一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置

摘要

本发明公开一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置，以法拉第电磁感应定律为基本原理，由七个正交分布的三轴线圈磁传感器，水平底座以及信号线接头构成。通过串联反接的线圈传感器连接方式以及原点对称布局结构设计实现了空间磁场梯度全张量信号的直接测量。本发明的优点为：解决了传统磁场梯度测量装置只能测量磁场单一方向梯度信息的技术缺陷，并提高了磁场分量测量的空间一致性和信息的完整性；通过对称的布局和走线，降低了磁场梯度信号的噪声；通过设置感应面积微调结构，实现了全新磁场梯度计校准方法；本装置测量丰富的磁场梯度张量信息的功能在磁性目标定位、医学肿瘤检查、地质勘探以及无损检测等领域有着广泛而迫切的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及磁测量领域中的磁场及其梯度信息测量方法和技术,具体来说，是一种利用法 拉第电磁感应定律，通过线圈串联反接的线圈传感器联接形式构成的测量空间磁场梯度全张 量信息的无源探测装置，在无损检测，医学研究，磁性目标定位等领域有着广泛的应用。

背景技术

磁场是矢量场，磁场梯度是磁场对位移的导数，即沿着空间某一方向移动无限小的距离 时，磁场的变化量。由于考虑问题的角度和实际应用的原理各不相同，一般而言，又将磁场 梯度区分为磁场标量（各分量矢量合成后取矢量模）梯度、磁场矢量梯度和磁场梯度张量。

具体来说，假设空间中某点的磁场强度为H＝(H_x,H_y,H_z)，则其磁场标量梯度定义为：

$g=\frac{d\left|H\right|}{\mathrm{dr}}---\left(1\right)$

式(1)中，r为给定方向上的距离；

磁场矢量梯度定义为：

$g_3=\left(\begin{array}{c}{g}_x\\ g_y\\ g_z\end{array}\right)=\frac{\mathrm{dH}}{\mathrm{dr}}=\left(\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dH}}_x}{\mathrm{dr}}\\ \frac{{\mathrm{dH}}_y}{\mathrm{dr}}\\ \frac{{\mathrm{dH}}_z}{\mathrm{dr}}\end{array}\right)---\left(2\right)$

磁场梯度张量是指磁场沿着空间坐标系的三个基底的变化率，即磁场矢量对空间矢量求 导。其数学微分算子表达形式为:

$G=\frac{\partial H}{\partial r}=(n·{▿H}_x)i+(n·{▿H}_y)j+(n·{▿H}_z)k---\left(3\right)$

式(3)中，i，j，k分别为空间直角坐标系分别沿x，y，z方向的基。式(3)还可以等 价地写成梯度张量的矩阵形式有：

$G=\left(\begin{array}{ccc}{\partial }_x{H}_x& {\partial }_y{H}_x& {\partial }_z{H}_x\\ {\partial }_x{H}_y& {\partial }_y{H}_y& {\partial }_z{H}_y\\ {\partial }_x{H}_z& {\partial }_y{H}_z& {\partial }_z{H}_z\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(4)中，矩阵各元素所代表的物理意义为空间某点磁场的q分量沿p 方向的变化率。

根据上述基本物理学定义，可以通过在空间不同位置配置磁传感器，并对磁传感器测量 的结果进行运算或采取适当的电路连接方式获得梯度信息。按梯度信息的丰富程度，梯度计 可以分为：标量梯度计、矢量梯度计、部分张量磁场梯度计和全张量磁场梯度计。根据公式 (1)～(4)，可以分析出以上四种磁场梯度计的区别在于所能测量磁场信号的丰富程度，信息越 丰富，测量装置越复杂。

目前，磁场梯度计在国内外的科学研究、工程实践领域已经有了广泛的应用。美国特瑞 斯坦技术公司研制的超导量子干涉仪(Superconductivity Quantum Interference  Device,SQUID)所制造成的磁场梯度计，可以测量磁场三个分量在三个方向上的梯度值，但 只能实现平面梯度张量测量；澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)和五矿公司合作，正 在研制使用SQUID的航空全张量磁梯度仪(Glass Earth Tensor Magnetic Airborne  Gradiometer，GETMAG)，用于地质调查和矿产普查；2004年，德国耶拿物理学高技术 研究所(Institute for Physical High-Technology，IPHT)使用SQUID在南非进行了磁张量 系统的飞行试验，将试验飞行获得的数据做成一张H_xx，H_xy，H_xz，H_yy，H_yz，H_zz平面图， 测量面积约100km²，在世界上属首次，但相关数据严格保密。

国内的研究目前主要集中在地质勘探、医学检测。目前也开始有一些面向磁性目标定位 的初步报导，但是实验结果方面的报道很少。哈尔滨工程大学针对磁性目标定位问题提出了 矢量磁力计的最简单配置，但是只能测量磁场梯度张量九个分量中的部分分量，并非全张量 梯度计。“十五”以来，国内一些科研团队相继研制完成了HC-07氦光泵磁力仪、航空磁场 水平梯度仪、多通道航空磁测数字自动补偿仪等。多通道航空磁测数字自动补偿仪和数据收 录一体化系统的研制工作和航空磁场矢量梯度测量系统集成取得一定的进展。

以上研究中所用到的磁场梯度计按梯度信号的获得方式可以划分为间接测量和直接测 量。间接测量梯度计，即电子梯度计。它是指在空间相距为d的两点分别放置磁传感器，将 采集到的传感器测量值H₁和H₂做差后，除以距离d来近似磁场梯度信息。根据误差理论， 这种测量方式的弊端是由于传感器测量的磁场存在误差，磁场信号相减而计算出的磁场梯度 信号的误差会非常大，以至于在磁场梯度较小时根本无法测量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种以法拉第电磁感应定律为基本原理使用适当结构的 线圈磁传感器而制成的全张量磁场探测装置，通过串联反接的传感器连接形式，抵消背景磁 场共模信号，保留梯度信号，这种探测装置在匀强磁场下校准后，精度较高。

一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置，包括主体探测部分、水平可调 底座与信号传递接口；

其中，主体探测部分安装在水平可调底座上，通过水平可调底座进行支撑，且通过水平 可调底座调节水平；主体探测部分由七个结构相同的探测单元构成，分别用于采集空间七个 基本采样点的磁场矢量信息；

七个结构相同的探测单元均由三个周向上布置有线圈的等大小圆形PCB板构成，则三个 PCB板两两垂直相连，且共圆心，形成相互正交结构的探测单元；令七个单元分别为单元A、 单元B、单元C、单元D、单元E、单元F和单元G；以单元A的中心点作为原点建立空间 直角坐标系O（x，y，z），七个探测单元相对原点对称设置；其中，单元B与单元C的中心 点分别位于x轴的正负方向上，与单元A固连；单元D与单元E分别位于y轴的正负方向 上，与单元A固连；单元F与单元G分别位于z轴的正负方向上，与单元A固连；且每个 探测单元中三个PCB板分别位于空间直角坐标系中x轴、y轴构成的平面中，与x轴、z轴 构成的平面中，以及y轴、z轴构成的平面中；

上述结构的主体探测部分中，以原点对称的相同方向PCB板上的线圈间通过串联反接直 接输出磁场梯度信息，具体为：令各个探测单元的三个PCB板上线圈的内侧一端作为信号探 测端，外侧一端作为信号输出端；由此，将单元B与单元C中、单元D与单元E中、单元 F与单元G中两两对称的PCB板同侧上线圈的信号输入端通过导线串联，信号输出端均通 过导线连接到一个信号传递接口；信号传递接口用于传递与磁场梯度和中心磁场矢量强度相 对应的微弱电压信号；由此可得到中心三路磁场分量及磁场张量分量的测量信号。

本发明的优点在于：

1、本发明无源探测装置，在磁测量领域领先实现了使用一体的装置进行全张量矢量磁场 梯度的探测；

2、本发明无源探测装置，可以测量磁场的频带范围宽，具有自带的调零校准功能保证了 探测装置的零点准确性。

3、本发明无源探测装置，通过对称式的走线布局达到具有极低静态工作噪声水平(小于 1uT),磁场梯度信号输出可以达到几百微伏的量级，信噪比高于50dB。

附图说明

图1为本发明无源探测装置中主体探测部分整体形态示意图；

图2为本发明无源探测装置中探测单元结构示意图；

图3为主体探测部分的探测单元中PCB板上线圈布局方式示意图；

图4为探测单元中切断线圈间的连接方式示意图；

图5为本发明无源探测装置中主体探测部分整体结构示意图；

图6为本发明无源探测装置中关于原点对称的探测单元间相同磁场分量面上线圈间串联 反接的连线方式示意图；

图7（a）为本发明无源探测装置中探测部分的第一PCB板上插槽开设位置示意图；

图7（b）为本发明无源探测装置中探测部分的第二PCB板上插槽开设位置示意图；

图7（c）为本发明无源探测装置中探测部分的第三PCB板上插槽开设位置示意图；

图8（a）为本发明无源探测装置中主体探测部分采用拼接方式时，主插板结构及插槽开 始位置示意图；

图8（b）为本发明无源探测装置中主体探测部分采用拼接方式时，横向插板结构及插槽 开设位置示意图；

图8（c）为本发明无源探测装置中主体探测部分采用拼接方式时，纵向插板结构及插槽 开设位置示意图。

图中：

1-探测单元  2-PCB板     3-线圈  4-过孔  

5-微调插槽  6-连接引线

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置，包括主体探测部分、水平可 调底座与信号传递接口。其中，主体探测部分安装在水平可调底座上，通过水平可调底座进 行支撑，且通过水平可调底座在主体探测部分测量空间磁场梯度全张量信息时，对主体探测 部分进行水平调节操作。

所述主体探测部分由七个结构相同的探测单元1构成，分别用于采集空间七个基本采样 点的磁场矢量信息，如图1所示。

七个结构相同的探测单元1均由三个周向上布置有线圈3的等大小圆形PCB板2 （Printed Circuit Board，印刷电路板）构成，则三个PCB板2两两垂直相连，且共圆心， 由此形成相互正交结构的探测单元1，如图2所示。七个探测单元1中每个PCB上的线圈3 布局方式相同，均采用双圆心环路扩张方式，如图3所示，使线圈3在PCB板2上环绕n 圈，且n圈线圈3在PCB板2的中心线两侧形成的n个半圆线圈3分别具有公共圆心A与 公共圆心B两个圆心，由此可以保证线圈3的连续性和均匀性。上述结构的三个PCB板2 在采用相互正交方式进行连接，连接过程中，两相互正交的PCB板2间必然会使其中一个 PCB板2上的线圈3在连接处断开；因此在两相互正交的PCB板2中，连接处线圈3完整 的PCB板2上，在连接处对应位置的线圈3内部开设贯穿PCB板2两侧面的过孔，由此在 连接处线圈3断开的PCB板2上，断开线圈3对应的两端间，通过连接引线6穿过对应的 过孔相连，如图4所示，由此保证各个PCB板2上的线圈3完整度，且连接引线6采用漆 包线，防止相互正交的线圈3之间感应电压信号的串扰。

通过将上述结构的七个探测单元1进行连接，形成柱体探测部分，如图5所示，具体连 接方式为：令七个单元分别为单元A、单元B、单元C、单元D、单元E、单元F、单元G； 以单元A的中心点作为原点建立空间直角坐标系O（x，y，z），七个探测单元1相对原点对 称设置；其中，单元B与单元C的中心点分别位于x轴的正负方向上，与单元A固连；单 元D与单元E分别位于y轴的正负方向上，与单元A固连；单元F与单元G分别位于z轴 的正负方向上，与单元A固连；且每个探测单元1中三个PCB板2分别位于空间直角坐标 系中x轴、y轴构成的平面中，与x、z构成的平面中，以及y、z构成的平面中。

上述结构的主体探测部分中，以原点对称的相同方向PCB板2上的线圈3间通过串联 反接直接输出磁场梯度信息，如图6所示，具体为：令各个探测单元1的三个PCB板2上 线圈3的内侧一端作为信号探测端，外侧一端作为信号输出端；由此，将单元B与单元C中、 单元D与单元E中、单元F与单元G中两两对称的PCB板2同侧上线圈3的信号输入端 通过导线串联，信号输出端均通过导线连接一个信号传递接口；信号传递接口用于传递与磁 场梯度和中心磁场矢量强度相对应的微弱电压信号；信号传递接口设在两个对称PCB板2 上线圈3的信号输出端连线的垂直平分线上。由此可得到三路磁场张量分量的测量信号；而 原点处的PCB线圈3则测出探测部分主体中心点磁场矢量信息。

本发明中在三个PCB板2上设计有插槽，通过拼接的方式形成探测单元1，可保证每个 探测单元1中三个PCB板2的同心度，如图7（a）、7（b）、7（c）所示，具体为：

令三个PCB板2分别为第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板；在三个PCB板2 上均以中心点为圆点，在PCB板2所在平面上建立平面直角坐标系；

其中，在第一PCB板中，y轴负方向两侧分别对称开有平行于y轴的插槽A与插槽B； y轴正方向开有与y轴重合的插槽C；且插槽A、插槽B与插槽C的一端贯通第一PCB板 边缘，切断线圈3；另一端均位于x轴上。

在第二PCB板中，y轴负方向两侧分别对称开有平行于y轴的插槽D与插槽E；在y 轴负方向还开有与y轴重合的插槽F；且插槽D、插槽E与插槽F一端贯通第二PCB板边 缘，切断线圈3，另一端均位于x轴上。

第三PCB板中，在第三PCB板中心位置开有与x轴，y轴分别重合的插槽G与插槽H， 形成十字插槽；在x轴的正负方向分别开有与x轴重合的插槽I、插槽J；在y轴的正负方向 分别开有与y轴重合的插槽K、插槽L；且插槽I、插槽J、插槽K与插槽L一端贯通第三 PCB板边缘，切断线圈；而插槽I与插槽J另一端到y轴的距离与第一PCB板中插槽A、 插槽B到y轴的距离相等；插槽K与插槽L的另一端到x轴的距离与第二PCB板中的插槽 D、插槽E到y轴距离相等；而插槽G的长度与第一PCB板中插槽A与插槽B间距相等； 插槽H的长度与与第二PCB板中插槽D与插槽E间距相等。

拼插时，将第一PCB板中被插槽A与插槽B分隔的三个部分，分别对应第三PCB板中 的插槽I、插槽G与插槽J插入拼接；随后将第二PCB板中被插槽D与插槽E分隔的三部 分，分别对应第三PCB板中的插槽K、插槽H、插槽L插入拼接，且使插槽F对应第一PCB 板中的插槽C插入拼接，最终形成整体探测单元1。

由于上述第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板上的插槽切断了线圈3，因此，在 第一PCB板、第二PCB板与第三PCB板拼接完毕后，第一PCB板上，被插槽A与插槽B 切断的线圈3对称两端间通过连接引线6进行相连；第二PCB板中，被插槽D与插槽E切 断的线圈3对称两端间通过连接引线6相连。而第一PCB板中，被插槽C切断的线圈3对 称两端间由于被第二PCB板阻隔，因此被插槽C切断的线圈3对称两端间，可通过连接引 线6穿过第二PCB板中，位于插槽处对应线圈3内部贯穿第二PCB板两侧面的过孔进行连 接。同理，第二PCB板中，被插槽F切断的线圈3对称两端间，可通过连接引线6穿过第 一PCB板中，位于插槽处对应线圈3内部贯穿第一PCB板两侧面的过孔进行连接；第二 PCB板中，被插槽I、插槽J切断的线圈3对称两端间，可通过连接引线6穿过第一PCB 板中，位于插槽处对应线圈3内部贯穿第一PCB板两侧面的过孔进行连接；被插槽K、插 槽L切断的线圈3对称两端间，可通过连接引线6穿过第二PCB板中，位于插槽处对应线 圈3内部贯穿第二PCB板两侧面的过孔进行连接；由此保证线圈3的完整度。上述三个PCB 板上的插槽同时可作为微调插槽5，具有一定宽度，可进行连接引线6的间距调整，实现从 硬件角度直接对探测装置零点进行校准，以确保磁场梯度测量的准确性，减小测量仪器固有 的系统误差。

同时，为了保证各个探测单元1中三个PCB板2同心度的同时，保证七个探测单元1 间的同轴度，如图8（a）、8（b）、8（c）所示，将上述主体探测部分布局结构的单元A、 单元B、单元C、单元D、单元E中的第三PCB板设计为共面一体结构的主插板；同时将 单元A中的第三PCB板上的通槽G两端分别与单元B和单元C中的第三PCB板上的通槽 J和通槽I连通；通槽H两端分别与单元D和单元E中的第三PCB板上的通槽K与通槽L 连通。将单元A、单元B、单元F中的第二PCB板与单元C中的第一PCB板设计为共面一 体结构的横向插板。将单元A、单元B中的第一PCB板与单元A、单元F中的第二PCB板 设计为共面一体结构的纵向插板；由此将横向插板由水平插板一侧匹配插入主插板横向上的 插槽内；将纵向插板由水平插板另一侧匹配插入主插板纵向上的插槽内；七个探测单元1中 其余插板则按照上述各个探测单元1中三个PCB板2间的拼插方式进行拼插。

在采用上述结构的无源探测装置测量空间磁场梯度全张量信息时，通过下述步骤完成：

步骤1：通过水平可调底座使主体探测部分与水平面平行，即将七个探测单元1中相互 平行的七个PCB板2与水平面平行。

步骤2：在恒定幅值交变磁场下调节探测装置的零点；

将探测装置置于恒定幅值交变磁场中，使探测装置的x轴与磁场方向平行，调节探测装 置微调插槽5上连接引线6的间距使x轴方向的探测装置输出电压为零；改变探测装置的方 向，分别使探测装置的y轴与z轴同磁场方向平行，重复上述步骤直到梯度及x轴、y轴、z 轴方向的探测装置输出电压都均零。

步骤3：测量并记录待测磁场的梯度张量和磁场矢量信息；

将探测装置置于待测磁场中，通过水平可调底座使主体探测部分与水平面平行；并依次 测量和记录式(4)中由于磁场全张量所引起感应电压信号幅值V_G与原点处的磁场矢量所对应 的电压信号幅值V_H：

$V_G=\left(\begin{array}{ccc}{V}_{\mathrm{xx}}& V_{\mathrm{yx}}& V_{\mathrm{zx}}\\ V_{\mathrm{xy}}& V_{\mathrm{yy}}& V_{\mathrm{zy}}\\ V_{\mathrm{xz}}& V_{\mathrm{yz}}& V_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)---\left(6\right)$

$V_H=\left(\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right)$

及电压频率f；f的值与被测磁场频率相同。

步骤4：根据测量的电压信息反演梯度张量和磁场信息：

对于原点处的待测磁场：

$H_o=\left(\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{ox}}\\ H_{\mathrm{oy}}\\ H_{\mathrm{oz}}\end{array}\right)\sin \left(2\mathrm{\pi ft}\right)---\left(8\right)$

则根据法拉第电磁感应定律的物理学表达式：

式中，n为感应线圈3的匝数，为每匝感应线圈3的磁通量，A为感应线圈3的截面 积，μ₀为真空磁导率。

可得到主体探测部分原点处的感应电压的幅值为：

$V_H=\left(\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right)=-\mathrm{nA}{\mu }_0\left(\begin{array}{c}{\mathrm{dH}}_{\mathrm{ox}}/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{dH}}_{\mathrm{oy}}/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{dH}}_{\mathrm{oz}}/\mathrm{dt}\end{array}\right)=-2\mathrm{\pi fnA}{\mu }_0\left(\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{ox}}\\ H_{\mathrm{oy}}\\ H_{\mathrm{oz}}\end{array}\right)---\left(9\right)$

则待测磁场的幅值用测量信号可以表示为：

$H_o=\left(\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{ox}}\\ H_{\mathrm{oy}}\\ H_{\mathrm{oz}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_x\\ V_y\\ V_z\end{array}\right)/-2\mathrm{\pi fnA}{\mu }_0---\left(10\right)$

根据式(4)和式(6)以及上述推导，同理可得：

$G=\left(\begin{array}{ccc}{\partial }_x{H}_x& {\partial }_y{H}_x& {\partial }_z{H}_x\\ {\partial }_x{H}_y& {\partial }_y{H}_y& {\partial }_z{H}_y\\ {\partial }_x{H}_z& {\partial }_y{H}_z& {\partial }_z{H}_z\end{array}\right)\approx \left(\begin{array}{ccc}{V}_{\mathrm{xx}}& V_{\mathrm{yx}}& V_{\mathrm{zx}}\\ V_{\mathrm{xy}}& V_{\mathrm{yy}}& V_{\mathrm{zy}}\\ V_{\mathrm{xz}}& V_{\mathrm{yz}}& V_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)/-4\mathrm{d\pi fnA}{\mu }_0$

式中，d为线圈3单元外围机械尺寸轮廓线的直径。