一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置及其测量方法

技术领域

本发明属于磁性精密测量领域，更具体地，涉及一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置及其测量方法。

背景技术

目前，世界各国都在竞相开展空间引力波探测计划。空间引力波探测的核心部件为一块超低磁性的检验质量。在检验质量的研制和地面测试阶段，需要不断测量所制备的检验质量的磁化率指标，用以判断检验质量的磁化率是否达到了空间引力波探测需求。现阶段对检验质量的磁化率测量采用传统并且非常成熟的扭摆技术，扭摆具有测量精度高、测量噪声低的特点。但是扭摆测试的过程比较繁琐，测量时需要维持真空环境，不利于快速更换物体；待测信号的周期较长，导致测量总时间比较长；为了达到一定的精度需要给物体施加较大的磁场，可能导致物体被磁化。

因此，需要提出了一种新的磁化率测量装置和方法，来解决现有技术存在测量过程繁琐、周期长、易导致物体被磁化的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置及其测量方法，具有测量简单方便、测量过程快、对物体的磁化影响小的特点。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置，包括磁场机构、磁场测量机构、位移机构和处理机构，其中，

磁场机构，包括电流发生单元及依次同轴间隔设置的结构尺寸相同的线圈C1～C4，待测物体放置在线圈C1和C2之间，磁场测量机构设置在线圈C2和C3轴心连线的中点及线圈C1和C4轴心连线的中点重合处；其中，电流发生单元用于分别向线圈C1～C4提供一定频率的交流调制电流；线圈C1用于产生交流磁场B

位移机构，包括多自由度位移台和单自由度位移台，多自由度位移台用于调节磁场测量机构的空间位置，使磁场测量机构所在测量点处的轴向磁场最低，单自由度位移台用于调节各线圈之间的间距，使测量点处的轴向磁场梯度最低；其中，线圈C4用于产生与所述交流磁场B

处理机构，用于在测量点处轴向磁场和轴向磁场梯度均调节至最低时，采集所述磁场测量机构测量到的一段轴向磁场数据，并对该数据进行频谱分析找到其峰值点B

本发明提供的基于磁感应强度测量物体磁化率的装置，将待测物体放置在调制线圈一侧，并在调制线圈中通入一定频率的交变调制电流，可使物体产生同频的感应磁矩信号，而无需悬挂、振动或周期性移动样品，具有测量速度快、测量周期短的特点；同时施加的调制磁场为uT量级时，即可使铜等磁化率极低的厘米级物体产生10pT量级的感应磁场信号，从而满足原子磁力仪等高精度磁传感器的测量分辨率，而uT量级的磁场远小于地磁场的平均水平，因此基本不用考虑测量过程中样品被磁化的问题。

在其中一个实施例中，所述处理机构还用于在测量点处轴向磁场和轴向磁场梯度均调节至最低时，采集待测物体移除后所述磁场测量机构测量到的一段轴向磁场数据，并对该数据进行频谱分析找到其峰值点B

在其中一个实施例中，当所述待测物体的体积小于或等于5mm

当所述待测物体的体积大于5mm

式中，μ

在其中一个实施例中，所述磁场测量机构采用磁力计；所述单自由度位移台包括四个位移台，线圈C1～C4对应设置在四个位移台上，其中，设置线圈C1和C4的两个位移台和线圈C2和C3的两个位移台分别连接在一精密丝杆的两端，两个精密丝杆两端的螺纹螺距相同但是方向相反。

在其中一个实施例中，线圈C1和C2的间距D

在其中一个实施例中，交流磁场B

在其中一个实施例中，所述电流发生单元包括一电流发生器、两变阻器和两电流表，其中，线圈C1、一变阻器、一电流表和线圈C4相连构成第一电流支路，线圈C2、另一变阻器、另一电流表和线圈C3相连构成第二电流支路，第一电流支路和第二电流支路并联后与电流发生器串联；并通过调整线圈C1～C4输入输出接口的连接顺序，使通入线圈C1和C4、线圈C1和C2、及线圈C2和C3的交流调制电流均等大反向，两变阻器用于调整线圈C1和线圈C2的电流之比，从而使测量点处的磁场梯度最低。

在其中一个实施例中，所述交流调制电流的频率f≤f

在其中一个实施例中，还包括磁场屏蔽机构，所述磁场屏蔽机构采用磁屏蔽室，所述磁场机构、磁场测量机构和位移机构均设置在所述磁屏蔽室内；所述待测物体通过载物台设置在线圈C1和C2之间，且所述载物台采用无磁的有机玻璃支架和台面。

第二方面，本发明提供了一种利用上述所述的基于磁感应强度测量物体磁化率的装置进行磁化率测量的方法，包括如下步骤：

(1)将包含磁场机构和位移机构在内的各个部件放置在磁屏蔽室内部，然后将磁力仪探头固定在多自由度位移台台面上，通过激光测量仪找到线圈轴线所在位置，然后将磁力计的z轴调节到和线圈轴线重合，然后固定其他调节自由度，只保留z方向自由度，后续调节过程只需使磁力计在z轴上进行移动；

(2)打开磁力仪，实时记录和查看磁场测量结果，此时磁力仪测量的为磁屏蔽室内的磁场波动以及磁力仪本身的测量噪声引起的本底噪声，代表测量装置所能测得的磁场分辨率极限；

(3)根据待测物体的体积大小和需求的磁化率测量精度，确定合适的线圈间距和交流磁场B

(4)用磁力计测量P点处沿线圈轴线方向的磁场B

(5)利用精密丝杆转动缓慢调节线圈间距D

(6)再次缓慢移动磁力计，观察B

(7)实验条件具备之后，将待测物体放置在载物台上，使待测物体的中心位于线圈C1产生的磁场峰值的位置和磁力计所在位置之间；固定好待测物体之后，实时记录磁场测量数据，然后给线圈施加一定频率的正弦电流信号，并根据步骤6测得的磁场数据做出噪声谱密度曲线，找到噪声最低的频段，将磁场调制频率f设置在此频段内；

(8)记录一段时间的磁场数据之后，将待测物体从载物台上移开，然后继续记录一段时间的数据；实验结束之后开始对数据进行处理，首先去除待测物体移除过程中产生的不稳定数据，然后将数据分为两段，对待测物体移除前的数据进行频谱分析，会发现在调制频率f处出现一个峰值，设该峰值的大小为B

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于磁感应强度测量物体磁化率的装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的磁场机构的电路原理示意图；

图3是本发明一实施例提供的P点处的磁场梯度随线圈C1的电流I

图4是本发明一实施例提供的P点处的磁场梯度随电流比I

图5是本发明一实施例提供的P点处的磁场梯度随线圈C1和C4的间距D

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决传统扭摆技术测量物体磁化率存在测量过程繁琐、测量周期长且易导致物体被磁化的问题，本发明提供了一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置，用于测量弱磁物体的磁化率，比如检验质量、生物材料或生物组织的磁化率测量，其测量原理为：

将待测物体安装在弱磁材料制成的平台上，然后向一磁场调制线圈施加交流调制电流使其产生交流磁场B

其中，当待测物体的体积小于或等于5mm

式中，待测物体的感应磁矩m

当待测物体的体积大于5mm

也即是说，只要测量出感应磁场B

本发明则根据上述磁化率测量原理，提供了一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置，该装置包括磁场机构、磁场测量机构、位移机构和处理机构。其中，磁场测量机构可采用高精度的磁力计，处理机构可采用本领域常用的处理器。本发明利用磁力计测量待测物体产生的感应磁场B

由于在利用磁场调制线圈使待测物体产生感应磁场B

因此，本实施例提供的磁场机构包括电流发生单元及依次同轴间隔设置的结构尺寸相同的线圈C1～C4，待测物体放置在线圈C1和C2之间，磁力计放置在线圈C2和C3轴心连线的中点及线圈C1和C4轴心连线的中点重合处。

其中，电流发生单元用于分别向线圈C1～C4提供一定频率的交流调制电流。线圈C1为磁场调制线圈，用于在交流调制电流的作用下产生交流磁场B

需要说明的是，本实施例提供的电流发生单元可以采用4个电流发生器，分别给4个线圈提供所需交流调制电流；也可以采用2个电流发生器，其中一电流发生器给线圈C1和C4提供交流调制电流，由于线圈C1和C4所需的电流等大反向，所以在连接时需调整线圈C1和C4的输入输出接口的连接顺序，改变电流流向从而改变所产生的磁场方向，同理采用另一电流发生器对线圈C2和C3提供交流调制电流。

优选地，为提高测量速度，简化测量操作，本实施例提供的电流发生单元可采用1个电流发生器，线圈C1和C4相连构成一支路，线圈C2和C3相连构成一支路，将这两条支路并联后与该电流发生器串联，为方便调整两组线圈的电流比，还可在各支路上均设置一变阻器。在本实施例中，利用1个电流发生器给四个线圈提供交流调制电流，可使四个线圈中的电流具有相同的相位，以便在抵消线圈产生磁场的绝对大小的同时，还能使由于电流源的波动噪声造成的磁场波动也被抵消，从而降低调制磁场的波动噪声。

本实施例提供的位移机构包括多自由度位移台和单自由度位移台，多自由度位移台用于调节磁力计的空间位置，使磁力计所在P点处的轴向磁场最低；单自由度位移台则用于调节线圈C1～C4之间的间距，使P点处的轴向磁场梯度最低。

本实施例提供的处理机构用于执行如下流程：(1)用于在P点处轴向磁场和轴向磁场梯度均调节至最低时，采集磁力计测量到的一段轴向磁场数据，并对该数据进行频谱分析找到其峰值点B

进一步地，为提供测量结果的准确度和可信度，本实施例提供的处理机构还可用于在P点处轴向磁场和轴向磁场梯度均调节至最低时，采集待测物体移除后磁力计测量到的一段轴向磁场数据，并对该数据进行频谱分析找到其峰值点B

本实施例提供的基于磁感应强度测量物体磁化率的装置，将待测物体放置在调制线圈一侧，并在调制线圈中通入一定频率的交变调制电流，可使物体产生同频的感应磁矩信号，而无需悬挂、振动或周期性移动样品，具有测量速度快、测量周期短的特点；同时施加的调制磁场为uT量级时，即可使铜等磁化率极低的厘米级物体产生10pT量级的感应磁场信号，从而满足原子磁力仪等高精度磁传感器的测量分辨率，而uT量级的磁场远小于地磁场的平均水平，因此基本不用考虑测量过程中样品被磁化的问题。

下面结合具体实施例，对本发明提供的基于磁感应强度测量物体磁化率的装置进行详细说明。

如图1所示，本具体实施例提供了一种基于磁力仪的测量物体磁化率的装置，包括磁场屏蔽机构、载物台10、磁场机构、单自由度位移台、安装底板50、磁力计30和多自由度位移台40。

其中，磁场屏蔽机构包括磁屏蔽室，用于屏蔽地磁场等背景磁场，降低磁场测量本底噪声。

载物台10为无磁的有机玻璃支架和台面，用于放置待测物体。

如图2所示，磁场机构包括电流发生器、两变阻器、两电流表及两对同轴且半径相等的圆形线圈(C1、C4和C2、C3)，其中，线圈C1、一变阻器、一电流表和线圈C4相连构成第一电流支路，线圈C2、另一变阻器、另一电流表和线圈C3相连构成第二电流支路，第一电流支路和第二电流支路并联后与电流发生器串联。

通过调整线圈C1和C4输入输出接口的连接顺序，使线圈C1和线圈C4通入等大反向的电流，即I

图2中从左到右的四个线圈分别为C1、C2、C3、C4。其中，C1为磁场调制线圈，用于产生物体产生感应磁矩所需要的磁场。C4为背景磁场补偿线圈，用于抵消线圈C1在P点处产生的轴向磁场，使P点处的磁场趋于零。线圈C2和C3为梯度磁场补偿线圈，通过调整线圈C2和C3输入输出接口的连接顺序，使其通入等大反向电流，即I

两变阻器用于改变外侧线圈和内侧线圈的电流之比即I

单自由度位移台包括四个位移台，线圈C1～C4对应设置在四个位移台上，其中，设置线圈C1和C4的两个位移台和线圈C2和C3的两个位移台分别连接在一精密丝杆20的两端，两个精密丝杆20两端的螺纹螺距相同但是方向相反。因此丝杆转动时两个位移台同时运动，并且距离丝杆中心的距离始终相等，线圈在移动过程中能够始终保持同轴性和对P点的对称性。因此可以调节磁场C1和C4的间距以及线圈C2和C3的间距。理论计算表明，当两组线圈的电流之比即I

安装底座50用于将放置线圈和磁力计30的位移台以及放置待测物体的载物台10进行固定。

磁力计30用于测量待测物体感应磁矩所激发的磁感应强度，磁力计30放置在多自由度位移台40上，通过多自由度位移台40微调磁力计的空间位置，寻找P点附近背景磁场和磁场本底噪声足够小的测量点，然后将磁力计30固定在该测量点后，后续过程无需再改变线圈和磁力计的位置，即可开始对物体的磁化率进行测量。

本实施例是利用磁力仪通过测量待测物体在调制磁场的作用下所产生的感应磁矩来确定物体磁化率的大小。在实际测量过程中，根据磁力计的磁场测量分辨率δ

为了使线圈C4达到抵消线圈C1在P点处产生轴向磁场和磁场波动的目的，需要使线圈C4和C1产生的磁场大小相等，方向相反，因此线圈C1和C4采用串联的方式进行连接，通过调整线圈输入输出接口的连接顺序，能够改变电流的流向从而改变磁场的方向。为了满足测量需求，需要保证线圈的间隙即线圈C1和C2之间能够放入物体，因此D

具体地，本实施例提供的测量装置测量物体磁化率的步骤为：

步骤1：将包含线圈机构、单自由度及多自由度位移台、安装底座、磁力计在内的各个部件放置在磁屏蔽室内部，然后将磁力仪探头固定在多自由度位移台台面上，通过激光测量仪找到线圈轴线所在位置，然后将磁力计的z轴调节到和线圈轴线重合，然后固定其他调节自由度，只保留z方向自由度，后续调节过程只需使磁力计在z轴上进行移动。

步骤2：打开磁力仪，实时记录和查看磁场测量结果。此时磁力仪测量的为磁屏蔽室内的磁场波动以及磁力仪本身的测量噪声引起的本底噪声，代表了测量装置所能测得的磁场分辨率极限。

步骤3：根据待测物体的体积大小和需求的磁化率测量精度，确定合适的线圈间距和交流磁场B

步骤4：用磁力计测量P点处沿线圈轴线方向的磁场B

步骤5：利用丝杆转动缓慢调节线圈间距D

步骤6：再次缓慢移动磁力计，观察B

步骤7：实验条件具备之后，将物体放置在载物台上，使物体的中心位于线圈C1产生的磁场峰值的位置和磁力计所在位置之间。固定好物体之后，实时记录磁场测量数据，然后给线圈施加一定频率的正弦电流信号，线圈产生的磁场信号可表示为：

步骤8：记录一段时间的磁场数据之后，将物体从载物台上移开，然后继续记录一段时间的数据。实验结束之后开始对数据进行处理。首先去除物体移除过程中产生的不稳定数据，然后将数据分为两段，对物体移除前的数据进行频谱分析，会发现在调制频率f处出现一个峰值，设该峰值的大小为B

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。