥姆霍兹线圈的微弱涡流磁场测量装置及方法，不仅提高涡流磁场的测量精度、简化涡流磁场的测量步骤，而且能整体对大尺寸系统的涡流磁场进行精确测量。

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供一种微弱涡流磁场测量装置，用于测量被测对象的涡流磁场，该装置包括一屏蔽室，所述屏蔽室内设有一亥姆霍兹线圈、一被测对象托台和一磁传感器，所述屏蔽室外设有一数据同步源、一信号源、一功率放大器和一数据采集组件；

其中，所述被测对象托台位于所述亥姆霍兹线圈的磁场均匀区，所述信号源和所述功率放大器依次串联在所述数据同步源与所述亥姆霍兹线圈之间；所述数据采集组件连接在所述数据同步源与所述磁传感器之间。

优选地，所述屏蔽室一侧的外壁上设有一穿过该外壁设置的磁屏蔽管道，所述功率放大器与所述亥姆霍兹线圈之间的连接线缆、以及所述数据采集组件与所述磁传感器之间的连接线缆穿过所述屏蔽管道。

优选地，所述磁传感器为磁通门或超导磁强计。

优选地，所述数据同步源为函数发生器或gps接收机。

优选地，所述信号源为函数发生器或数模转换器。

本发明另一方面提供一种微弱涡流磁场测量方法，该方法采用前述微弱涡流磁场测量装置来测量被测对象的涡流磁场。

进一步地，当所述被测对象的感应磁场可忽略时，该方法包括以下步骤：

s11，将所述被测对象按测量方向固定安装在所述被测对象托台上，关闭所述磁屏蔽室，并通过所述数据同步源控制所述数据采集组件在所述信号源和功率放大器驱动所述亥姆霍兹线圈时，同步采集所述磁传感器测量的磁场值；

s12，将所述被测对象从所述屏蔽室中移除，关闭所述磁屏蔽室，并通过所述数据同步源控制所述数据采集组件在所述信号源和功率放大器驱动所述亥姆霍兹线圈时，同步采集所述磁传感器测量的磁场值，其中，所述亥姆霍兹线圈在本步骤中产生的涡流激励与在所述步骤s11中产生的涡流激励相同；

s13，将所述步骤s11中采集到的磁场值减去所述步骤s12中采集到的磁场值，得到的差值即为所述被测对象的涡流磁场。

进一步地，当所述被测对象的感应磁场不可忽略时，该方法包括以下步骤：

s21，将所述被测对象按测量方向固定安装在所述被测对象托台上，关闭所述磁屏蔽室，求取所述被测对象在所述亥姆霍兹线圈产生极低频涡流激励环境下的感应磁场；

s22，通过所述数据同步源控制所述数据采集组件在所述信号源和功率放大器驱动所述亥姆霍兹线圈时，同步采集所述磁传感器测量的磁场值；

s23，将所述被测对象从所述屏蔽室中移除，关闭所述磁屏蔽室，并通过所述数据同步源控制所述数据采集组件在所述信号源和功率放大器驱动所述亥姆霍兹线圈时，同步采集所述磁传感器测量的磁场值，其中，所述亥姆霍兹线圈在本步骤中产生的涡流激励与在所述步骤s22中产生的涡流激励相同；

s24，将所述步骤s22中采集到的所述磁场值减去所述步骤s23中采集到的所述磁场值，得到的差值即为所述被测对象的涡流磁场与感应磁场之和；

s25，通过对所述步骤s21中得到的所述感应磁场按照涡流激励的频率比进行重采样后，通过代数运算求解出所述涡流磁场。

进一步地所述步骤s21中所述感应磁场的求取通过如下步骤实现：

s211，求取所述被测对象的永磁场；

s212，在所述信号源输出极低频信号以驱动所述亥姆霍兹线圈产生极低频磁场时，通过所述数据采集组件同步采集所述磁传感器测量的磁场值；

s213，将所述步骤s212中采集到的磁场值减去所述步骤s211中得到的永磁场，得到的差值即为所述被测对象的感应磁场。

进一步地，所述步骤s211中所述永磁场的求取通过如下步骤实现：

s2111，在所述信号源输出直流信号以驱动所述亥姆霍兹线圈产生恒定磁场时，通过所述数据采集组件同步采集所述磁传感器测量的磁场值；

s2112，使所述信号源输出的直流信号幅值不变、极性相反，通过所述数据采集组件同步采集所述磁传感器测量的磁场值；

s2113，将所述步骤s211与所述步骤s212中采集到的磁场值相加之后再除以2，得到所述被测对象的永磁场。

本发明的有益效果是，可以在实现涡流磁场测量的同时，很方便地通过改变涡流激励频率和信号处理解决存在感应磁场时涡流磁场的测量问题，并容易利用同步数据采集提高涡流磁场测量的精度。此外，按本方法构建的数据采集装置实现简单、操作简便，可靠性高，非常适合微弱涡流磁场以及大尺寸系统整体涡流磁场的测试。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本明发明微弱涡流磁场测量装置的硬件结构示意图；

图2是放置被测对象时微弱涡流磁场测量装置的测量流程图；

图3是未放置被测对象时微弱涡流磁场测量装置的测量流程图；

图4是被测对象的永磁场的测量流程图；

图5是被测对象的感应磁场的测量流程图；

图中：1.磁屏蔽室，2.亥姆霍兹线圈，3.被测对象，4.被测对象托台，5.磁传感器托台，6.磁传感器，7.磁屏蔽管道，8.数据采集组件，9.信号源，10.功率放大器，11.数据同步源。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的微弱涡流磁场测量装置如图1所示，包括磁屏蔽室1、亥姆霍兹线圈2、被测对象3、被测对象托台4、磁传感器托台5、磁传感器6、磁屏蔽管道7、数据采集组件8、信号源9、功率放大器10和数据同步源11。其中：磁屏蔽室1一侧的外壁上设有穿过该外壁的磁屏蔽管道7，磁屏蔽室1的中心区域放置亥姆霍兹线圈2，而亥姆霍兹线圈2的中心区域又放置被测对象托台4，该被测对象托台4用于固定被测对象3，使其处于亥姆霍兹线圈2的磁场均匀区。磁传感器6固定安装在磁传感器托台5上，并同样位于磁屏蔽室1中，但其具体位置可根据被测对象3的尺寸大小以及涡流磁场的待测点选择安装在亥姆霍兹线圈2的内部或者外部。因电磁兼容设计，为防止微弱涡流磁场测量装置中相关组件之间相互干扰，故将数据采集组件8、信号源9、功率放大器10以及数据同步源11均放置在磁屏蔽室1的外部，其中数据采集组件8通过一经磁屏蔽管道7的同轴线缆连接磁传感器6，而功率放大器10通过另一经磁屏蔽管道7的同轴线缆连接亥姆霍兹线圈2。数据同步源11用于同步数据采集组件8和信号源9，从而其输出一分为二，分别连接至数据采集组件8的同步接口和信号源9的外触发接口。信号源9通常因驱动能力限制，无法直接驱动亥姆霍兹线圈2产生涡流测试所需的激励(比如±45μt)，故在其输出端连接功率放大器10以提升电流驱动能力。

本发明微弱涡流磁场测量装置的工作原理是：在亥姆霍兹线圈2产生相同涡流激励的环境下，利用数据同步在同一位置测量有无被测对象两种情况下的磁场信息，它们的代数差即为所求的涡流磁场，其中前提为被测对象的感应磁场应可忽略。具体实现方法如下：首先在磁屏蔽室1内放置亥姆霍兹线圈2、被测对象托台4以及磁传感器6，其中亥姆霍兹线圈2可以是三维的，它与磁屏蔽室1外的功率放大器10和信号源9依次连接，并一起提供涡流测量所需的激励，而磁传感器6常选择磁通门或者超导磁强计，用于获取指定位置的磁场信息；然后在磁屏蔽室1外，将信号源9的外触发接口和数据采集组件8的同步接口均连接至数据同步源11，其中数据同步源11可以是能提供方波的函数发生器，也可以是能提供pps信号的gps接收机；其次，利用数据同步源11对数据采集组件8和信号源9进行同步，并在关闭磁屏蔽室1和未放置被测对象的情况下，通过磁传感器6获取到背景磁场；最后在关闭磁屏蔽室1和放置被测对象的情况下，同样在数据采集组件8和信号源9同步的前提下，通过磁传感器6获取到包含涡流的磁场，从而将此包含涡流的磁场减去背景磁场就是需要求取的涡流磁场。

对于产生涡流激励的组件，信号源9通常可选择市场上常见带外触发功能的函数发生器，比如keysight公司的33522b函数发生器，但如果测量的背景信号和涡流磁场信号比值过大，超过函数发生器的动态范围(通常为80db)，则为保证测量到微弱的涡流磁场，信号源可采用基于pxi总线的24位数模转换器，比如ni公司的ni4461；功率放大器10主要针对信号源9输出功率不足，放大其输出信号，从而驱动亥姆霍兹线圈2以提供产生涡流激励所需的电流；亥姆霍兹线圈2则主要用于产生均匀的交流变化磁场，其中被测对象应放置在被测对象托台3上，并位于产生涡流激励的亥姆霍兹线圈2的磁场均匀区内，从而可无失真地模拟飞行过程中系统实际所切割的地球磁场。此外，亥姆霍兹线圈2可根据被测对象的尺寸进行定制，并可采用三维亥姆霍兹线圈，从而可模拟实际飞行姿态数据，满足大尺寸系统的整体涡流测试需求。

对于同步数据采集的相关组件，数据同步源11通常选择能提供方波的函数发生器，也可以选择能提供pps信号的gps接收机，它们以外触发的方式使产生涡流激励的信号源9和数据采集组件8同步，即通过上升沿或者下降沿使信号源9输出涡流激励的同时，数据采集组件8同步开始工作；数据采集组件8主要用于与磁传感器6相连，采集其输出信号，以计算涡流磁场，通常可定制，也可选用ni公司基于compactrio平台的24位高精度数据采集系统；磁传感器6主要用于获取指定位置的磁场信息，可根据空间和磁场大小选择放置在亥姆霍兹线圈2的内部或者外部，通常选择磁通门或者超导磁强计，其中超导磁强计可测量到更微弱的涡流磁场。采用同步数据采集的好处是：因涡流磁场的前后两次测量，整个测量装置只有有无被测对象这个因素发生变化，故测量结果也只与有无被测对象这个因素有关联，从而可忽略信号延时、周围物体因涡流激励产生的响应磁场等因素的影响。

当被测对象3的感应磁场不可忽略时，因感应磁场也会随涡流激励信号变化，从而在与背景磁场进行代数差后的剩余磁场，不但包含涡流磁场，而且还包括感应磁场，故前述测量方法需要进行修改，但测量装置无须改动。针对存在感应磁场的被测对象，修改后的涡流测量方法是：首先利用恒定磁场求解出被测对象的永磁场；然后利用极低频的涡流激励求解出相应的感应磁场；最后按照前述涡流测量方法测量出被测对象的感应磁场和涡流磁场之和，因感应磁场在无回滞的情况下不随激励源的频率改变，故通过对已求解的感应磁场按照涡流激励的频率比进行重采样后，即可通过代数运算求解出待解的涡流磁场。其具体实现方法如下：首先在亥姆霍兹线圈2中放置被测对象，并利用其先后产生的两个方向相反，但幅值一样的恒定磁场，通过前述装置获取到两组被测对象永磁场和感应磁场的代数组合，即永磁场加感应磁场和永磁场减感应磁场，从而可通过数学计算求解出被测对象的永磁场；然后在亥姆霍兹线圈2产生极低频涡流激励(幅值与待求解涡流激励一致)的环境下，利用数据同步测量磁传感器在同一测量位置的输出，其中在极低频(比如0.01hz)测量时，应确保此时其涡流磁场相对待测涡流可忽略，从而使测量结果仅包含感应磁场和永磁场，进而可利用已求解的永磁场，通过代数计算求解出被测对象的感应磁场；最后在亥姆霍兹线圈2产生待求解涡流激励的环境下，按照前述无感应磁场的涡流测量方法，记录磁传感器6在同一测量位置的输出，因测量结果包含感应磁场和涡流磁场，通过对已求解的感应磁场按照涡流激励的频率比(即前述由亥姆霍兹线圈2前后两次产生的涡流激励的频率比值)进行重采样以获得在待求解涡流激励下的感应磁场后，即可通过代数运算求解出待解的涡流磁场，求解过程如下：将前述包含感应磁场和涡流磁场的测量结果减去重采样得到的仅包含感应磁场的测量结果即得到涡流磁场。

下面分步详细介绍利用图1中的测量装置来测量被测对象涡流磁场的方法：

当被测对象的感应磁场可忽略时，需要测量有无被测对象时的磁场，有被测对象时的测量流程如图2所示，包括：第1步，开始，即开展涡流测试相关的准备工作；第2步，测试装置搭建，即按照图1搭建微弱涡流磁场测量装置，并依次连接相关的线缆；第3步，放置被测对象，即将被测对象3按测量方向固定安装在被测对象托台4上；第4步，系统上电，即在关闭磁屏蔽室1后，依次开启同步数据采集组件8、信号源9、功率放大器10以及数据同步源11的电源；第5步，工作参数设置，即按涡流磁场测试需求设置同步数据采集组件8、信号源9、功率放大器10以及数据同步源11的工作参数，比如同步数据采集组件8的采样率、信号源9输出信号的频率和幅值、功率放大器10的增益；第6步，模拟产生同步的涡流激励，即通过数据同步源11以外触发的方式，使数据同步源11输出信号的上升沿或者下降沿与信号源9的输出信号同步，其中信号源9应工作在burst模式下，从而在数据同步源11每次产生上升沿或者下降沿时，经功率放大器10驱动亥姆霍兹线圈2产生的磁场也一致，同时由于磁屏蔽室1的缘故，作用于被测对象3的涡流激励也就基本恒定；第7步，同步数据采集，即利用亥姆霍兹线圈2产生的磁场与数据同步源11同步的特点，同样基于数据同步源11输出信号的上升沿或者下降沿，以外触发的工作模式或者gps重采样使数据采集组件8与亥姆霍兹线圈2产生的磁场同步进行数据采集，其中数据采集组件8选用ni公司基于compactrio平台的24位高精度数据采集系统；第8步，获取磁测量数据，即在数据采集组件8完成磁传感器6的测量后，读取数据采集组件8测量到的数据。

无被测对象时的测量流程如图3所示，包括：第1步，开始，即开展背景磁场测试相关的准备工作；第2步，开启磁屏蔽室1，，即按图2完成测量后，打开磁屏蔽室1的大门；第3步，移除被测对象3，即将被测对象3从被测对象托台4移放到磁屏蔽室1外面；第4步，关闭屏蔽室1，即关闭磁屏蔽室1的大门；第5步，工作参数设置23，即按图2中同样的涡流磁场测试需求，保持同步数据采集组件8、信号源9、功率放大器10以及数据同步源11的工作参数不变；第6步，模拟产生同步的涡流激励，其操作步骤与图2中的模拟产生同步的涡流激励步骤一样，即通过数据同步源11以外触发的方式，使数据同步源11输出信号的上升沿或者下降沿与信号源9的输出信号同步，其中信号源9应工作在burst模式下，从而在数据同步源11每次产生上升沿或者下降沿时，经功率放大器10驱动亥姆霍兹线圈2产生的磁场也一致，同时由于磁屏蔽室的缘故，作用于被测对象3的涡流激励也就基本恒定；第7步，同步数据采集，其操作步骤与图2中的同步数据采集18一样，即利用亥姆霍兹线圈2产生的磁场与数据同步源11同步的特点，同样基于数据同步源11输出信号的上升沿或者下降沿，以外触发的工作模式或者gps重采样使数据采集组件8与亥姆霍兹线圈2产生的磁场同步，其中数据采集组件8选用ni公司基于compactrio平台的24位高精度数据采集系统；第8步，获取背景磁场，即在数据采集组件8完成磁传感器6的测量后，读取数据采集组件8测量到的数据，因测量过程中没有被测对象3，而其他测试条件一样，故读取的数据就是求取涡流磁场所需的背景磁场。

在依次按照图2和图3所示的测试流程完成测试后，在被测对象3的感应磁场可忽略的情况下，两者的测试结果之差即为被测对象3在被测对象托台4所处位置的涡流磁场。

在被测对象3的感应磁场不可忽略的情况下，上述图2和图3的测试结果之差，不但包含涡流磁场，而且还包括感应磁场，故要求取出涡流磁场，须将感应磁场剥离。考虑到在没有磁滞的前提下，感应磁场不随激励源频率改变的特性以及涡流激励为极低频信号时被测对象3的涡流可忽略的特性，故通过极低频激励源求解出感应磁场后，按照涡流激励的频率比进行重采样，即可通过代数运算求解出待解的涡流磁场。

欲求解感应磁场，需先获得永磁场，而求解永磁场的测试装置同样如图1所示。被测对象永磁场的测量流程如图4所示，包括：第1步，开始，即开展被测对象3永磁场测试相关的准备工作；第2步，放置被测对象，即将被测对象3按测量方向固定安装在被测对象托台4上，并关闭磁屏蔽室1的大门，保持磁屏蔽室内部的磁场稳定；第3步，加载恒定磁场，即将信号源9设置工作在直流模式下，并在按照测试需求设置其工作参数后，使其输出经功率放大器10驱动亥姆霍兹线圈2产生恒定的测试磁场；第4步，记录磁测量数据，即在数据采集组件8完成磁传感器6的测量后，读取数据采集组件8存储器中的数据，此数据包括被测对象感应磁场和永磁场代数和；第5步，工作参数修改，即修改信号源9的工作参数，使其输出直流信号的幅值不变，但极性反向；第6步，加载方向相反的恒定磁场，即将信号源9的输出经功率放大器10驱动亥姆霍兹线圈2产生恒定的测试磁场，其方向与第3步产生的磁场反向；第7步，记录磁测量数据，即在数据采集组件8完成磁传感器6的测量后，读取数据采集组件8存储器中的数据，此数据同样包括被测对象感应磁场和永磁场的代数和，但其包含的感应磁场与第4步测量的方向相反；第8步，计算永磁场，即将第4步和第7步测量的数据相加，再除以2即可获得被测对象3的永磁场。

因感应磁场是随外界磁场变化的，故在获得被测对象3的永磁场后，要从图2和图3的测量结果中剥离感应磁场，需要获得在相应激励下的感应磁场。被测对象感应磁场的测量流程如图5所示，包括：第1步，开始，即开展被测对象3感应磁场测试相关的准备工作；第2步，保持被测对象位置不变，即将被测对象3保持图4测量过程中的位置不变；第3步，更改信号工作参数，即将信号源9重新设置工作burst模式下，并按图2的第5步重新设置相关的工作参数，但信号源9的工作频率需要调至极低频，比如0.01hz，以消除测量过程中涡流磁场的影响；第4步，加载极低频的涡流激励，即将信号源9的输出经功率放大器10驱动亥姆霍兹线圈2产生极低频的测试磁场；第5步，记录磁测量数据，即在数据采集组件8完成磁传感器6的测量后，读取数据采集组件8存储器中的数据，此数据包括被测对象3的极低频感应磁场和恒定永磁场的代数和；第6步，求解感应磁场，即将第5步的测试数据减去按图4测试流程获得的永磁场，就可获得在被测对象3第4步激励下的极低频感应磁场；第7步，多次测量求感应磁场平均值，即重复第4步到第6步，将获取的被测对象3极低频感应磁场求平均，以提高测量精度。

基于图2和图3测试流程中的工作参数，按照图4和图5的测试流程获得被测对象3在相应激励下的感应磁场后，鉴于按图2和图3测试流程的测量结果包含感应磁场和涡流磁场，从而通过对已求解的感应磁场按照涡流激励的频率比进行重采样后，即可通过代数运算求解出待解的涡流磁场。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。