[发明专利]一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器

说明书

本发明涉及一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器。将六个紧凑型轴对称的单根非晶丝探头分成三组，每组两个，相隔一定距离L，配置在正交坐标系的三个坐标轴上，组成非晶丝探头正交阵列。反向串接在同一坐标轴上的两个探头上的采杆线圈，非晶丝探头正交阵列就可被看作是三分量磁场梯度计的探头系统(图4)。采用中国专利“一种高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器及其制造技术”中使用的低噪声正负电源电路和非晶丝激励电流电路，并联激励来自三组单轴磁场梯度传感器探头系统中非晶丝，用三个信号处理系统分别处理来自三组反向串联采样线圈采集的磁场梯度信息(图2)，即可测得正交坐标系中X，Y和Z轴方向上的磁场梯度分量的电压模拟量，并据此可算出总的磁场梯度的大小和方向，成为名副其实的三分量磁场梯度传感器。

技术领域

本发明涉及一种基于非晶丝正交阵列的高分辨率正交磁通门全方位磁场梯度传感器，

技术背景

在现代社会中，磁场梯度传感器的应用领域不断扩展，不仅可应用于地下管道和电缆的探测、考古、救灾、探矿等民用领域，而且也广泛应用于测潜、水雷等水下武器的探测、各种导弹和炸弹的近炸磁引信等军事领域。应用磁场梯度传感器进行磁探测的技术优势在于：该技术可以完全不受当时当地的地磁场变化的影响，有效地探测到造成外磁场异常变化的目标。但是可能由于被探测的目标磁场过于微弱(如经过消磁处理的潜艇，带有微弱磁性的水雷....)，也可能因为目标距离太远(如航空磁探测的目标)，纳特(nT)级水平的磁场测量分辨率很难满足探测的要求。因此，开发高分辨率磁场梯度传感器就成了当今急需解决的课题。现在，高分辨率非晶丝正交磁通门磁场传感器的磁场测量噪声已经降低到皮特(pT)级的水平^[1]，因此，如何将该技术应用于研发高分辨率磁场梯度传感器是本发明的主要内容之一。

当今世界各国已经开发成功的矢量型磁场梯度传感器有两种：单轴磁场梯度传感器和三轴磁场梯度传感器。所谓“三轴磁场梯度传感器”实际上是由相隔一定距离的两台三轴磁场传感器组装成的，只有在磁场梯度传感器的轴线方向与两台三轴磁场传感器的X，Y，Z三根轴中的某一根轴相平行时，才能给出这个轴上的磁场梯度分量，而其余两个轴上的磁场梯度分量是无法测定的，因为这时两台三轴磁场传感器的另外两根轴并不在一条直线上。只有运用AD转换和数学计算将三轴磁场梯度传感器升级为数字式三轴磁场梯度传感器，得到两台三轴磁强计所在处的磁场强度总量，才能求得磁场梯度总量。但这只是一个标量，不能给出磁场梯度的方向，因此也就无法快速和简便地确定产生异常磁场目标的位置。本发明通过设计一个由六个非晶丝正交磁通门传感器探头构成的正交阵列，实现了X，Y和Z轴方向上磁场梯度分量的测定，通过计算给出磁场梯度的总量和方向，从而确定导致产生磁场梯度的目标在磁场梯度传感器的笛卡尔坐标系八个象限中的位置。无须移动和转动磁场梯度传感器，就能全方位地确定磁场梯度总量以及导致产生磁场梯度的异常磁性目标的位向。

工作原理和本发明的关键技术

工作原理：将六个紧凑型轴对称的单根非晶丝探头分成三组，每组两个，相隔一定距离L配置在细铜管的中心线上，反向串接两个非晶丝探头上的采样线圈，构成单轴磁场梯度传感器探头系统(图4)。将三组单轴磁场梯度传感器的探头系统设置在正交坐标系的三个坐标轴上，组成非晶丝探头正交阵列，并以此作为三分量磁场梯度传感器的探头系统(图1)。采用“非晶丝高分辨率正交磁通门磁场传感器”的一个电源电路和一个非晶丝激励电流电路，并联激励来自三组单轴磁场梯度传感器探头系统中非晶丝，用三个独立的信号处理系统分别处理来自三组反向串联采样线圈的磁场梯度信息(图2)，即可获得正交坐标系中X，Y和Z轴方向上的磁场梯度分量的电压模拟量，并据此可算出总的磁场梯度的大小和方向，成为名副其实的三分量磁场梯度传感器。

关键技术：

1.设计和构建一个非晶丝传感器探头正交阵列，并以此作为三分量磁场梯度传感器的探头系统的技术，是本发明的关键技术之一。包括如何保障构建非晶丝传感器探头正交阵列的探头电磁参数一致性的技术和如何设计非晶丝探头正交阵列的骨架，如何保证构成正交阵列的三根轴线互相垂直，正交度误差小于0.1°的技术。