一种感应式磁传感器噪声校准装置

技术领域

本发明属于弱磁计量技术领域，涉及一种感应式磁传感器噪声校准装置。

背景技术

感应式磁强计是利用法拉第电磁感应原理精密测量交变微弱磁场的仪器，通常包括感应式磁强计探头、感应式磁强计主机和屏蔽电缆，感应式磁强计探头通常由磁芯、检测线圈、反馈线圈和前置放大电路构成。感应式磁强计主要应用于地球资源勘探、地震预报、潜艇超低频通讯、电磁环境观测、深空磁场探测等诸多领域。

本底噪声是感应式磁强计的核心指标，需要进行校准，感应式磁强计具有极低的磁场噪声，比如德国Metronix公司的GMS-06e磁强计，其噪声指标达到了100pT/Hz1/2@0.001Hz、11pT/Hz1/2@0.01Hz、10fT/Hz1/2@100Hz和1fT/Hz1/2@1kHz，这就对本底噪声的校准环境磁场提出了极高的要求。

为了实现对感应式磁强计极低的本底噪声进行校准，国内外研制和使用单位通常使用常规磁屏蔽筒法和野外差分法。

对于常规的磁屏蔽筒校准法，虽然可以通过屏蔽的方式降低外界环境干扰磁场，在实验室开展噪声校准，但是实际上由于磁屏蔽筒在工频及以下低频段屏蔽系数较小(一般为30dB以下)，屏蔽筒内环境很容易受外界低频干扰磁场影响，不能达到感应式磁传感器极低噪声的校准要求，即在典型频点的环境磁场噪声不大于被校感应式磁传感器噪声的三分之一。

野外差分法在具有低磁场噪声的野外环境下使用双探头差分信号进行磁场噪声的计算分析，理论上，采用该方法可以有效消除环境干扰磁场影响，获得准确磁场噪声，但是方法需要对至少两个探头同时进行校准，而且必须确保两个探头的灵敏度传递函数高度一致，实际校准过程中被校对象数量大多情况是单套，即使有多套，也难以确保磁电转换系数的传递函数一致，因此该方法用于计量校准的实用性不强。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种感应式磁传感器噪声校准装置，能够将环境磁场降低到感应式磁传感器校准要求的水平，无需相同频率特性的多个探头同时校准，在实验室即可开展校准工作便于校准的工作实施，具有环境磁场噪声低、校准方法简单、可操作性强的效果。

一种感应式磁传感器噪声校准装置，包括交变弱磁场系统和组合式磁屏蔽系统；其中交变弱磁场系统采用动态信号分析仪，获得感应式磁传感器灵敏度；所述组合式磁屏蔽系统，用于屏蔽环境干扰磁场，包括主动磁屏蔽装置、磁屏蔽室和磁屏蔽筒；主动磁屏蔽装置中的三轴主动磁屏蔽线圈环绕在磁屏蔽室外，磁屏蔽筒嵌套在磁屏蔽室内；采用所述动态信号分析仪测量感应式磁传感器的电压噪声互相关功率谱密度，进而获得磁场噪声的功率谱密度，完成校准。

较佳地，所述主动磁屏蔽装置包括主动磁屏蔽控制器、三轴磁传感器和三轴主动磁屏蔽线圈；所述主动磁屏蔽控制器放置于磁屏蔽室外，与三轴磁传感器连接；三轴磁传感器的三个探头分别布置在磁屏蔽室相互垂直的三面墙体外表面中心；所述三轴主动磁屏蔽线圈沿磁屏蔽室的12条边布线。

较佳地，所述磁屏蔽筒嵌套在磁屏蔽室内，磁屏蔽筒的工作区和磁屏蔽室工作区重合，且磁屏蔽筒的开口方向与磁屏蔽室开门方向一致。

较佳地，在使用时，感应式磁传感器放置在组合磁屏蔽系统工作区，所述动态信号分析仪与所述感应式磁传感器连接，获得感应式磁传感器的电压噪声互相关功率谱密度。

较佳地，所述交变弱磁场系统，用于产生标准交变磁场，包括顺次串联的交流电流源、交直流分流器和交变磁场线圈，以及与所述交直流分流器连接的动态信号分析仪；其中，交流电流源、交直流分流器和动态信号分析仪置于磁屏蔽室外，交变磁场线圈位于磁屏蔽筒内，且交变磁场线圈均匀区位于磁屏蔽筒工作区内；在使用时，感应式磁传感器放置在交变弱磁场系统均匀区，调整感应式传感器姿态使探头敏感轴与交变磁场线圈磁轴平行，动态信号分析仪与感应式磁传感器连接；获得测量的交直流分流器输出电压和感应式磁传感器输出电压，并最终获得感应式磁传感器灵敏度。

较佳地，根据

有益效果

本发明在现有磁屏蔽筒的基础上，增加主动磁屏蔽装置和磁屏蔽室，通过将三者有效的组合，形成组合式磁屏蔽系统，该系统能够有效的消除了外界环境干扰磁场的影响。同时采用动态信号分析仪，能够精准的测量出感应式磁传感器的灵敏度和电压噪声互相关功率谱密度，完成校准。该装置能够将环境磁场降低到感应式磁传感器校准要求的水平，无需相同频率特性的多个探头同时校准，在实验室即可开展校准工作便于校准的工作实施，具有环境磁场噪声低、校准方法简单、可操作性强的效果。

主动磁屏蔽装置用于屏蔽环境干扰磁场，磁屏蔽室同样用于屏蔽环境干扰磁场，但二者之间的简单环绕是不能够实现屏蔽效应有效叠加的，为了解决该问题，将主动磁屏蔽装置中的三轴主动磁屏蔽线圈沿磁屏蔽室的12条边布线该结构既能保证主屏蔽系统与磁屏蔽室的屏蔽叠加效应，还能减少屏蔽线圈结构。

磁屏蔽筒用于屏蔽环境干扰磁场，磁屏蔽室同样用于屏蔽环境干扰磁场，但二者之间的简单嵌套是不能够实现屏蔽效应有效叠加的，为了解决该问题，需要将磁屏蔽筒的工作区和磁屏蔽室工作区重合，且磁屏蔽筒的开口方向与磁屏蔽室开门方向一致，通过此结构限制，能够有效增加屏蔽效应。

本发明采用动态信号分析仪由高速高精度数据采集器和数据处理分析软件组成，能够高速高精度采集数据，且具有幅值谱、互相关功率谱、互相关功率谱密度分析等功能，能够对测量对接直接进行数据分析。

附图说明

图1交变弱磁场系统组成和连接框图；

图2组合式磁屏蔽系统结构图；

图3感应式磁传感器噪声校准示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法的实施方式做以说明。

本发明提供了一种感应式磁传感器噪声校准装置，该装置重点采用了组合式磁屏蔽系统，在现有磁屏蔽筒的基础上，增加主动磁屏蔽装置和磁屏蔽室，通过将三者有效的组合，有效的消除了外界环境干扰磁场的影响。另外该装置的交变弱磁场系统采用了动态信号分析仪，能够测量感应式磁传感器的灵敏度和电压噪声。其具体结构为：

该校准装置包括交变弱磁场系统和组合式磁屏蔽系统，其中：

如图1所示，所述交变弱磁场系统，用于产生标准交变磁场，包括顺次串联的交流电流源、交直流分流器和交变磁场线圈，以及与所述交直流分流器连接的动态信号分析仪。

所述的交流电流源，用于产生交流电流，选择能输出幅值范围1uA～100mA和频率范围1mHz～100kHz的低噪声高精度交流电流，稳定性不大于2uA/24h，较佳地，选择吉时利公司研制的6221型交流电流源，频率范围为0.001Hz～100kHz。

所述的交直流分流器，用于将交流电流转换为交流电压信号，其核心器件选用具有高稳定性和高准确度采样电阻，电流工作范围1uA～100mA，较佳地，选用具有高稳定性和高准确度采样电阻的HT-8型交直流分流器。

所述动态信号分析仪，分别与交直流分流器和感应式磁传感器连接，用于测量交直流分流器输出电压和感应式磁传感器输出电压，由高速高精度数据采集器和数据处理分析软件组成，高速高精度数据采集器的采样率不低于200ks/S，分辨率不低于24位。数据处理分析软件具有幅值谱、互相关功率谱、互相关功率谱密度分析等功能。

如图2所示，所述组合式磁屏蔽系统，用于屏蔽环境干扰磁场，包括主动磁屏蔽装置、磁屏蔽室和磁屏蔽筒。将三个屏蔽装置通过特定的方法进行组合，实现了屏蔽效果的增加。

所述的主磁屏蔽系统，由主动磁屏蔽控制器、三轴磁传感器和三轴主动磁屏蔽线圈构成，用于屏蔽环境干扰磁场。其中：所述主动磁屏蔽控制器放置于磁屏蔽室外，与三轴磁传感器连接；三轴主动磁屏蔽线圈绕制在磁屏蔽室外侧，即沿磁屏蔽室(看作立方体)的12条边进行布置，该结构既能保证主屏蔽系统与磁屏蔽室的屏蔽叠加效应，还能减少屏蔽线圈结构。优选采用矩形亥姆霍兹线圈。三轴磁传感器选用分离式探头磁传感器。三轴磁传感器的三个探头分别布置在磁屏蔽室相互垂直的三面墙体外表面中心。

所述磁屏蔽筒，嵌套在磁屏蔽室内，磁屏蔽筒的工作区和磁屏蔽室工作区重合，开口方向与磁屏蔽室开门方向一致。优选地，磁屏蔽筒采用坡莫合金作为导磁材料，层数不低于5层。磁屏蔽室，采用的坡莫合金和取向硅钢片作为导磁材料，坡莫合金不少于3层，硅钢不少于2层。此外，磁屏蔽筒和磁屏蔽室的各个磁屏蔽层全部通过导线与接地网相连。

所述交变弱磁场系统的交变磁场线圈位于交变磁场线圈位于磁屏蔽筒内，交变磁场线圈均匀区位于磁屏蔽筒工作区内。所述交变弱磁场系统的交流电流源、交直流分流器、动态信号分析仪位于屏蔽室外侧。

在使用时，先将感应式磁传感器放置在交变弱磁场系统均匀区，调整感应式传感器姿态使探头敏感轴与交变磁场线圈磁轴平行；将感应式磁传感器和动态信号分析仪相连；之后使感应式磁强计上电，预热30分钟；根据需要选择频率校准点，使用交流电流源和交变磁场线圈复现标准磁场，读取动态信号分析仪测得的交直流分流器输出电压和感应式磁传感器输出电压，按公式(1)计算感应式磁传感器灵敏度。

式中：

K

U

U

R

之后关闭交流电流源，继续使用动态信号分析仪连接感应式磁传感器，感应式磁传感器位于组合磁屏蔽系统工作区，测试感应式磁传感器的电压噪声互相关功率谱密度N

最后按照公式(2)根据感应式磁传感器的灵敏度和电压噪声互相关功率谱密度计算出磁场噪声的功率谱密度N

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。