绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法

摘要

本发明提供一种绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法。所述设备包括：设置在超导环境中的三轴超导量子干涉器磁强计；与所述三轴超导量子干涉器磁强计处于同一磁场环境且设置在常温环境中的三轴磁通门计；数据采集处理装置，用于利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值。本发明能够在磁场瞬间变化时，高精度的测得磁场的绝对测量值。

权利要求

1.一种绝对磁场测量设备，其特征在于，包括：

设置在超导环境中的三轴超导量子干涉器磁强计，包括：沿三个不同轴向设置的超导量子干涉器磁传感器；

与所述三轴超导量子干涉器磁强计处于同一磁场环境且设置在常温环境中的三轴磁通门计，其中，所述三轴磁通门计的每个轴向与所对应的超导量子干涉器磁传感器感应同一轴向的磁场；

与所述三轴超导量子干涉器磁强计和三轴磁通门计相连的数据采集处理装置，用于利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场环境的绝对测量拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值；

所述数据采集处理装置包括：

与所述三轴超导量子干涉器磁强计和三轴磁通门计相连的采集单元，用于采集多组所述三轴超导量子干涉器磁强计所输出的相对测量值，及多组所述三轴磁通门计所输出的绝对测量值，其中，每组中包含多次同步采集的相对测量值和绝对测量值；

与所述采集单元相连的数据处理单元，用于利用公式

和所述采集单元所采集的各组所述三轴超导量子干涉器磁强计在各轴向的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，使得所述磁场环境的绝对测量拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值；

其中， 为X、Y、Z轴向中一个轴向的绝对测量拟合值，Msx、Msy、Msz分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值，αi、βi、γi分别为X、Y、Z轴向中同一轴向的拟合系数，Ki为X、Y、Z轴向中一个轴向的直流分量，M为所得到的绝对值，Kx、Ky、Kz分别为所拟合的三个轴向的直流分量。

2.根据权利要求1所述的绝对磁场测量设备，其特征在于，所述三轴磁通门计的各轴向和所对应的各轴向的超导量子干涉器磁传感器彼此平行。

3.根据权利要求1所述的绝对磁场测量设备，其特征在于，所述超导量子干涉器磁传感器沿彼此正交的轴向设置。

4.根据权利要求1所述的绝对磁场测量设备，其特征在于，所述三轴超导量子干涉器磁强计放置在盛放液氮或液氦的杜瓦中。

5.根据权利要求4所述的绝对磁场测量设备，其特征在于，所述三轴磁通门计放置在所述杜瓦的上盖。

6.根据权利要求1所述的绝对磁场测量设备，其特征在于，所述拟合方式为最小二乘拟合法。

7.一种利用如权利要求1-6中任一所述的绝对磁场测量设备来进行绝对磁场测量的方法，其特征在于，包括：

1)采集所述三轴超导量子干涉器磁强计所输出的相对测量值，及所述三轴磁通门计所输出的绝对测量值；

2)利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场环境的绝对测量拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小；

3)根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值。

8.根据权利要求7所述的绝对磁场测量的方法，其特征在于，所述步骤2)包括：利用公式 和多次采集的所述三轴超导量子干涉器磁

强计在各轴向的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，使得所述磁场环境的绝对测量拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，其中， 为X、Y、Z轴向中一个轴向的绝对测量拟合值，Msx、Msy、Msz分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值，αi、βi、γi分别为X、Y、Z轴向中同一轴向的拟合系数，Ki为X、Y、Z轴向中一个轴向的直流分量；

所述步骤3)包括：并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值；其中，M为所得到的绝对值，Kx、Ky、Kz分别为所拟合的三个轴向的直流分量。

9.根据权利要求7或8所述的绝对磁场测量的方法，其特征在于，所述拟合方式为最小二乘拟合法。

说明书

绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种绝对磁场测量技术，特别是涉及一种绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法。

背景技术

[0002] 磁场测量在宇宙天文、生物医疗、地球物理勘探中具有重要的意义。比如：宇宙地磁测量、脑磁/心磁信号测量诊断、大地磁信号测量勘探等。如何精确的测量到磁场信号，尤其是绝对磁场信号，在磁信号反演过程中至关重要。

[0003] 目前所使用的绝对磁场测量设备是利用磁通门计来测量磁场环境的绝对磁场。磁通门磁传感器的噪声最低在10pT/Hz1/2左右，带宽也比较低在小于3kHz左右，由于磁通门计对于3kHz以上的带宽无法及时响应，对于变化极快的磁场的绝对值测量是无法测得瞬变时的绝对磁场。

[0004] 另外，目前还有一种具有高灵敏度的磁通传感器：超导量子干涉器件（SQUID），能测量微弱磁信号，且极其灵敏。这种器件由于磁通到电压传输特性曲线是类正弦的周期信号，因此SQUID常常工作在磁通锁定环路下使SQUID的传输特性线性化；同时，也正是因为SQUID磁通到电压传输特性曲线是类正弦周期的，与SQUID链接的读出电路所锁定的工作点可以锁定在任一周期中的一点上，是不确定的，因而SQUID测到的信号只能是相对于锁定点处磁场的相对值。

[0005] 如何利用SQUID的高灵敏度来测量瞬变带宽过大的绝对磁场测量值，是本领域技术人员所要解决的问题。

发明内容

[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法，用于解决现有技术中瞬变带宽过大时绝对磁场无法高精度的测量的问题。

[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种绝对磁场测量设备，包括：设置在超导环境中的三轴超导量子干涉器磁强计包括：沿三个不同轴向设置的超导量子干涉器磁传感器；与所述三轴超导量子干涉器磁强计处于同一磁场环境且设置在常温环境中的三轴磁通门计，其中，所述三轴磁通门计的每个轴向与所对应的超导量子干涉器磁传感器感应同一轴向的磁场；与所述三轴超导量子干涉器磁强计和三轴磁通门计相连的数据采集处理装置，用于利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值。

[0008] 优选地，所述三轴磁通门计的各轴向和所对应的各轴向的超导量子干涉器磁传感器彼此平行。

[0009] 优选地，所述超导量子干涉器磁传感器沿彼此正交的轴向设置，

[0010] 优选地，所述三轴超导量子干涉器磁强计放置在盛放液氮或液氦的杜瓦中。

[0011] 优选地，所述三轴磁通门计放置在所述杜瓦的上盖。

[0012] 优选地，所述数据采集处理装置包括：与所述三轴超导量子干涉器磁强计和三轴磁通门计相连的采集单元，用于采集多组所述三轴超导量子干涉器磁强计所输出的相对测量值，及多组所述三轴磁通门计所输出的绝对测量值，其中，每组中包含多次同步采集的相对测量值和绝对测量值；与所述采集单元相连的数据处理单元，用于利用公式和所述采集单元所采集的各组所述三轴超导量子干涉器磁强计在各轴向的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，使得所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值；其中， 为X、Y、Z轴向中一个轴向的绝对测量拟合值，Msx、Msy、Msz分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值，αi、βi、γi分别为X、Y、Z轴向中同一轴向的拟合系数，Ki为X、Y、Z轴向中一个轴向的直流分量，M为所得到的绝对值，Kx、Ky、Kz分别为所拟合的三个轴向的直流分量。

[0013] 优选地，所述拟合方式为最小二乘拟合法。

[0014] 基于上述目的，本发明还提供一种利用如上任一所述的绝对磁场测量设备来进行绝对磁场测量的方法，包括：1）采集所述三轴超导量子干涉器磁强计所输出的相对测量值，及所述三轴磁通门计所输出的绝对测量值；2）利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小；3）根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值。

[0015] 优选地，所述步骤2）包括：利用公式 和多次采集的所述三轴超导量子干涉器磁强计在各轴向的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，使得所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，其中， 为X、Y、Z轴向中一个轴向的绝对测量拟合值，Msx、Msy、Msz分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值，αi、βi、γi分别为X、Y、Z轴向中同一轴向的拟合系数，Ki为X、Y、Z轴向中一个轴向的直流分量；

[0016] 所述步骤3）包括：并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值；其中，M为所得到的绝对值，Kx、Ky、Kz分别为所拟合的三个轴向的直流分量。

[0017] 优选地，所述拟合方式为最小二乘拟合法。

[0018] 如上所述，本发明的绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法，具有以下有益效果：利用测量带宽高、灵敏度高的三轴超导量子干涉器磁强计来计算误差最小时的绝对测量值的变化量，能够在磁场瞬间变化时，高精度的测得磁场的绝对测量值。

附图说明

[0019] 图1显示为本发明的绝对磁场测量设备的结构示意图。

[0020] 图2显示为本发明绝对磁场测量方法的流程图。

[0021] 元件标号说明

[0022]

具体实施方式

[0023] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

[0024] 请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

[0025] 如图1所示，本发明提供一种绝对磁场测量设备。所述绝对磁场测量设备1包括：三轴超导量子干涉器磁强计11、三轴磁通门计12、数据采集处理装置133。

[0026] 所述三轴超导量子干涉器磁强计11包括三个轴向的超导量子干涉器磁传感器，并设置在超导环境中，其中，所述超导环境指温度在4.2开尔文（相当于-269摄氏度）或77开尔文左右的环境中。通常，所述超导环境由封装有液氮或液氦的杜瓦14提供，所述三轴超导量子干涉器磁强计11密封在所述杜瓦14中。

[0027] 所述三轴磁通门计12与所述三轴超导量子干涉器磁强计11处于同一磁场环境且设置在常温环境。其中，所述三轴磁通门计12的每个轴向与所对应的超导量子干涉器磁传感器感应同一轴向的磁场。

[0028] 各轴向的超导量子干涉器磁传感器和所述三轴磁通门计所对应的轴向彼此平行，也可以稍有偏差。优选地，各所述超导量子干涉器磁传感器所在轴向彼此正交。

[0029] 为了减小所述三轴磁通门计12与三轴超导量子干涉器磁强计11之间的距离，所述三轴磁通门计12放置在所述杜瓦14的上盖。

[0030] 所述数据采集处理装置133与所述三轴超导量子干涉器磁强计11和三轴磁通门计12相连，用于利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值。其中，所述拟合方式优选为最小二乘拟合算法。其中，所述数据采集装置1可以是含有频谱分析功能的计算机设备。

[0031] 优选地，所述数据处理装置1包括：采集单元和数据处理单元（均未予图示）。

[0032] 所述采集单元与所述三轴磁通门计和三轴超导量子干涉器磁强计相连，用于采集多组所述三轴超导量子干涉器磁强计所输出的相对测量值，及多组所述三轴磁通门计所输出的绝对测量值，其中，每组中包含多次同步采集的相对测量值和绝对测量值。其中，所述采集单元可以为包含采样电阻的采样电路，以及根据所采样的电压来计算磁场的处理器。

[0033] 所述数据处理单元与所述采集单元相连，用于利用公式和所述采集单元所采集的各组所述三轴超导量子干涉器磁强计在各轴向的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，使得所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值，由此利用公式 能够得到所述磁场
环境的磁场总场；其中， 为X、Y、Z轴向中一个轴向的绝对测量拟合值，Msx、Mxy、Msz分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值，αi、βi、γi分别为X、Y、Z轴向中同一轴向的拟合系数，Ki为X、Y、Z轴向中一个轴向的直流分量，i表示X、Y、Z轴向，M为所得到的绝对值，Kx、Ky、Kz分别为所拟合的三个轴向的直流分量。所述数据处理单元包含处理器、暂存器和由二者执行的软件。

[0034] 具体地，所述数据处理单元将每组中多次采集的所述三轴超导量子干涉器磁强计的相对测量值Msxj、Msyj、Mszj代入公式 来拟合所述三轴超导量子干涉器磁强计在X轴向的绝对测量值 并以每组中各 的均方差最
小来确定所拟合的绝对测量值所对应的αx、βx、γx、Kx参数值，其中， 为每次所拟合的X轴向的绝对测量值，Msxj、Msyj、Mszj分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器每次所测得的相对测量值，j为每组中每次采集的编号，αx、βx、γx分别为X轴向的拟合系数，Kx为X轴向的直流分量，Mfxj为X轴的磁通门计同组中每次所测得的绝对测量值。

[0035] 同样道理，所述数据处理单元还利用 来拟合所述三轴超导量子干涉器磁强计在Y轴向的绝对测量值，并以每组中各 的均方差最小来确定所拟合的绝对测量值所对应的αy、βy、γy、Ky参数值，其中， 为所拟合的Y轴向的绝对测量值，Msxj、Msyj、Mszj分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器每次所测得的相对测量值，αy、βy、γy分别为Y轴向的拟合系数，Ky为Y轴向的直流分量，Mfyj为Y轴的磁通门计同组中每次所测得的绝对测量值。

[0036] 所述数据处理单元还利用 来拟合所述三轴超导量子干涉器磁强计在Z轴向的绝对测量值，并以每组中各 的均方差最小来确定所拟合的绝对测量值所对应的αz、βz、γz、Kz参数值，其中， 为所拟合的Z轴向的绝对测量值，Msxj、Msyj、Mszj分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器每次所测得的相对测量值，αz、βz、γz分别为Z轴向的拟合系数，Kz为Z轴向的直流分量，Mfzj为Z轴的磁通门计同组中每次所测得的绝对测量值。

[0037] 接着，所述数据处理单元并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值，由此利用公式 能够得到所述磁场环境的磁场总场。

[0038] 如图2所示，本发明还提供一种利用上述任一的绝对磁场测量设备来进行绝对磁场测量的方法。

[0039] 在步骤S1中，采集所述三轴超导量子干涉器磁强计所输出的相对测量值，及所述三轴磁通门计所输出的绝对测量值。

[0040] 具体地，所述数据采集处理装置多次从所连接的三轴超导量子干涉器磁强计所输出的感应信号处采集三个轴向的相对测量值，从所连接的三轴磁通门计所输出的感应信号处采集三个轴向的绝对测量值。

[0041] 在步骤S2中，利用各轴向的所述超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，以便所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小。

[0042] 在步骤S3中，根据所述三轴超导量子干涉器磁强计所测得的相对测量值和所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量来确定所述磁场环境的绝对值。

[0043] 具体地，所述数据采集处理装置利用最小二乘拟合算法和多次所采集的相对测量值来拟合与单个轴向所述三轴磁通门计所测量的绝对测量值的方差最小情况下的绝对测量拟合值，并根据所拟合的各绝对测量拟合值中的直流分量和各轴向的所测量的相对测量值来确定所述磁场环境的绝对值。

[0044] 优选地，所述步骤S2包括步骤S21，所述步骤S3包括步骤S31.（均未予图示）。

[0045] 在步骤S21中，所述数据采集处理装置利用公式和多次采集的所述三轴超导量子干涉器磁强计在各轴向的相对测量值来拟合所述磁场环境的绝对测量拟合值，使得所述磁场拟合值与所述三轴磁通门计所测得的绝对磁场值的均方误差最小，其中， 为X、Y、Z轴向中一个轴向的绝对测量拟合值，Msx、Msy、Msz分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器所测得的相对测量值，αi、βi、γi分别为X、Y、Z轴向中同一轴向的拟合系数，Ki为X、Y、Z轴向中一个轴向的直流分量，i表示X、Y、Z轴向。

[0046] 在步骤S31中，所述数据采集处理装置并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值，并利用公式 得到所述磁场环境的磁场总场；其中，M为所得到的绝对值，Kx、Ky、Kz分别为所拟合的三个轴向的直流分量。

[0047] 例如，所述数据采集处理装置将每组中多次所采集的所述三轴超导量子干涉器磁强计的相对测量值Msxj、Msyj、Mszj代入公式 来拟合所述三轴超导量子干涉器磁强计在X轴向的绝对测量值，并以每组中各 的均方差最小来确定所拟合的绝对测量值所对应的αx、βx、γx、Kx参数值，其中， 为每次所拟合的X轴向的绝对测量值，Msxj、Msyj、Mszj分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器每次所测得的相对测量值，j为每组中每次采集的编号，αx、βx、γx分别为X轴向的拟合系数，Kx为X轴向的直流分量，Mfxj为X轴的磁通门计同组中每次所测得的绝对测量值。

[0048] 同样道理，所述数据采集处理装置利用 来拟合所述三轴超导量子干涉器磁强计在Y轴向的绝对测量值，并以每组中各 的均方差最小来确定所拟合的绝对测量值所对应的αy、βy、γy、Ky参数值，其中， 为所拟合的Y轴向的绝对测量值，Msxj、Msyj、Mszj分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器每次所测得的相对测量值，αy、βy、γy分别为Y轴向的拟合系数，Ky为Y轴向的直流分量，Mfyj为Y轴的磁通门计同组中每次所测得的绝对测量值。

[0049] 所述数据采集处理装置还利用 来拟合所述三轴超导量子干涉器磁强计在Z轴向的绝对测量值，并以每组中各 的均方差最小来确定所拟合的绝对测量值所对应的αz、βz、γz、Kz参数值，其中， 为所拟合的Z轴向的绝对测量值，Msxj、Msyj、Mszj分别为三个轴向的超导量子干涉器磁传感器每次所测得的相对测量值，αz、βz、γz分别为Z轴向的拟合系数，Kz为Z轴向的直流分量，Mfzj为Z轴的磁通门计同组中每次所测得的绝对测量值。

[0050] 接着，所述数据采集处理装置并利用公式(Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(Msz+Kz)分别得到三个轴的磁场绝对值，由此利用公式 能得到所述磁场环境的磁场总场。

[0051] 综上所述，本发明的绝对磁场测量设备及所适用的绝对磁场测量方法，利用测量带宽高、灵敏度高的三轴超导量子干涉器磁强计来计算误差最小时的绝对测量值的变化量，能够在磁场瞬间变化时，高精度的测得磁场的绝对测量值；另外，由于超导量子干涉器磁强计和磁通门所处环境不同，为了准确的确定磁场环境的绝对磁通值，将两种磁传感器放置在同一环境中为优，故而，将密封了三轴超导量子干涉器磁强计的容器和三轴磁通门放置在一起，能够测得准确的绝对磁场；此外，SQUID的磁场噪声水平为3fT/Hz-1/2，远高于单用磁通门计来测量绝对磁场所输出的感应信号的信噪比。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0052] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。