一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计制造技术

本发明专利技术涉及一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计，属于磁场计量技术领域。对提取电路进行优化设计，使感应式磁强计探头的本底噪声达到50fT/Hz

【技术实现步骤摘要】
一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计


[0001]本专利技术涉及一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计，属于磁场计量
，微弱是指交变磁场量值在1nT以下，低噪声是指感应式磁强计探头的本底噪声不大于50fT/Hz
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@10Hz。

技术介绍

[0002]在资源勘探、深部构造探测、地震预报、军事目标探测、心脑磁测量、主动磁屏蔽、行星磁场起源演化研究等诸多领域，广泛使用交流特斯拉计、交变磁传感器等仪器进行微弱交变磁场的测量，为了确保交变磁场表征单位统一、量值准确可靠，需要使用交变弱磁场标准装置或校准装置定期开展实验室检定/校准或现场检定/校准等量值传递工作。
[0003]交变弱磁标准装置一般采用标准测量线圈磁强计和感应式磁强计作为主标准器或主要配套设备用于比对和检零。标准测量线圈磁强计为空心线圈结构，对磁通量无放大功能，在低频微弱磁场下的感应电压信号非常微弱甚至被淹没在噪声之中，测量不确定度较大，一般只用于1nT以上的量值传递工作。感应式磁强计由探头(即感应线圈棒或感应式磁传感器)和主机构成，感应式磁传感器采用填充长条状软磁磁芯的感应线圈结构，对磁通量具有显著的放大作用，通常为几十倍量级，信噪比显著提高，主要用于1nT以下交变磁场量值传递。近年来，随着相关应用研究快速发展，交变弱磁计量技术需要提前向极弱量方向发展，因而对用于比对和检零的计量级感应磁强计而言，必须提高其微弱磁信号检测能力，拓展其测量下限。
[0004]但是，现有的计量级感应式磁强计的弱磁信号检测能力不管是从探头还是主机都不满足未来发展需求，主要在于探头的本底噪声为500fT/Hz
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@10Hz仍然较大，而主机基于数据采集量化和FFT原理将感应出的交变磁场模拟电压信号转换为数值，理论上FFT本身不会改变信噪比，实际上由于FFT存在频谱混叠和泄露、栅栏效应等问题，实际上降低了弱磁信号检测能力，而数据采集电路不管是理论上还是实际中均会使信噪比适当恶化，不能满足未来交变磁场计量向极弱量发展的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计，该感应式磁强计探头的本底噪声相对于现有技术，降低至少一个数量级达到50fT/Hz
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@10Hz，使感应式磁强计整机测量不确定度达到1pT(k＝2)。
[0006]本专利技术的技术解决方案是：
[0007]一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计，该低噪声感应式磁强计包括探头、主机和屏蔽电缆，探头通过屏蔽电缆与主机进行连接；
[0008]所述的探头包括磁芯、线圈骨架、感应绕组、反馈补偿绕组、电磁屏蔽薄膜、前置放大器、无磁壳体和无磁连接器；
[0009]所述的线圈骨架套在磁芯外面；
[0010]所述的感应绕组绕制在线圈骨架外表面，感应绕组上包覆一层电屏蔽薄膜，该电屏蔽薄膜上再绕制反馈补偿绕组，反馈补偿绕组上再包覆一层电屏蔽薄膜，感应绕组的一端连接信号地，感应绕组的另外一端连接前置放大电路输入端，反馈补偿绕组的一端连接信号地，反馈补偿绕组的另外一端连接前置放大电路输出端，前置放大器输出端连接无磁连接器，所述的磁芯、线圈骨架、感应绕组、反馈补偿绕组和前置放大器均安装在无磁壳体内，无磁连接器安装在无磁壳体外；
[0011]所述主机包括双相锁定放大器模块、参考信号模块、算法实现模块和数据处理与控制模块；
[0012]所述的双相锁定放大器模块包括50Hz陷波器、放大器、抗混叠滤波器、24位模数转换电路，探头的无磁连接器输出的信号与50Hz陷波器的输入端连接，经过50Hz陷波器的陷波后输出给放大器进行放大输出给抗混叠滤波器进行滤波后输出给24位模数转换电路进行模数转换后输出S
I
(t)给算法实现模块；
[0013]所述的参考信号模块采用内部参考源产生的两路正交的参考信号S
R0
(t)和S
R1
(t)给算法实现模块；
[0014]所述的算法实现模块用于接收参考信号模块输出的两路正交的参考信号S
R0
(t)和S
R1
(t)，还用于接收24位模数转换电路进行模数转换后输出的S
I
(t)并根据接收到的S
R0
(t)、S
R1
(t)和S
I
(t)计算出待测信号的实部X和虚部Y，然后再计算出幅值R和相位θ，θ＝tan(Y/X)，并将幅值R和相位θ输出给数据处理与控制模块；
[0015]所述的数据处理与控制模块用于接收算法实现模块输出的幅值R和相位θ，通过标定的探头灵敏度和零偏对接收到的幅值R和相位θ进行标定得到磁感应强度的幅值和相位。
[0016]优选的，所述的磁芯为哑铃状结构，哑铃状结构包括中间腰部和两头部分，中间腰部为软磁合金丝构成的截面形状为圆形的软磁合金束，两头部分为软磁合金材质的圆台状磁通聚集器；
[0017]所述的软磁合金束穿过线圈骨架内部，软磁合金束的两端固定连接在线圈骨架内表面，磁芯两头部分的磁通聚集器位于线圈骨架外部。
[0018]优选的，所述的软磁合金选择具有低巴克豪森噪声、高初始化磁导率、低矫顽力、高电阻率、高居里温度(大于150℃)的NiFe合金或非晶合金软磁材料；
[0019]所述的线圈骨架选择具有高稳定性、线膨胀系数低的的无磁非金属材料，包括但不限于聚砜、陶瓷、环氧；
[0020]所述的感应绕组和反馈补偿绕组均采用无氧铜漆包线。
[0021]优选的，所述的软磁合金束的直径与线圈骨架内径一致。
[0022]优选的，所述的前置放大器采用基于V/I变换的磁通负反馈补偿电路，V/I变换电路中使用低温漂电阻；
[0023]所述的前置放大器采用调制解调电路，当检测低频信号时，将处于1/f频段的低频磁信号调制到具有较低噪声的高频段再进行解调，用于降低1/f噪声，只有当测量低频磁场时开启该调制解调电路。
[0024]优选的，所述的感应绕组为几千至几万匝，分段绕制在线圈骨架外表面；
[0025]所述的反馈补偿绕组匝数5～10匝。
[0026]优选的，所述的主机还包括显示模块和电池组与电源转换模块；
[0027]所述的显示模块用于显示数据处理与控制模块发送的待测微弱磁信号的幅值和相位；
[0028]所述的电池组和电源转换模块用于为感应式磁强计所有电路提供电能，包括探头。
[0029]优选的，电池组选择充电锂离子电池组，电源转换模块通过DC/DC变换和LDO将电池组输出电压进行变换和稳压，产生主机所需的各种正负电压。
[0030]优选的，所述的主机还包括机箱，机箱用于安装锁定放大器模块、数据处理与控制模块、显示模块、电池组和电源转换模块，机箱采用无磁铝合金机箱。
[0031]一种使用低噪声感应式磁强计进行磁场强度测试的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计，其特征在于：该低噪声感应式磁强计包括探头、主机和屏蔽电缆，探头通过屏蔽电缆与主机进行连接；所述的探头包括磁芯、线圈骨架、感应绕组、反馈补偿绕组、电磁屏蔽薄膜、前置放大器、无磁壳体和无磁连接器；所述的线圈骨架套在磁芯外面；所述的感应绕组绕制在线圈骨架外表面，感应绕组上包覆一层电屏蔽薄膜，该电屏蔽薄膜上再绕制反馈补偿绕组，反馈补偿绕组上再包覆一层电屏蔽薄膜，感应绕组的一端连接信号地，感应绕组的另外一端连接前置放大电路输入端，反馈补偿绕组的一端连接信号地，反馈补偿绕组的另外一端连接前置放大电路输出端，前置放大器输出端连接无磁连接器，所述的磁芯、线圈骨架、感应绕组、反馈补偿绕组和前置放大器均安装在无磁壳体内，无磁连接器安装在无磁壳体外；所述主机包括双相锁定放大器模块、参考信号模块、算法实现模块和数据处理与控制模块；所述的双相锁定放大器模块包括50Hz陷波器、放大器、抗混叠滤波器、24位模数转换电路，探头的无磁连接器输出的信号与50Hz陷波器的输入端连接，经过50Hz陷波器的陷波后输出给放大器进行放大输出给抗混叠滤波器进行滤波后输出给24位模数转换电路进行模数转换后输出S
I
(t)给算法实现模块；所述的参考信号模块采用内部参考源产生的两路正交的参考信号S
R0
(t)和S
R1
(t)给算法实现模块；所述的算法实现模块用于接收参考信号模块输出的两路正交的参考信号S
R0
(t)和S
R1
(t)，还用于接收24位模数转换电路进行模数转换后输出的S
I
(t)并根据接收到的S
R0
(t)、S
R1
(t)和S
I
(t)计算出待测信号的实部X和虚部Y，然后再计算出幅值R和相位θ，θ＝tan(Y/X)，并将幅值R和相位θ输出给数据处理与控制模块；所述的数据处理与控制模块用于接收算法实现模块输出的幅值R和相位θ，通过标定的探头灵敏度和零偏对接收到的幅值R和相位θ进行标定得到磁感应强度的幅值和相位。2.根据权利要求1所述的一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计，其特征在于：所述的磁芯为哑铃状结构，哑铃状结构包括中间腰部和两头部分，中间腰部为软磁合金丝构成的截面形状为圆形的软磁合金束，两头部分为软磁合金材质的圆台状磁通聚集器；所述的软磁合金束穿过线圈骨架内部，软磁合金束的两端固定连接在线圈骨架内表面，磁芯两头部分的磁通聚集器位于线圈骨架外部。3.根据权利要求2所述的一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海波，杨勇，李享，吴新哲，孙楚光，
申请(专利权)人：宜昌测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：