CN112014777B - 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法 - Google Patents

一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112014777B
CN112014777B CN202010940021.7A CN202010940021A CN112014777B CN 112014777 B CN112014777 B CN 112014777B CN 202010940021 A CN202010940021 A CN 202010940021A CN 112014777 B CN112014777 B CN 112014777B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
magnetic
sensing
modulation
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010940021.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112014777A (zh
Inventor
亓夫军
尤浩
李予国
薛庆生
刘惠萍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ocean University of China
Original Assignee
Ocean University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ocean University of China filed Critical Ocean University of China
Priority to CN202010940021.7A priority Critical patent/CN112014777B/zh
Publication of CN112014777A publication Critical patent/CN112014777A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112014777B publication Critical patent/CN112014777B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/022—Measuring gradient
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法，包括外部反馈补偿单元、内部光纤磁传感单元及整体结构固定部件单元；内部光纤磁传感单元包括若干条磁传感光纤、调制传感结构、三个光纤固定圆板，若干条磁传感光纤排布固定在三个光纤固定圆板上，每条所述磁传感光纤上设置有两个调制传感结构，调制传感结构的调制实现是通过在***缠绕调制线圈，在两个调制传感结构施加两个不同的调制频率，在输出光谱的不同调制频率附近得到两个不同位置所测量到的磁感应强度信息。本发明在具有较高磁测灵敏度的同时，能够有效屏蔽外界电磁干扰，其轻巧的设计便于和小型承压舱等结构集成安装测试，适用于复杂物理环境下的磁场探测。

Description

一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工 作方法
技术领域
本发明涉及一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
随着磁测技术的不断发展，磁测传感器不断优化，在空间磁探测、军工业、电力、医疗等领域具有深远的意义。磁测探测极大地方便了人们的生活生产和科研研究。
传统的磁场传感器是利用电子元件把磁场转换为电场，电信号易受电磁干扰，并且传输效率不高。磁通门、磁阻效应、光泵浦等磁力仪，大多存在体积大、结构复杂、监测量程小等缺点，在许多领域应用受限。
随着光纤传感技术的发展，利用光纤进行磁场传感逐渐成为各国重点的研究方向，光纤本身对磁场不够灵敏，选择合适的磁敏材料与光纤结合，可以使其克服传统磁场传感器容易受到电磁干扰、灵敏度低、测量范围小等问题的限制，轻巧的结构以及易于分布式复用的特点，容易实现较大空间体积内的同步探测网络，与磁场传感器匹配的调制解调技术可以使信息高速采集。因此，光纤磁场传感器的应用范围更广、可靠性更高。
利用光纤易于复用和组网的特点，通过光纤磁场传感器实现了空间磁梯度张量的测量，能够有效满足水下承压舱和太空舱等空间体积的限制要求，对复杂环境有很好的抗干扰能力，测量灵敏度也能够满足测量需求，是一种应用潜力巨大的传感技术。
磁梯度张量的探测需要使用多个传感器同步测量，将不同位置的传感器测量结果进行采集运算得出磁梯度张量。目前测量精度较高的全张量磁梯度仪是由低温超导量子干涉仪组成，但是体积大、造价高、工作温度要求严格，不适合普遍应用。目前应用较广泛的是基于三轴磁通门传感器的磁梯度张量仪，由四个磁通门传感器组成，需要在外部设计反馈线圈，使磁通门工作在近零磁环境下，以提高测量精度，降低干扰。
发明内容
为解决现有技术的不足，提高磁场传感器适用性和测量信息的全面完整性。本发明提供了一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，能够适应多环境下测量要求和实现张量信息采集。
本发明还提供了上述空间磁梯度张量测量***的工作方法。
本发明的技术方案为：
一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，包括外部反馈补偿单元、内部光纤磁传感单元及整体结构固定部件单元；
所述内部光纤磁传感单元通过所述整体结构固定部件单元固定设置在所述外部反馈补偿单元内，所述外部反馈补偿单元也通过所述整体结构固定部件单元稳固设置；
所述外部反馈补偿单元是表面缠绕线圈的球体结构；外部反馈补偿单元能够在内部产生反馈磁场，屏蔽外界无效的地磁等环境干扰场，让内部光纤传感单元工作在近零磁环境下，提高对待测低频磁场的测量响应度和灵敏度。
所述内部光纤磁传感单元包括若干条磁传感光纤、调制传感结构、三个光纤固定圆板，三个光纤固定圆板包括上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板，所述上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板自上而下平行设置在所述外部反馈补偿单元内；
若干条所述磁传感光纤排布固定在三个所述光纤固定圆板上，磁传感光纤的空间排布以三个光纤固定圆板为放置平台，固定内部光纤磁传感单元；磁传感光纤为单线双传感部分的结构，每条所述磁传感光纤上设置有两个所述调制传感结构，为了实现同时且独立的测量，所述调制传感结构***缠绕有调制线圈，所述调制传感结构通过在***缠绕调制线圈实现调制，并且分别在两个所述调制传感结构施加两个不同的调制频率，使两个所述调制传感结构在输出光谱的不同调制频率附近得到两个不同位置所测量到的磁场信号强度和频率大小。由于两个调制频率本身及相对差值大于外界低频磁场的频率，因此，可以有效去除彼此之间的调制磁场串扰。
设置5条同种磁传感光纤，每条磁传感光纤上有两段间隔一定距离的调制传感结构，每条磁传感光纤的两段调制传感结构关于中心对称放置，而每段调制传感结构会测到其位置处沿调制传感结构轴向的磁感应强度分量值，同一条磁传感光纤上的两段调制传感结构测得两个磁场信号强度值，取差值后与这条磁传感光纤上两个调制传感结构固定后位置距离的比值就近似得出了一组原点中心处的梯度值，所以，5条磁传感光纤可以分别得出5组不同方向上及不同磁感应强度分量的梯度值，分别对应张量的5个独立的梯度元素后，就能得到外界待测场的梯度张量。
根据本发明优选的，所述内部光纤磁传感单元包括5条磁传感光纤；每条所述磁传感光纤沿直角坐标系的坐标轴分布，直角坐标系的原点o与中层光纤固定圆板的圆心重合，中层光纤固定圆板平面与直角坐标系的xoy平面平行，x轴和y轴是xoy平面上经过原点o且相互垂直的任意两条直线，z轴经过原点o与xoy平面垂直，x、y、z轴方向符合右手定则；
在xoy平面上排布三条磁传感光纤，其中，第一条磁传感光纤沿x轴放置，且所述第一条磁传感光纤上的两个调制传感结构关于原点对称，调制传感结构的方向与x轴同向；第二条磁传感光纤沿y轴放置，所述第二条磁传感光纤上的两个调制传感结构关于原点对称，调制传感结构的方向与y轴同向；第三条磁传感光纤沿y轴放置，所述第三条磁传感光纤关于x轴对称，并在临近x轴处弯折凸起，凸起方向与x轴反向，弯折处设置的两个调制传感结构关于x轴对称；为了实现垂直放置，光纤经过了弯折放置。
第四条磁传感光纤排布在yoz平面，沿z轴放置，排布在所述上层光纤固定圆板所在平面上，与y轴平行，并弯折垂直穿过所述中层光纤固定圆板至所述下层光纤固定圆板所在平面上，设置的两个调制传感结构关于y轴对称；第五条磁传感光纤排布在xoz平面，沿z轴放置，排布在所述上层光纤固定圆板所在平面上，与x轴平行，并弯折垂直穿过所述中层光纤固定圆板至所述下层光纤固定圆板所在平面上，设置的两个调制传感结构关于x轴对称；剩余的两条磁传感光纤分布在z轴上，它们的两段磁传感结构都是垂直于z轴的方向，放置于上层圆板上表面和下层圆板上表面，两个表面的距离是和传感结构间距一致的。沿z轴放置的两条光纤的两组传感结构放置方向分别沿x轴和y轴方向，其磁传感结构尾端在z轴之上。
每一条磁传感光纤上的每一个调制传感结构可以响应沿轴向的磁场变化，转化为光强信号而被观测到。从而得到沿调制传感结构轴向的磁感应强度分量的大小，而一条磁传感光纤上的两个调制传感结构能够测量到两个不同位置但磁感应分量方向一致的磁场信号，因此，可以使用差分的方法，将测量到的两个强度分量取差值并与两段传感结构的距离做比值，近似得到中心原点处该磁感应强度分量的梯度值。具体地说，在上述磁传感光纤排布位置处，在x轴上经过两个调制传感结构得到两个位置处沿x轴方向的磁感应强度分量Bxx1和Bxx2，两个调制传感结构的距离为Δx，所以可以近似得到原点处Bx沿x轴方向的梯度，即
Figure BDA0002673314990000031
同理，按照摆放位置，能够得出Bx、By沿y轴和沿z轴的梯度，这样就能得到5个在原点处的不同分量以及不同方向的梯度。
根据本发明优选的，每条所述磁传感光纤上的两个所述调制传感结构之间的中心距离相等，并且，每条所述磁传感光纤上的两个所述调制传感结构之间的中心距离为每个调制传感结构的2倍。因为在求取梯度值时使用到了距离的大小，而根据梯度的概念，当距离越小，梯度值将更接近原点处的准确值，但需要同时考虑机械结构的设计，因此，需要在满足安装要求的同时取尽量小的距离为最佳。外部反馈补偿单元需要按照将传感部分全部包容在内的要求设计，直径可为3～4倍调制传感结构的长度。
根据本发明优选的，所述整体结构固定部件单元包括凹形底座、若干个螺杆、若干个螺母；所述外部反馈补偿单元底部通过若干个所述螺杆和所述螺母配合固定在所述凹形底座上，三个所述光纤固定圆板通过若干个所述螺杆穿插并用所述螺母固定三个所述光纤固定圆板的位置，所述外部反馈补偿单元的顶部开孔伸出若干个所述螺杆并使用所述螺母紧固。
根据本发明优选的，所述上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板与地面平行，所述中层光纤固定圆板穿过所述外部反馈补偿单元的球心，所述上层光纤固定圆板与所述下层光纤固定圆板对称放置，并且，每条所述磁传感光纤上的两个所述调制传感结构之间的距离等于所述上层光纤固定圆板与下层光纤固定圆板之间的距离。
上述位置的设置保证了每一条磁传感光纤上的两个磁传感结构都能有同样的距离值，因为求取的梯度值与磁感应强度分量的差值和距离有关，距离保持相同，可以确保梯度大小仅由外界待测磁场的磁感应强度决定，减少误差，提高测量精度。
根据本发明优选的，三个所述光纤固定圆板上设置有所述调制传感结构的位置处设置有凹槽和对排小孔，所述凹槽用于整体放置所述调制传感结构，所述对排小孔用于穿绕紧固带或为紧固夹提供螺丝固定孔，使所述调制传感结构固定于所述光纤固定圆板上。
根据本发明优选的，所述外部反馈补偿单元、凹形底座、螺杆、螺母均采用无磁性材料。
进一步优选的，所述外部反馈补偿单元、凹形底座的材质为PLA或ABS 3D打印材料；所述螺杆、螺母的材质为尼龙材料。
根据本发明优选的，所述外部反馈补偿单元表面上设有若干引导若干条磁传感光纤输入输出的通孔。
根据本发明优选的，所述调制传感结构基于光纤传感结构，通过去除包层的小段裸光纤拉制成锥形结构，并在外部填充磁流体并密封，在密封磁流体的细玻璃管外面缠绕线圈制作而成。在线圈通入交流电时产生交变磁场，对调制传感结构进行调制，主要是将沿磁传感结构轴向的磁感应强度及磁感应强度分量进行调制，这可以将其它方向的低频磁场集中在低频附近，而与传感结构轴向一致的外界待测低频磁场的信号会被调制到调制频率附近，因此，确保区分采集到的磁场信号的方向，并且两个调制传感结构施加不同的调制频率后，可以能够实现两个位置处的磁场探测而不会相互串扰。
上述基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***的工作方法，每条磁传感光纤在空间磁梯度张量测量***外部接入光源，每条磁传感光纤的接收端接入光电探测器，包括步骤如下：
(1)在光经过调制传感结构后，输出被磁场调制的光强度信号，并在磁传感光纤的接收端进行数据采集和处理分析，得到在同一根磁传感光纤上两种调制频率附近采集到的测量信号，从而得到两个位置处的磁感应强度；
(2)根据磁梯度张量计算获取的理论方法，将5条磁传感光纤获取的5组磁感应强度的值进行差分处理的近似求取梯度的运算，得出5个独立的张量矩阵内的梯度值；将5个独立的张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取空间磁梯度张量。
根据本发明优选的，步骤(2)中，
A、将5条磁传感光纤获取的5组磁感应强度的值进行差分处理的近似求取梯度的运算，得出5个独立的张量矩阵内的梯度值
Figure BDA0002673314990000051
如式(I)至式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002673314990000052
Figure BDA0002673314990000053
Figure BDA0002673314990000054
Figure BDA0002673314990000055
Figure BDA0002673314990000056
式(I)中，Bxx1、Bxx2是x轴上的第一条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δx是第一条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Bxx是指在x轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅱ)中，Bxy1、Bxy2是y轴上的第三条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δy是第三条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Bxy是指在y轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅲ)中，Bxz1、Bxz2是z轴上的第五条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δz是第五条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Bxz是指在z轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅳ)中，Byy1、Byy2是y轴上的第二条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿y轴方向的磁感应强度分量，Δy是第二条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Byy是指在y轴上测量到的沿y轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅴ)中，Byz1、Byz2是z轴上的第四条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿y轴方向的磁感应强度分量，Δz是第四条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Byz是指在z轴上测量到的沿y轴方向上的磁感应强度分量值；
B、将5个独立的张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取空间磁梯度张量T，空间磁梯度张量T是磁场向量的三个分量在三个相互正交的方向上的空间变化率，磁场B是一个向量场，空间磁梯度张量T为两个矩阵相乘的形式，如式(VI)所示：
Figure BDA0002673314990000061
式(VI)的推导过程如下：
Figure BDA0002673314990000062
Figure BDA0002673314990000063
是对x、y、z三个轴向求偏导的算符，Bx、By、Bz是原点处磁感应强度沿x、y、z轴方向正交分解的分量值。
空间磁梯度张量T一共包括9个元素，在无源场中无传导电流，满足磁感应强度的散度和旋度为零，
Figure BDA0002673314990000064
和
Figure BDA0002673314990000065
即：
Figure BDA0002673314990000066
只有5个元素是相互独立的，所以，只要测出5组独立的梯度值，便可以得出张量。
在5条磁传感光纤的排布下，可以根据差分近似得出5组不同分量在不同方向上的梯度值。
根据磁传感光纤排布得出的5组梯度值代入到张量中，可以得出待测空间磁梯度张量，表示如下：
Figure BDA0002673314990000067
张量矩阵中的元素是所排布的磁感应光纤上的磁传感结构测量计算所得，因此能够实现梯度张量测量。
本发明的有益效果为：
1、本发明基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***结构简便、制作成本较低。整体结构紧凑固定，本发明基于磁流体与光纤结合的调制传感结构，不同于磁通门内部激励线圈、感应线圈和磁芯组成的结构，而仅将光纤去除小段包层，处理成锥形结构，并在***包裹封装磁流体即可，在重量和体积的轻巧上有较大提升，整套装置重量轻、体积小，能有效集成在多数测量监测设备中。
2、本发明内部光纤磁传感单元实现了光纤测量的分布复用，方便组建测量网络，可以实现多点同步监测。
3、本发明外部光纤磁场传感本身就具有抗电磁干扰、绝缘性好、测量灵敏度高等优势，外部反馈补偿部分可以有效屏蔽地磁干扰，能够适用于复杂环境下的磁场测量。
4、本发明两个位置的磁场测量可以用同一根光纤上不同距离的两段锥形结构同时测量，只需在两段外部施加不同的调制频率区分开频域上的两个测量信号即可。而同时使用两个磁通门传感器实现不同位置的磁场测量，输出信号较多，需要多通道采集，增加了***功耗，降低实效性。
5、由于磁通门传感器基于电学原理工作且通过电信号来传播测量到的磁感应强度信号，容易受到外界强电磁干扰，破坏信号的完整度，降低其可读性，而光纤磁场传感器是基于光学原理设计并且磁场强度信号会转化为光强度信号进行传播，具有较强的抗干扰能力，适合复杂环境下的测量工作。
附图说明
图1为本发明基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***的整体结构示意图；
图2为本发明磁传感光纤中调制传感结构的结构示意图；
图3为本发明调制传感结构的频率调制效果图。
1、外部反馈补偿单元，2、光纤固定圆板，3、磁传感光纤，4、调制传感结构，5、螺母，6、螺杆，7、凹形底座。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，如图1所示，包括外部反馈补偿单元1、内部光纤磁传感单元及整体结构固定部件单元；
内部光纤磁传感单元通过整体结构固定部件单元固定设置在外部反馈补偿单元1内，外部反馈补偿单元1也通过整体结构固定部件单元稳固设置；
外部反馈补偿单元1是表面缠绕线圈的球体结构；采用现有的磁场反馈球，在球形不导电材料外表刻有三个方向平行于笛卡尔坐标系垂直交叉的等宽、不等深、等间距分布的漆包线缠绕槽；外部反馈补偿单元1能够在内部产生反馈磁场，屏蔽外界无效的地磁等环境干扰场，让内部光纤传感单元工作在近零磁环境下，提高对待测低频磁场的测量响应度和灵敏度。
内部光纤磁传感单元包括若干条磁传感光纤3、调制传感结构4、三个光纤固定圆板2，三个光纤固定圆板2包括上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板，上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板自上而下平行设置在外部反馈补偿单元1内；
上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板与地面平行，中层光纤固定圆板穿过外部反馈补偿单元1的球心，上层光纤固定圆板与下层光纤固定圆板对称放置，并且，每条磁传感光纤3上的两个调制传感结构4之间的距离等于上层光纤固定圆板与下层光纤固定圆板之间的距离。
上述位置的设置保证了每一条磁传感光纤3上的两个磁传感结构都能有同样的距离值，因为求取的梯度值与磁感应强度分量的差值和距离有关，距离保持相同，可以确保梯度大小仅由外界待测磁场的磁感应强度决定，减少误差，提高测量精度。
若干条磁传感光纤3排布固定在三个光纤固定圆板2上，磁传感光纤3的空间排布以三个光纤固定圆板2为放置平台，固定内部光纤磁传感单元；磁传感光纤3为单线双传感部分的结构，每条磁传感光纤3上设置有两个调制传感结构4，为了实现同时且独立的测量，调制传感结构4***缠绕有调制线圈，调制传感结构4通过在***缠绕调制线圈实现调制，并且分别在两个调制传感结构4施加两个不同的调制频率，使两个调制传感结构4在输出光谱的不同调制频率附近得到两个不同位置所测量到的磁场信号强度和频率大小。由于两个调制频率本身及相对差值大于外界低频磁场的频率，因此，可以有效去除彼此之间的调制磁场串扰。
设置5条同种磁传感光纤3，每条磁传感光纤3上有两段间隔一定距离的调制传感结构4，每条磁传感光纤3的两段调制传感结构4关于中心对称放置，而每段调制传感结构4会测到其位置处沿调制传感结构4轴向的磁感应强度分量值，同一条磁传感光纤3上的两段调制传感结构4测得两个磁场信号强度值，取差值后与这条磁传感光纤3上两个调制传感结构4固定后位置距离的比值就近似得出了一组原点中心处的梯度值，所以，5条磁传感光纤3可以分别得出5组不同方向上及不同磁感应强度分量的梯度值，分别对应张量的5个独立的梯度元素后，就能得到外界待测场的梯度张量。
内部光纤磁传感单元包括5条磁传感光纤3；每条磁传感光纤3沿直角坐标系的坐标轴分布，直角坐标系的原点o与中层光纤固定圆板的圆心重合，中层光纤固定圆板平面与直角坐标系的xoy平面平行，如图1所示。x轴和y轴是xoy平面上经过原点o且相互垂直的任意两条直线，z轴经过原点o与xoy平面垂直，x、y、z轴方向符合右手定则；
在xoy平面上排布三条磁传感光纤3，其中，第一条磁传感光纤沿x轴放置，且第一条磁传感光纤上的两个调制传感结构4关于原点对称，调制传感结构4的方向与x轴同向；第二条磁传感光纤沿y轴放置，第二条磁传感光纤上的两个调制传感结构4关于原点对称，调制传感结构4的方向与y轴同向；第三条磁传感光纤沿y轴放置，第三条磁传感光纤关于x轴对称，并在临近x轴处弯折凸起，凸起方向与x轴反向，弯折处设置的两个调制传感结构4关于x轴对称；为了实现垂直放置，光纤经过了弯折放置。
第四条磁传感光纤排布在yoz平面，沿z轴放置，排布在上层光纤固定圆板所在平面上，与y轴平行，并弯折垂直穿过中层光纤固定圆板至所述下层光纤固定圆板所在平面上，设置的两个调制传感结构4关于y轴对称；第五条磁传感光纤排布在xoz平面，沿z轴放置，排布在上层光纤固定圆板所在平面上，与x轴平行，并弯折垂直穿过中层光纤固定圆板至下层光纤固定圆板所在平面上，设置的两个调制传感结构4关于x轴对称；剩余的两条磁传感光纤3分布在z轴上，它们的两段磁传感结构都是垂直于z轴的方向，放置于上层圆板上表面和下层圆板上表面，两个表面的距离是和传感结构间距一致的。沿z轴放置的两条光纤的两组传感结构放置方向分别沿x轴和y轴方向，其磁传感结构尾端在z轴之上。
每一条磁传感光纤3上的每一个调制传感结构4可以响应沿轴向的磁场变化，转化为光强信号而被观测到。从而得到沿调制传感结构4轴向的磁感应强度分量的大小，而一条磁传感光纤3上的两个调制传感结构4能够测量到两个不同位置但磁感应分量方向一致的磁场信号，因此，可以使用差分的方法，将测量到的两个强度分量取差值并与两段传感结构的距离做比值，近似得到中心原点处该磁感应强度分量的梯度值。具体地说，在上述磁传感光纤3排布位置处，在x轴上经过两个调制传感结构4得到两个位置处沿x轴方向的磁感应强度分量Bxx1和Bxx2，两个调制传感结构4的距离为Δx，所以可以近似得到原点处Bx沿x轴方向的梯度，即
Figure BDA0002673314990000091
同理，按照摆放位置，能够得出Bx、By沿y轴和沿z轴的梯度，这样就能得到5个在原点处的不同分量以及不同方向的梯度。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其区别在于：
每条磁传感光纤3上的两个调制传感结构4之间的中心距离相等，并且，每条磁传感光纤3上的两个调制传感结构4之间的中心距离为每个调制传感结构4的2倍。因为在求取梯度值时使用到了距离的大小，而根据梯度的概念，当距离越小，梯度值将更接近原点处的准确值，但需要同时考虑机械结构的设计，因此，需要在满足安装要求的同时取尽量小的距离为最佳。外部反馈补偿单元1需要按照将传感部分全部包容在内的要求设计，直径可为3～4倍调制传感结构4的长度。
实施例3
根据实施例2所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其区别在于：
整体结构固定部件单元包括凹形底座7、若干个螺杆6、若干个螺母5；外部反馈补偿单元1底部通过若干个螺杆6和螺母5配合固定在凹形底座7上，三个光纤固定圆板2通过若干个螺杆6穿插并用螺母5固定三个光纤固定圆板2的位置，外部反馈补偿单元1的顶部开孔伸出若干个螺杆6并使用螺母5紧固。
实施例4
根据实施例1-3所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其区别在于：
三个光纤固定圆板2上设置有调制传感结构4的位置处设置有凹槽和对排小孔，凹槽用于整体放置调制传感结构4，对排小孔用于穿绕紧固带或为紧固夹提供螺丝固定孔，使调制传感结构4固定于光纤固定圆板2上。
外部反馈补偿单元1、凹形底座7、螺杆6、螺母5均采用无磁性材料。外部反馈补偿单元1、凹形底座7的材质为PLA或ABS 3D打印材料；螺杆6、螺母5的材质为尼龙材料。
外部反馈补偿单元1表面上设有若干引导若干条磁传感光纤3输入输出的通孔。
如图2所示，调制传感结构4基于光纤传感结构，通过去除包层的小段裸光纤拉制成锥形结构，并在外部填充磁流体并密封，在密封磁流体的细玻璃管外面缠绕线圈制作而成。在线圈通入交流电时产生交变磁场，对调制传感结构4进行调制，主要是将沿磁传感结构轴向的磁感应强度及磁感应强度分量进行调制，这可以将其它方向的低频磁场集中在低频附近，而与传感结构轴向一致的外界待测低频磁场的信号会被调制到调制频率附近，因此，确保区分采集到的磁场信号的方向，并且两个调制传感结构4施加不同的调制频率后，可以能够实现两个位置处的磁场探测而不会相互串扰。如图3所示，横坐标表示调制信号，单位为Hz，纵坐标为输出功率；调制传感结构4能够响应磁场变化，转化为光强度信号经过磁传感光纤3进行传播，接入探测器进行显示，调制传感结构4的调制线圈能够将同一根磁传感光纤3上两段调制传感结构4探测到的两个信号分别施加不同频率调制f1和f2，能够将两部分分别探测到的磁场频率fc1和fc2进行调制频移，便于在探测端能够区分两个探测信号，分析运算得出两个磁场强度的大小，取差值后再与两个调制传感结构4的放置距离做比值，得出近似的磁感应强度分量的梯度值。
实施例5
实施例1-4任一基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***的工作方法，每条磁传感光纤3在空间磁梯度张量测量***外部接入光源，每条磁传感光纤3的接收端接入光电探测器，包括步骤如下：
(1)在光经过调制传感结构4后，输出被磁场调制的光强度信号，并在磁传感光纤3的接收端进行数据采集和处理分析，得到在同一根磁传感光纤3上两种调制频率附近采集到的测量信号，从而得到两个位置处的磁感应强度；
(2)根据磁梯度张量计算获取的理论方法，将5条磁传感光纤3获取的5组磁感应强度的值进行差分处理的近似求取梯度的运算，得出5个独立的张量矩阵内的梯度值；将5个独立的张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取空间磁梯度张量。
步骤(2)中，包括步骤如下：
A、将5条磁传感光纤3获取的5组磁感应强度的值进行差分处理的近似求取梯度的运算，得出5个独立的张量矩阵内的梯度值
Figure BDA0002673314990000111
如式(I)至式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002673314990000112
Figure BDA0002673314990000113
Figure BDA0002673314990000114
Figure BDA0002673314990000115
Figure BDA0002673314990000116
式(I)中，Bxx1、Bxx2是x轴上的第一条磁传感光纤上两个调制传感结构4同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δx是第一条磁传感光纤上两个调制传感结构4的距离；Bxx是指在x轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅱ)中，Bxy1、Bxy2是y轴上的第三条磁传感光纤上两个调制传感结构4同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δy是第三条磁传感光纤上两个调制传感结构4的距离；Bxy是指在y轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅲ)中，Bxz1、Bxz2是z轴上的第五条磁传感光纤上两个调制传感结构4同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δz是第五条磁传感光纤上两个调制传感结构4的距离；Bxz是指在z轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅳ)中，Byy1、Byy2是y轴上的第二条磁传感光纤上两个调制传感结构4同时测量的沿y轴方向的磁感应强度分量，Δy是第二条磁传感光纤上两个调制传感结构4的距离；Byy是指在y轴上测量到的沿y轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅴ)中，Byz1、Byz2是z轴上的第四条磁传感光纤上两个调制传感结构4同时测量的沿y轴方向的磁感应强度分量，Δz是第四条磁传感光纤上两个调制传感结构4的距离；Byz是指在z轴上测量到的沿y轴方向上的磁感应强度分量值；
B、将5个独立的张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取空间磁梯度张量T，空间磁梯度张量T是磁场向量的三个分量在三个相互正交的方向上的空间变化率，磁场B是一个向量场，空间磁梯度张量T为两个矩阵相乘的形式，如式(VI)所示：
Figure BDA0002673314990000121
式(VI)的推导过程如下：
Figure BDA0002673314990000122
Figure BDA0002673314990000123
是对x、y、z三个轴向求偏导的算符，Bx、By、Bz是原点处磁感应强度沿x、y、z轴方向正交分解的分量值。
空间磁梯度张量T一共包括9个元素，在无源场中无传导电流，满足磁感应强度的散度和旋度为零，
Figure BDA0002673314990000124
和
Figure BDA0002673314990000125
即：
Figure BDA0002673314990000126
只有5个元素是相互独立的，所以，只要测出5组独立的梯度值，便可以得出张量。
在5条磁传感光纤3的排布下，可以根据差分近似得出5组不同分量在不同方向上的梯度值。
根据磁传感光纤3排布得出的5组梯度值代入到张量中，可以得出待测空间磁梯度张量，表示如下：
Figure BDA0002673314990000127
张量矩阵中的元素是所排布的磁感应光纤上的磁传感结构测量计算所得，因此能够实现梯度张量测量。

Claims (11)

1.一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，包括外部反馈补偿单元、内部光纤磁传感单元及整体结构固定部件单元；
所述内部光纤磁传感单元通过所述整体结构固定部件单元固定设置在所述外部反馈补偿单元内，所述外部反馈补偿单元也通过所述整体结构固定部件单元稳固设置；
所述外部反馈补偿单元是表面缠绕线圈的球体结构；
所述内部光纤磁传感单元包括若干条磁传感光纤、调制传感结构、三个光纤固定圆板，三个光纤固定圆板包括上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板，所述上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板自上而下平行设置在所述外部反馈补偿单元内；若干条所述磁传感光纤排布固定在三个所述光纤固定圆板上，每条所述磁传感光纤上设置有两个所述调制传感结构，所述调制传感结构***缠绕有调制线圈，所述调制传感结构通过在***缠绕调制线圈实现调制，并且分别在两个所述调制传感结构施加两个不同的调制频率，使两个所述调制传感结构在输出光谱的不同调制频率附近得到两个不同位置所测量到的磁场信号强度和频率大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述内部光纤磁传感单元包括5条磁传感光纤；每条所述磁传感光纤沿直角坐标系的坐标轴分布，直角坐标系的原点o与中层光纤固定圆板的圆心重合，中层光纤固定圆板平面与直角坐标系的xoy平面平行，x轴和y轴是xoy平面上经过原点o且相互垂直的任意两条直线，z轴经过原点o与xoy平面垂直；
在xoy平面上排布三条磁传感光纤，其中，第一条磁传感光纤沿x轴放置，且所述第一条磁传感光纤上的两个调制传感结构关于原点对称，调制传感结构的方向与x轴同向；第二条磁传感光纤沿y轴放置，所述第二条磁传感光纤上的两个调制传感结构关于原点对称，调制传感结构的方向与y轴同向；第三条磁传感光纤沿y轴放置，所述第三条磁传感光纤关于x轴对称，并在临近x轴处弯折凸起，凸起方向与x轴反向，弯折处设置的两个调制传感结构关于x轴对称；
第四条磁传感光纤排布在yoz平面，沿z轴放置，排布在所述上层光纤固定圆板所在平面上，与y轴平行，并弯折垂直穿过所述中层光纤固定圆板至所述下层光纤固定圆板所在平面上，设置的两个调制传感结构关于y轴对称；第五条磁传感光纤排布在xoz平面，沿z轴放置，排布在所述上层光纤固定圆板所在平面上，与x轴平行，并弯折垂直穿过所述中层光纤固定圆板至所述下层光纤固定圆板所在平面上，设置的两个调制传感结构关于x轴对称。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述调制传感结构基于光纤传感结构，通过去除包层的小段裸光纤拉制成锥形结构，并在外部填充磁流体并密封，在密封磁流体的细玻璃管外面缠绕线圈制作而成；
每条所述磁传感光纤上的两个所述调制传感结构之间的中心距离相等，并且，每条所述磁传感光纤上的两个所述调制传感结构之间的中心距离为每个调制传感结构的2倍。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述整体结构固定部件单元包括凹形底座、若干个螺杆、若干个螺母；所述外部反馈补偿单元底部通过若干个所述螺杆和所述螺母配合固定在所述凹形底座上，三个所述光纤固定圆板通过若干个所述螺杆穿插并用所述螺母固定三个所述光纤固定圆板的位置，所述外部反馈补偿单元的顶部开孔伸出若干个所述螺杆并使用所述螺母紧固。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述上层光纤固定圆板、中层光纤固定圆板及下层光纤固定圆板与地面平行，所述中层光纤固定圆板穿过所述外部反馈补偿单元的球心，所述上层光纤固定圆板与所述下层光纤固定圆板对称放置，并且，每条所述磁传感光纤上的两个所述调制传感结构之间的距离等于所述上层光纤固定圆板与下层光纤固定圆板之间的距离。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，三个所述光纤固定圆板上设置有所述调制传感结构的位置处设置有凹槽和对排小孔，所述凹槽用于整体放置所述调制传感结构，所述对排小孔用于穿绕紧固带或为紧固夹提供螺丝固定孔，使所述调制传感结构固定于所述光纤固定圆板上。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述外部反馈补偿单元、凹形底座、螺杆、螺母均采用无磁性材料。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述外部反馈补偿单元、凹形底座的材质为PLA或ABS 3D打印材料；所述螺杆、螺母的材质为尼龙材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***，其特征在于，所述外部反馈补偿单元表面上设有若干引导若干条磁传感光纤输入输出的通孔。
10.权利要求2-9任一所述基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***的工作方法，其特征在于，每条磁传感光纤在空间磁梯度张量测量***外部接入光源，每条磁传感光纤的接收端接入光电探测器，包括步骤如下：
(1)在光经过调制传感结构后，输出被磁场调制的光强度信号，并在磁传感光纤的接收端进行数据采集和处理分析，得到在同一根磁传感光纤上两种调制频率附近采集到的测量信号，从而得到两个位置处的磁感应强度；
(2)根据磁梯度张量计算获取的理论方法，将5条磁传感光纤获取的5组磁感应强度的值进行差分处理的近似求取梯度的运算，得出5个独立的张量矩阵内的梯度值；将5个独立的张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取空间磁梯度张量。
11.根据权利要求10所述的基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***的工作方法，其特征在于，步骤(2)中，包括步骤如下：
A、将5条磁传感光纤获取的5组磁感应强度的值进行差分处理的近似求取梯度的运算，得出5个独立的张量矩阵内的梯度值
Figure FDA0003081251320000031
如式(Ⅰ)至式(Ⅴ)所示：
Figure FDA0003081251320000032
Figure FDA0003081251320000033
Figure FDA0003081251320000034
Figure FDA0003081251320000035
Figure FDA0003081251320000036
式(Ⅰ)中，Bxx1、Bxx2是x轴上的第一条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δx是第一条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Bxx是指在x轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅱ)中，Bxy1、Bxy2是y轴上的第三条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δy是第三条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Bxy是指在y轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅲ)中，Bxz1、Bxz2是z轴上的第五条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿x轴方向的磁感应强度分量，Δz是第五条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Bxz是指在z轴上测量到的沿x轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅳ)中，Byy1、Byy2是y轴上的第二条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿y轴方向的磁感应强度分量，Δy是第二条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Byy是指在y轴上测量到的沿y轴方向上的磁感应强度分量值；
式(Ⅴ)中，Byz1、Byz2是z轴上的第四条磁传感光纤上两个调制传感结构同时测量的沿y轴方向的磁感应强度分量，Δz是第四条磁传感光纤上两个调制传感结构的距离；Byz是指在z轴上测量到的沿y轴方向上的磁感应强度分量值；
B、将5个独立的张量矩阵内的梯度值带入张量运算中，求取空间磁梯度张量T，空间磁梯度张量T是磁场向量的三个分量在三个相互正交的方向上的空间变化率，磁场B是一个向量场，空间磁梯度张量T为两个矩阵相乘的形式，如式(Ⅵ)所示：
Figure FDA0003081251320000041
CN202010940021.7A 2020-09-09 2020-09-09 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法 Active CN112014777B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010940021.7A CN112014777B (zh) 2020-09-09 2020-09-09 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010940021.7A CN112014777B (zh) 2020-09-09 2020-09-09 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112014777A CN112014777A (zh) 2020-12-01
CN112014777B true CN112014777B (zh) 2021-10-15

Family

ID=73521715

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010940021.7A Active CN112014777B (zh) 2020-09-09 2020-09-09 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112014777B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113253162B (zh) * 2021-06-18 2022-04-26 上海交通大学 一种微机电***磁通门地磁张量传感芯片
CN114371332B (zh) * 2022-03-22 2022-07-12 智联新能电力科技有限公司 空间磁场传感器及10kV配电线路行波定位装置和方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8033184B2 (en) * 2006-08-25 2011-10-11 Korea Research Institute Of Standards And Science Quantum-based force realization apparatus and force measurer using the same
CN103487770B (zh) * 2013-04-19 2016-08-10 北京航空航天大学 一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置
CN106842347B (zh) * 2016-12-26 2018-09-04 华中科技大学 一种阵列式原子干涉重力梯度张量全分量的测量***
CN108717168B (zh) * 2018-05-04 2020-12-18 北京航天控制仪器研究所 一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法
CN108508382B (zh) * 2018-06-06 2020-12-25 北京航空航天大学 一种基于serf原子自旋效应的三维梯度磁场测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN112014777A (zh) 2020-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103487770B (zh) 一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置
CN103245928B (zh) 方向可调的均匀磁场和均匀一阶梯度磁场的方法及装置
US5437276A (en) Apparatus for measuring magnetic sources
CN112014777B (zh) 一种基于光纤磁场传感器的空间磁梯度张量测量***及其工作方法
Beiranvand Effects of the winding cross-section shape on the magnetic field uniformity of the high field circular Helmholtz coil systems
CN110389308A (zh) 磁致伸缩/压电复合灵敏度倍增的磁力梯度探头
CN103837900A (zh) 一种基于矢量磁场探测的地下电缆定位方法及装置
CN104062607B (zh) 一种基于巨磁阻抗效应的全张量磁场梯度计
CN105487027B (zh) 三维矢量磁矩测量仪
CN108717168A (zh) 一种基于光场幅度调制的标量磁场梯度测量装置及方法
CA2373688C (en) Measurement of magnetic fields
CN111044947A (zh) 一种用于脑磁测量的多通道serf原子磁力仪装置及应用方法
CN101422365A (zh) 高温squid应用中平衡脉冲外磁场的调节装置及调节方法
Xu et al. Magnetic target linear location method using two-point gradient full tensor
CN206546425U (zh) 一种实现标量矢量同时测量的氦光泵磁力仪探头
CN106154187B (zh) 一种三阶梯度线圈及探测器
CN108254796B (zh) 一种标量磁力仪阵列基线的优化方法
CN115389988B (zh) 一种原子磁强计交流磁场幅值测量装置及方法
Yang et al. Weakly damped SQUID gradiometer with low crosstalk for magnetocardiography measurement
GB2171523A (en) Magnetic gradient detection
CN109283476A (zh) 磁传感器的低频本征噪声测试***及测试方法
CN107966670A (zh) 一种超导全张量探测装置及超导全张量探测方法
CN114460505A (zh) 一种用于微弱交变磁场量值传递的低噪声感应式磁强计
JP2854475B2 (ja) 高精度３軸磁力計を用いた地下電磁誘導探査法
Indrasari et al. A magnetic distance sensor with high sensitivity based on double secondary coil of fluxgate

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant