[發明專利]一種優化的銫光泵弱磁檢測裝置

有效

• 申請號: 201410093721.1
• 申請日: 2014-03-14
• 公開（公告）號: CN103852737B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 陳永泰;彭俊杰;馮芒;陳亮;唐靜;程龍;臧濱;黃楊;孫長景
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01R33/26
• 分類號: G01R33/26;G01V3/40
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王守仁

技術領域

本發明屬于弱磁測量技術領域，具體涉及到一種優化的銫光泵弱磁檢測裝置。

背景技術

在弱磁測量領域，目前的磁力儀主要有以下類型：機械式磁力儀，磁通門磁力儀，質子旋進式磁力儀，光泵磁力儀，超導量子磁力儀等。機械型磁力儀由裝在樞軸上的的磁鐵構成，用來測量垂直或水平方向磁場，現已較少使用：磁通門磁力儀是利用高導磁率的軟磁性材料(如坡莫合金）作磁芯，以其在交直流磁場作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應原理所研制的測磁裝置，有效靈敏度為幾個nT，目前仍得到廣泛應用：質子磁力儀是基于質子在磁場中的旋進現象而設計的一種高靈敏磁場測量儀器,具有原理簡單、儀器體積小、精度高的特點，但其只能點測。激發一次，測量一次。同時其容忍梯度低。且要求其有20000nT以上的磁場強度才能提供穩定的讀數：超導型磁力儀根據超導原理制造，是目前最靈敏的磁力儀，主要用于高精度的地磁場研究，但由于技術復雜，需要維持苛刻的溫度環境，價格昂貴，應用較少。

光泵磁力儀是一種高靈敏度和高精度的磁測設備，它以元素的原子能級在磁場中產生塞曼分裂為基礎，根據光泵作用原理研制的磁力儀，光泵磁力儀是目前科技工程實踐應用中靈敏度最高的磁探測儀器，能測量總磁場強度，不存在方向誤差，其受空間姿態的影響較小,具有采樣速度高,梯度容忍度大的特點，廣泛應用于地球物理勘探、宇宙磁場測量、地震監測與預測、地質勘探、航空磁測繪、考古、海事打撈等方面。也廣泛應用于反潛、磁引信、磁導航等軍事用途，反潛機上所裝備的磁探測系統基本都是基于光泵原理的磁探測系統。

國外的銫光泵磁力儀精度已高于0.001nT，絕對精度更高。國內還沒有一家單位具有研制生產銫光泵磁力儀的能力，故國內目前尚無成熟的銫光泵磁力儀產品。美國銫光泵磁力儀產品列為“敏感”技術，出口到中國的光泵磁力儀精度限于0.05nT。我國國防領域很難獲得高性能的銫光泵磁力儀產品。即便是民用領域，頂級的產品也是禁售的。故光泵磁力儀對工業和國防有著重要意義，需求量很大，急需盡快研制出來。

銫光泵磁力儀按技術設計的方案不同可以分為自激式和跟蹤式，本發明設計的是自激式銫光泵磁力儀。它利用光抽運和磁共振現象，特定自旋在一定主磁場強度B下會具有的共振頻率f₀，也叫拉莫爾頻率，這種現象叫做磁共振，二者的關系為：

上式中，f₀為拉莫爾頻率，B為外界主磁場，λ＝3.498577為磁旋比。

故將地磁場的測量轉化為光磁共振時對所輸出的拉莫爾信號的測量，極大地提高了被測信號的分辨率。同時由于測量頻率的方式可以達到很高的精度，故對磁場的測量轉化為對自 激時光磁共振拉莫爾信號的頻率檢測，可實現對磁場的精確測量。故其測量精度遠高于傳統的磁力儀。由銫光泵磁旋比λ＝3.498577，對于50000nT的地磁場，銫光泵磁力儀的拉莫爾信號頻率為174.5kHz,該頻率較易測量，故銫光泵磁力儀的精度更易提高。

磁阻傳感器是近年來以磁電子學為理論基礎建立起來的一種新型磁傳感器技術，它將玻莫合金薄膜附著在硅片上制成集成磁傳感器。利用4個磁電阻組成惠斯頓電橋，其中將對邊的兩個電阻作為感應電阻放在兩個磁場集中區的間隙中間。將另一對邊的兩個電阻作為參考電阻密封在磁場集中區內部，并使其與外部磁場隔絕,故阻值不隨外部磁場變化。4個磁電阻由相同的材料制作，故其溫度系數特性相同，溫度漂移小。當施加外部磁場時，兩個感應電阻的阻值會隨著外部磁場的大小而改變，而參考阻值不變，必導致電橋不平衡，將磁場信號轉換為電壓信號輸出。經處理可實現對弱磁場的準確測量。磁阻傳感器具有體積小、功耗低、集成化、靈敏度較高、線性范圍較寬、抗電磁噪聲和干擾能力強、可靠性高、誤差不隨時間積累等特點。在弱磁場測量方面具有優越的性能。

磁阻傳感器已成功用于地球磁場參量的測量，并具有簡便易行、結果較為準確的優點。采用三軸磁阻傳感器測量空間地磁場矢量,獲得姿態角度信息，也已成功應用于體積小、重量輕、功耗低的中低精度姿態測量要求的皮衛星應用環境。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種優化的銫光泵弱磁測量電路，在已有高精度銫光泵物理系統的基礎上，研制結構獨特、技術新穎、指標先進的銫光泵弱磁測量裝置。