磁场测量系统和磁场测量方法与流程

本申请涉及测量领域，特别是涉及一种磁场测量系统和磁场测量方法。

背景技术：

微弱磁场测量在地磁导航、地质资源勘探、科学研究、国防建设与医疗仪器等领域都有广泛应用。

由于现有测量磁场的方法，其对高频交变磁场的灵敏度要高于对静磁场的灵敏度。故可以通过对待测磁场的调制将待测静磁场转变为高频交变磁场，再对其进行测量，从而提高传感器的灵敏度。

现有的磁场测量装置采用的调制单元通常是微米尺度的结构，通过驱动调制单元振动，改变调制单元与聚集单元之间的距离，实现磁通聚集调制。由于调制单元本身性质的限制，通过调制片本身固有振动模式实现调制的方案，只能在微米尺度下，才能实现较高调制频率，且由于尺寸限制，调制幅度有限。而在毫米及其以上的尺度，振动片本身的固有频率较低，无法实现较高频率的调制(khz以上)。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有的磁场测量装置调制幅度有限的问题，提供一种磁场测量系统和磁场测量方法。

一种磁场测量系统，包括：

磁场测量装置，用以测量待测静磁场的大小；

磁场调制装置，包括至少一个第一软磁体，所述第一软磁体与所述待测静磁场不垂直，所述第一软磁体相对于所述磁场测量装置旋转以将所述待测静磁场调制为交变磁场。

在一个实施例中，所述第一软磁体包括：

相对的第一端和第二端，从所述第一端到所述第二端，所述第一软磁体的截面的面积逐渐减小，所述第一软磁体设置于所述待测静磁场时，所述第二端形成磁通聚集区域，所述磁场测量装置设置于所述磁通聚集区域。

在一个实施例中，所述磁场调制装置还包括：

第二软磁体，所述第二软磁体包括相对设置的第三端和第四端，从所述第三端到所述第四端，所述第二软磁体的截面的面积逐渐减小，所述第一软磁体和所述第二软磁体设置于同一平面，所述第二端和所述第四端相对设置，所述磁场测量装置设置于所述第二端和所述第四端之间。

在一个实施例中，还包括磁通聚集装置，包括：

第一磁通聚集板，包括相对的第五端和第六端，从所述第五端到所述第六端，所述第一磁通聚集板的截面的面积逐渐减小，将所述第一磁通聚集板设置于所述待测静磁场时，在所述第六端形成磁通聚集区域，所述磁场测量装置设置于所述磁通聚集区域，所述待测静磁场在所述磁通聚集区域聚集形成聚集静磁场，所述至少一个第一软磁体在所述磁场测量装置的周围旋转以将所述聚集静磁场调制成交变磁场。

在一个实施例中，所述磁通聚集装置还包括：

第二磁通聚集板，包括相对设置的第七端和第八端，从所述第七端到所述第八端，所述第二磁通聚集板的截面的面积逐渐减小，所述第一磁通聚集板和所述第二磁通聚集板设置于同一平面，所述第六端和所述第八端间隔相对设置，所述磁场测量装置设置于所述第六端和所述第八端之间。

在一个实施例中，所述磁场调制装置还包括：

转动板，所述转动板相对于所述第一磁通聚集板平行设置，所述至少一个第一软磁体设置于所述转动板边缘，所述转动板自转以带动所述第一软磁体在所述磁场测量装置的周围旋转。

在一个实施例中，所述磁通聚集区域朝向所述转动板的垂直投影落在所述转动板的边缘。

在一个实施例中，所述磁场测量装置包括基于固态自旋体系的磁传感器。

一种磁场测量方法，包括步骤：

使软磁体在待测静磁场旋转以将所述待测静磁场调制为交变磁场；

通过所述交变磁场获得所述待测静磁场的大小。

在一个实施例中，在所述使第一软磁体在待测静磁场旋转以将待测静磁场调制为交变磁场之前，还包括：

将所述待测静磁场的磁通聚集。

本申请提供的磁场测量系统和磁场测量方法，在所述第一软磁体高速旋转时，可以使得所述磁场测量装置的周围的所述被测静磁场的大小和方向发生变化，进而转换为高频交变磁场。所述磁场测量装置测量静磁场的灵敏度要远低于测量高频交变磁场的灵敏度，因此通过对待测静磁场的调制将所述待测静磁场转变为高频交变磁场，再对其进行测量，从而提高了测量的灵敏度和精度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的磁场测量系统的示意图；

图2为本申请实施例中相对磁导率与放大率关系图；

图3为本申请实施例提供的旋转角度与放大率的关系图；

图4为本申请实施例提供的磁通聚集效果图；

图5为本申请另一个实施例提供的磁通聚集效果图；

图6为本申请另一个实施例提供的磁场测量系统的示意图；

图7为本申请另一个实施例提供的磁通聚集效果图；

图8为本申请另一个实施例提供的相对磁导率与放大率关系图；

图9为本申请另一个实施例提供的磁通聚集效果图；

图10为本申请另一个实施例提供的磁通聚集效果图；

图11为本申请另一个实施例提供的旋转角度与放大率的关系图；

图12为本申请实施例提供的磁场测量方法步骤图。

附图标记说明

磁场测量系统10

磁场测量装置100

磁场调制装置200

第一软磁体210

第一端211

第二端212

第二软磁体220

第三端221

第四端222

转动板230

磁通聚集装置300

第一磁通聚集板310

第五端311

第六端312

第二磁通聚集板320

第七端321

第八端322

磁通聚集区域400

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的磁场测量系统和磁场测量方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种磁场测量系统10。所述磁场测量系统10包括磁场测量装置100和磁场调制装置200。所述磁场测量装置100用以测量待测静磁场的大小。所述磁场调制装置200包括至少一个第一软磁体210。所述第一软磁体210与所述待测静磁场平行。所述第一软磁体210相对于所述磁场测量装置100旋转以将所述待测静磁场调制为交变磁场。

所述磁场测量装置100可以用来测量磁场的大小。所述磁场测量装置100可以为磁通门感测器、探测线圈感测器、磁阻感测器、巨磁阻抗磁传感器或量子超导干涉仪中的一种，以及基于固态自旋的磁传感器。

所述磁场调制装置200可以用以将待测静磁场调制为交变磁场。所述第一软磁体210可以为高磁导率的材料制成。所述第一软磁体210的材料可以为坡莫合金、μ合金、透磁合金或者坡莫合金中的一种。所述第一软磁体210也可以为其它可以改变磁场分布的材料。所述第一软磁体210相对于所述磁场测量装置100旋转，即所述第一软磁体210可以在外界驱动力的作用下高速围绕所述磁场测量装置100旋转，也可以围绕一个不与所述磁场测量装置100重合的中心旋转。所述第一软磁体210旋转的圆形轨迹可以包围所述磁场测量装置100，所述第一软磁体210旋转的圆形轨迹也可以位于所述磁场测量装置100的一侧。

在一个实施例中，所述第一软磁体210旋转的轨迹所在的平面与所述待测静磁场相平行。因此调制后的所述交变磁场的变化幅度较大，便于测量。

所述第一软磁体210高速旋转时，可以使得所述磁场测量装置100的周围的所述被测静磁场的大小和方向发生变化，进而转换为高频交变磁场。所述磁场测量装置100测量静磁场的灵敏度要远低于测量高频交变磁场的灵敏度，因此通过对待测静磁场的调制将所述待测静磁场转变为高频交变磁场，再对其进行测量，从而提高了测量的灵敏度和精度。

在一个实施例中，所述第一软磁体210包括相对的第一端211和第二端212。从所述第一端211到所述第二端212，所述第一软磁体210的截面的面积逐渐减小。所述第一软磁体210设置于所述待测静磁场时，所述第二端212形成磁通聚集区域400。所述磁场测量装置100设置于所述磁通聚集区域400。由于所述第一软磁体210由高磁导率材料制成。磁感线穿过高磁导率材料时，垂直于磁感线方向横截面的磁通基本不变，横截面积减小时，磁感应强度增强，因此在所述第一软磁体210所在的平面，从所述第一端211到所述第二端212，磁感应强度会逐渐增强。到所述第二端212时，所述待测静磁场的聚集强度最强。即从所述第一端211到所述第二端212，所述第一软磁体210的截面的面积逐渐减小时，所述第一软磁体210具有磁通聚集的作用。因而可以将磁场放大。放大后的磁场更容易测量。

在一个实施例中，所述第一软磁体210可以为扇形结构，所述第一端211可以为所述扇形结构的弧线的一端，所述第二端212可以为所述扇形结构的圆心的一端。所述扇形结构简单，磁通聚集效果好。其中，磁通聚集的原理如下：

假设所述第一软磁体210设置于均匀外磁场hex中，由于退磁场的作用，所述第一软磁体210的有效磁场heff为：

heff＝hex-hd

hd为所述第一软磁体210的退磁场，有

hd＝-nm

m为所述第一软磁体210的磁化强度，n为所述第一软磁体210的退磁因数，它的大小与m无关，只依赖于所述第一软磁体210的几何形状及所选取的座标，一般情况下它是一个二阶张量。

m＝(μr-1)heff

μr为所述第一软磁体210的相对磁导率，μ0为真空磁导率。对于均匀的各项同性的所述第一软磁体210，假定磁场的方向为x方向，则有

hd＝-nxm＝-(μr-1)nxheff

磁感应强度bx为

可定义放大率g：

可以看出放大率g与所述第一软磁体210的相对磁导率μr以及所述第一软磁体210的退磁因数n有关。当所述第一软磁体210相对磁导率μr趋向于无穷时，其放大率g趋向于最大值为：

说明随着所述第一软磁体210的相对磁导率μr逐渐增大，其变化对放大率g的影响逐渐减小，在相对磁导率足够大时，放大率g主要由其退磁因数n所决定。又由于退磁因数n依赖于所述第一软磁体210的几何形状，所以所述第一软磁体210的放大率g的上限由所述第一软磁体210的形状参数所决定。而从所述第一端211到所述第二端212，所述第一软磁体210的截面的面积逐渐减小的结构可以具有较大的磁场放大率。

在一个实施例中，所述磁场调制装置200还包括第二软磁体220。所述第二软磁体220包括相对设置的第三端221和第四端222。从所述第三端221到所述第四端222。所述第二软磁体220的截面的面积逐渐减小。所述第一软磁体210和所述第二软磁体220设置于同一平面。所述第二端212和所述第四端222相对设置。所述磁场测量装置100设置于所述第二端212和所述第四端222之间。所述第二软磁体220的形状可以与所述第一软磁体210的形状相同，所述第二软磁体220也可以是高磁导率材料制成。可以理解，所述第二软磁体220也可以为扇形结构。相对于只有一个所述第一软磁体210，所述第一软磁体210和所述第二软磁体220相对设置可以增强所述磁通聚集区域400中磁场的聚集效果，进一步放大磁场。

对于具有左右对称形状的高磁导率各向同性的磁通聚集元件来说，当其处于均匀稳定的磁场环境中时，其内部中间位置的磁感应强度是最大的。如果从该磁通聚集元件中间对称轴位置将其分割为两个相同的对称结构，其中间缝隙位置的磁感应强度也要大于不存在此结构时环境中磁感应强度。但要小于在分割之前该位置的磁感应强度，且缝隙宽度越小，磁感应强度越大。在缝隙处放置所述磁场测量装置100即能测量经过聚集以后的磁场，相当于对待测静磁场进行放大。

本实施例中，所述第一软磁体210和所述第二软磁体220关于所述磁场测量装置100对称设置。因此所述第二端212和所述第四端222之间的磁感应强度是最大的，进而可以便于对磁场进行测量。可以理解，当所述第一软磁体210和所述第二软磁体220各个方向的退磁因数(比如nx、ny、nz)不尽相同时，对于同一个所述第一软磁体210和所述第二软磁体220，对其施加磁场的方向不同时，其聚集效果也会发生变化。

当所述第一软磁体210和所述第二软磁体220中心线的连线与所述待测静磁场平行时，所述待测静磁场的方向同时也是所述第一软磁体210和所述第二软磁体220的最大聚集方向，且磁通的聚集效果可随材料相对磁导率变化，如图2所示，最高可以达到22.6倍。所述第一软磁体210和所述第二软磁体220作为一个整体相对于待测静磁场转动时，所述第一软磁体210和所述第二软磁体220的聚集方向与待测静磁场的相对方向发生变化，所述磁场测量装置100的磁场大小发生变化。调制过程中磁场放大率随转动角度的变化如图3所示，最大放大率和最小放大率分布为22.6和0.33，被调制以后的信号幅度与调制之前的信号幅度之间比值为调制效率，故调制效率为98.5％。磁感应强度最大及最小时中心点附近磁场分布如图4、图5所示。转盘的转动使感测器所处位置磁场的大小发生变化，实现磁场的调制。

请参见图6，在一个实施例中，所述磁场测量系统10还还包括磁通聚集装置300。所述磁通聚集装置300包括第一磁通聚集板310。所述第一磁通聚集板310包括相对的第五端311和第六端312。从所述第五端311到所述第六端312，所述第一磁通聚集板310的截面的面积逐渐减小。将所述第一磁通聚集板310设置于所述待测静磁场时，在所述第六端312形成磁通聚集区域400，所述磁场测量装置100设置于所述磁通聚集区域400。所述待测静磁场在所述磁通聚集区域400聚集形成聚集静磁场。所述至少一个第一软磁体210在所述磁场测量装置100的周围旋转以将所述聚集静磁场调制成交变磁场。

在一个实施例中，所述第一磁通聚集板310可以为大致的t形结构。所述t型结构的“竖”的尖端可以比较窄，t型结构的“竖”朝向“横”越来越宽。所述t形结构的“竖”的两端可以分别为所述第五端311和所述第六端312。所述第六端312可以为所述t形结构的“竖”远离所述t型结构的“横”的一端。所述第一软磁体210在所述磁场测量装置100周围高速旋转，可以将所述聚集静磁场调制为高频交变磁场。所述磁场测量装置100通过所述高频交变磁场可以更精确测量所述待测静磁场的大小。

请再参见图6，在一个实施例中，所述磁通聚集装置300还包括第二磁通聚集板320。所述第二磁通聚集板320包括相对设置的第七端321和第八端322。从所述第七端321到所述第八端322，所述第二磁通聚集板320的截面的面积逐渐减小。所述第一磁通聚集板310和所述第二磁通聚集板320设置于同一平面。所述第六端312和所述第八端322间隔相对设置。所述磁场测量装置100设置于所述第六端312和所述第八端322之间。所述第六端312和所述第八端322间隔相对设置可以进一步增强在所述磁通聚集区域400的聚集效果。

通过优化所述第一磁通聚集板310和所述第二磁通聚集板320的几何结构以所述第六端312和所述第八端322之间的距离大小等方式，可以使放大效果达到100倍以上，使测量的灵敏度提高两个数量级以上。

通过改变第一软磁体210、第二软磁体220的大小、相对位置以及与所述第一磁通聚集板310或所述第一磁通聚集板310的距离等方式，可以优化具体的调制效果，增加调制深度，模拟表明调制深度可以达到90％以上。其中，调制深度h定义如下：

其中bmin为调制过程中磁传感器位置的磁感应强度达到的最小值，bmax为调制过程中磁传感器位置的磁感应强度达到的最大值，b为未经调制而仅有聚集单元时磁传感器位置的磁感应强度大小。

调制频率高。通过改变所述第一软磁体210、所述第二软磁体220的驱动方式、驱动速率以及调制单元的数量等方式，可以改变调制频率，达到百khz的量级，有效地抑制杂讯或者契合测量方式，能使测量灵敏度提高几个数量级。

在一个实施例中，所述磁场调制装置200还包括转动板230。所述转动板230相对于所述第一磁通聚集板310平行设置。所述至少一个第一软磁体210设置于所述转动板230边缘。所述转动板230自转以带动所述第一软磁体210在所述磁场测量装置100的周围旋转。在一个实施例中，所述转动板230与所述第一磁通聚集板310设置于同一个平面。在一个实施例中，所述转动板230可以设置于所述第一磁通聚集板310的第六端312的周围。所述转动板230高速转动会使得所述第一软磁体210周期性地靠近或者远离所述磁通聚集区域400。因而所述磁通聚集区域400的磁场会被调制为交变磁场。

在一个实施例中，所述磁通聚集区域400朝向所述第一磁通聚集板310的垂直投影落在所述转动板230的边缘。由于所述第一软磁体210设置于所述转动板230的边缘，在所述转动板230转动时，所述磁通聚集区域400朝向所述转动板230的垂直投影可以周期性落在所述第一软磁体210上。因此所述第一软磁体210距离所述磁通聚集区域400的最近距离和最远距离的差值可以为所述转动板230的直径。在一个实施例中，所述转动板230可以设置于所述第一软磁体210和所述第二软磁体220之间。因此所述第一软磁体210和所述第二软磁体220可以构成“h”形。所述第六端312和所述第八端322构成“h”中的横，所述转动板230可以设置于所述第六端312和所述第八端322的一侧。

在上述实施例中，在所述第一磁通聚集板310和所述第二磁通聚集板320对所述待测静磁场进行磁通聚集时磁场的分布图如图7所示，可见磁感线朝向所述磁通聚集区域400的中心汇聚。待测静磁场区域的磁感应强度相比较没有加所述第一磁通聚集板310和所述第二磁通聚集板320时明显放大。聚集效果可随材料相对磁导率变化，相对磁导率对聚集效果的影响如图8所示，最高可以达到53倍。

多个所述第一软磁体210等间隔设置于所述转动板230的边缘。所述转动板230连接于一高速转机，可作高速转动。所述第一软磁体210、所述第二软磁体220和所述转动板230设置于同一平面时，磁通聚集和调制的效果更好。当所述转动板230转动时，所述第一软磁体210转动到所述磁通聚集区域400的正上方时，请参见图9，磁力线主要从所述第一磁通聚集板310通过所述位于所述磁通聚集区域400的正上方的所述第一软磁体210进入所述第二磁通聚集板320。所述磁通聚集区域400的磁感应强度达到最小值。请参见图10，当两个所述第一软磁体210之间的间隙位于所述磁通聚集区域400正上方时，磁通主要从所述第一磁通聚集板310通过所述磁通聚集区域400进入所述第二磁通聚集板320。此时所述磁通聚集区域400的磁通聚集效果最好，所述磁通聚集区域400的磁感应强度达到最大值。在磁场的调制过程中，磁场放大率随转动角度的变化如图11所示，最大磁场放大率和最小磁场放大率分为51.0和32.9。调制效率为34.2％。

在一个实施例中，所述磁场测量装置100包括基于固态自旋体系的磁传感器。基于固态自旋的磁传感器利用固态自旋体系的性质实现，电子具有自旋磁矩，在外磁场的作用下，电子的能级会发生分裂，称作塞曼分裂。电子在不同的能级之间跃迁时，须遵守跃迁选择定则，这与能级的各个量子数有关。所以电子在不同的能级之间能否跃迁，要取决于电子的自旋状态。

在一个实施例中，可以利用固态自旋体系的磁传感器通过脉冲式测磁方法和连续波式测磁方法对磁场进行测量：

脉冲式测磁方法的测量原理如下：当电子自旋处于叠加态时，外界磁场会使得电子自旋累加相对相位。利用这个特性，可以制成基于自旋的磁探头。我们首先将其制备到叠加态，然后使其在外磁场下自由演化或用微波脉冲序列控制其演化，这时体系的叠加态会积累相对相位。最后将相对相位映射到布居度上，读出信号，从而得到磁场的信息。

连续波式测磁方法的原理如下：电子自旋磁矩在不同强度的外磁场作用下，由于赛曼分裂所产生的能级差不同。通过对电子自旋连续波谱共振频率及其变化或者类似的的稳态方法进行测量，即可得到磁场信息。

对于该基于固态系综自旋的磁场测量装置100，拥有极高的空间解析度。

请参见图12，依据上述磁场测量装置，本申请实施例还提供一种磁场测量方法。

所述磁场测量方法包括步骤：

s10，使软磁体在待测静磁场中旋转以将所述待测静磁场调制为交变磁场；

s20，通过所述交变磁场获得所述待测静磁场的大小。

在步骤s10中，所述软磁体可以为上述实施例中的第一软磁体210。

由于磁场测量装置100对高频交变磁场的灵敏度要高于对静磁场的灵敏度，故可以通过对待测静磁场的调制将待测静磁场转变为高频交变磁场，再对高频交变磁场进行测量，从而提高磁场测量装置100测量的灵敏度。并可以精确得到所述待测静磁场的大小。第一软磁体210的旋转速率和频率容易改变，因此容易得到高频交变磁场，第一软磁体210在待测静磁场旋转可以获得高频交变磁场，且旋转的频率不受第一软磁体210的尺寸的限制，因此所述磁场测量方法可以适用于宏观尺寸和微观尺寸的磁场调制装置200。在一个实施例中，所述待测静磁场的与所述第一软磁体210所在的平面平行。此时所述第一软磁体210在所述待测静磁场中旋转，对所述待测静磁场的调制效果最好。

步骤s20中，相对于待测静磁场，所述交变磁场可以提高测量的灵敏度和精度。

在一个实施例中，在步骤s10之前，在所述使第一软磁体210在待测静磁场旋转以将待测静磁场调制为交变磁场之前，还包括步骤：

s01，将所述待测静磁场的磁通聚集。

通过将磁通聚集可以提高测量磁场位置磁场的强度，即对待测静磁场进行放大，便于对磁场进行测量。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。