[发明专利]一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置及测磁方法

权利要求书

1.一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，包括原子蒸气泡(10)，其特征在于，原子蒸气泡(10)上设置有测磁传感器(9)，原子蒸气泡(10)位于三维亥姆霍兹线圈单元的中心，半导体激光器(1)的出射光经1/2波片(2)后由偏振分束器(3)分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块(16)中，激光稳频模块(16)与半导体激光器(1)连接，激光稳频模块(16)通过反射光对半导体激光器(1)的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器(15)输出调制频率信号到声光调制器(4)，声光调制器(4)根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器(4)调制后沿X轴亥姆霍兹线圈(5)的中心轴线穿过原子蒸气泡(10)后由沃拉斯顿棱镜(11)分为两束并分别由第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)进行检测，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)的输出的检测信号经差分放大器(14)获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器(15)，锁相放大器(15)根据调制频率信号和差分放大器(14)输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁，锁相放大器(15)与计算机(31)连接，计算机(31)的第一PCI插槽(29)与第一数据采集卡(27)连接，第一数据采集卡(27)与压控电流源模块(23)连接，压控电流源模块(23)与三维亥姆霍兹线圈单元连接，计算机(31)的第二PCI插槽(30)与第二数据采集卡(28)连接，第二数据采集卡(28)与放大电路模块(24)连接，放大电路模块(24)与测磁传感器(9)连接。

2.根据权利要求1所述的一种无被动磁屏蔽原子磁力计装置，其特征在于，所述的三维亥姆霍兹线圈单元包括X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)，X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)均为共中心轴线的一对线圈，X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)中心轴线相互垂直，X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)共中心点，原子蒸气泡(10)位于中心点处。

3.一种利用权利要求2所述的无被动磁屏蔽原子磁力计装置进行测磁的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、第一数据采集卡(27)输出线性变化的输入电压V_Z，输入电压V_Z经过压控电流源模块(23)作用于Z轴亥姆霍兹线圈(7)，第二数据采集卡(28)获取测磁传感器(9)测量的Z方向磁场值B_Z，通过线性拟合，得到Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z满足B_Z＝k_Z×V_Z+b_Z关系，k_Z与b_Z分别表示Z方向磁场值B_Z与输入电压V_Z拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡(27)输出线性变化的输入电压V_Y，输入电压V_Y经过压控电流源模块(23)作用于Y轴亥姆霍兹线圈(6)，第二数据采集卡(28)获取测磁传感器(9)测量的Y方向磁场值B_Y，通过线性拟合，得到Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y满足B_Y＝k_Y×V_Y+b_Y关系，k_Y与b_Y分别表示Y方向磁场值B_Y与输入电压V_Y拟合的斜率与截距；

第一数据采集卡(27)输出线性变化的输入电压V_X，输入电压V_X经过压控电流源模块(23)作用于X轴亥姆霍兹线圈(5)，第二数据采集卡(28)获取测磁传感器(9)测量的X方向磁场值B_X，通过线性拟合，得到X方向磁场值B_X与输入电压V_X满足B_X＝k_X×V_X+b_X关系，k_X与b_X分别表示X方向磁场值B_X与输入电压V_X拟合的斜率与截距；

步骤2、对Z方向磁场、Y方向磁场、X方向磁场进行主动补偿，具体包括：

步骤2.1、初始X轴亥姆霍兹线圈(5)、Y轴亥姆霍兹线圈(6)和Z轴亥姆霍兹线圈(7)不加载电流；

步骤2.2、测磁传感器(9)测量并获得Z方向磁场B_j，

步骤2.3、依据求取Z方向加载电压V_j，第一数据采集卡(27)输出Z方向加载电压V_j，Z方向加载电压V_j经过压控电流源模块(23)作用于Z轴亥姆霍兹线圈(7)，j为Z方向磁场的迭代次数；

步骤2.4、测磁传感器(9)再次测量并获得Z方向磁场B_j+1，若Z方向磁场B_j+1的绝对值大于20nT，则j增加1，跳转到步骤2.3，否则Z方向加载电压V_j即为Z方向补偿电压，进行步骤2.5；

步骤2.5、测磁传感器(9)测量并获得Y方向磁场B_n，

步骤2.6、依据求取Y方向加载电压V_n，第一数据采集卡(27)输出Y方向加载电压V_n，Y方向加载电压V_n经过压控电流源模块(23)作用于Y轴亥姆霍兹线圈(6)，n为Y方向磁场的迭代次数；

步骤2.7、测磁传感器(9)再次测量并获得Y方向磁场B_n+1，若Y方向磁场B_n+1的绝对值大于20nT，则n增加1，跳转到步骤2.6，否则Y方向加载电压V_n即为Y方向补偿电压，进行步骤2.8；

步骤2.8、测磁传感器(9)测量并获得X方向磁场B_m，

步骤2.9、依据求取X方向加载电压V_m，第一数据采集卡(27)输出X方向加载电压V_m，X方向加载电压V_m经过压控电流源模块(23)作用于X轴亥姆霍兹线圈(5)，m为X方向磁场的迭代次数；

步骤2.10、测磁传感器(9)再次测量并获得X方向磁场B_m+1，若X方向磁场B_m+1的绝对值大于20nT，则m增加1，跳转到步骤2.9，否则X方向加载电压V_m即为X方向补偿电压，进行步骤3；

步骤3、半导体激光器(1)的出射光经1/2波片(2)后由偏振分束器(3)分束为透射光和反射光，反射光进入到激光稳频模块(16)中，激光稳频模块(16)与半导体激光器(1)连接，激光稳频模块(16)通过反射光对半导体激光器(1)的出射光进行稳频反馈控制，锁相放大器(15)输出调制频率信号到声光调制器(4)，声光调制器(4)根据调制频率信号对透射光进行调制，透射光经过声光调制器(4)调制后沿X轴亥姆霍兹线圈(5)的中心轴线穿过原子蒸气泡(10)后由沃拉斯顿棱镜(11)分为两束并分别由第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)进行检测，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)的输出的检测信号经差分放大器(14)获得差分放大信号，差分放大信号输入到锁相放大器(15)，锁相放大器(15)根据调制频率信号和差分放大器(14)输出的差分放大信号进行解调获得X方向磁场值B₁；

步骤4、电信号采集单元得到的磁场值B₀与光信号检测单元得到的磁场值B₁相加，得到外界环境中X方向磁场值B＝B₀+B₁。