基于变匝数线圈和原子磁力仪的磁化率测量装置及方法

本技术属于空间引力波探测中的材料磁特性测量，更具体地，涉及一种基于变匝数线圈和原子磁力仪的磁化率测量装置及方法。

背景技术：

1、磁场是无处不在的，材料总是处于一定大小的磁场之中，这些磁场包括我们生存环境中的地磁场、宇宙空间中的星际磁场等。在精密测量领域，磁场引起的各种仪器噪声是影响测量精度的重要因素，比如在空间引力波探测中，检验质量受星际磁场的作用产生的磁力噪声是检验质量加速度噪声的重要来源，而星际磁场是一种弱磁场，对检验质量在弱磁场下的磁化率进行测量对于评估检验质量的磁噪声具有重要意义。由于磁滞现象的存在，材料的磁化特性与外加磁场的强度以及磁化经历有关，因此弱磁场下的磁化率与强磁场下的磁化率通常是不同的。为了对弱磁场下检验质量的磁化率进行测量，使外加磁场更接近检验质量在轨工作状态的磁场，为空间引力波探测任务提供更加可靠的磁化率测量结果，需要感应磁场测量仪器具有很高的磁场分辨率。

2、原子磁力仪和超导量子干涉仪（squid）是目前测量精度最高的两类磁场传感器，灵敏度可达量级，能够满足在微弱磁场下对检验质量磁化率进行测量的需求。squid设备需要维持低温环境，体积庞大，不便于移动和安装，因此在常温条件下，原子磁力仪更适用于磁化率测量。现有技术中，利用原子磁力仪测量样品产生的感应磁场的方法为通过将样品放置在超导磁体或电磁铁等产生的强磁场中，使其被充分磁化，从而产生足够强的感应磁矩，并将样品以一定的频率进行高速振动，通过在样品附近放置拾波线圈使样品振动时在拾波线圈中产生的感应电流，再将拾波线圈串联另外一个远离电磁铁区域的磁场发生线圈，利用原子磁力仪测量该磁场发生线圈的磁场，从而获得感应电流的信息，进而得到样品的感应磁矩信息。该技术中，存在两个缺陷使其不能满足对检验质量的磁化率测量。首先，该装置施加给样品的磁场为数百豪特斯拉以上的高场，无法对近零低场磁化率进行测量。其次，该方法中需要将样品进行高速振动，而检验质量的质量达到千克数量级，快速的振动会使检验质量受到过大的冲击力，从而造成变形或损伤，因此，现有测量方法不满足低场磁化率测量需求。解决上述问题的方法为对样品产生的感应磁场进行直接测量，而不是将感应磁场转换为电流后再进行测量。因此，需要将磁化场发生线圈、样品、原子磁力仪三者安装在同一套装置中，从而实现对样品感应磁场的直接测量。

3、由于高精度原子磁力仪的动态范围通常很小，并且由于磁场梯度的存在会减小拉莫尔信号的幅度等原因，使测量噪声增大，因此，原子磁力仪必须工作在近零磁场和近零梯度场中。而线圈在给样品施加磁场的同时，也会给原子磁力仪施加一个磁场，这意味着必须要对原子磁力仪处的磁场和梯度进行补偿。现有技术提出的磁场补偿方案不满足原子磁力仪的使用要求，如专利号cn 115718273 b提出了一种基于磁感应强度测量物体磁化率的装置及其测量方法，该方案中不同线圈采用并联，从而能独立调节各线圈的电流来对残余磁场进行补偿，但由于各线圈的阻抗不是完全相同的，导致电流不再具有相干性，而电源噪声会通过电流转换成磁场噪声，从而使线圈磁场中的噪声成分无法再相消干涉，导致最终的磁场补偿精度受限于电源噪声，而目前精度最高的电源的输出噪声不满足对铜等弱磁物体的低场磁化信号进行测量的需求，因此，亟需发展一种不依赖于电源噪声的磁场补偿方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于一种基于变匝数线圈和原子磁力仪的磁化率测量装置及测量方法；利用精度高、体积小的原子磁力仪对检验质量等大尺寸物体的低场磁化率进行测量，从而提升对检验质量磁化率的测量精度，减小所需外加磁场强度，实现对大尺寸弱磁物体的磁滞回线的测量，解决目前常规的测量仪器无法对大尺寸物体低场磁化率进行测量的问题。

2、本技术提供的基于变匝数线圈和原子磁力仪的磁化率测量装置包括原子磁力仪、磁场发生模块和磁场补偿模块；磁场发生模块包括两对半径不同且同轴设置的线圈c1和线圈c2；线圈c1和线圈c2在梯度零点处产生的磁场等大且反向；原子磁力仪设置在梯度零点处，用于测量待测样品的低场磁化率；磁场补偿模块包括一对匝数可调整的线圈c3，用于通过改变线圈c3的匝数来实现磁场补偿。

3、在本技术中，线圈c1、线圈c2和线圈c3串联连接；线圈c3同轴设置于线圈c1的外侧；线圈c1、线圈c2和线圈c3的几何中心重合。

4、进一步优选地，线圈c1和线圈c2的匝数和半径满足如下关系：，其中， n1表示线圈c1的匝数， r1表示线圈c1的半径， n2表示线圈c2的匝数， r2表示线圈c2的半径。

5、在本技术中，线圈c3的匝数的改变是通过安装在线圈c3中心的轴承使线圈c3绕轴旋转来实现的。

6、其中，线圈c3旋转的角度与相应的磁场改变量满足如下关系：；其中表示单匝线圈产生的磁场。

7、进一步优选地，磁场补偿模块还包括导电簧片、导电环和收线线圈t7；导电簧片的一端用于连接电源，另一端通过弹力压在所述导电环上，使二者之间始终保持有电流通过；导电环镶嵌在线圈骨架上，绕在线圈c3上的导线的首端连接所述导电环，缠绕一定的匝数后，导线末端再缠绕在收线线圈t7上；收线线圈t7设置在线圈c3的正下方，且两者通过传动带连接在一起从而实现同步转动。

8、进一步优选地，磁化率测量装置还包括位移模块和传动模块；位移模块包括位移台t1和位移台t2，位移台t1通过调节所述原子磁力仪与线圈c1的相对位置，使原子磁力仪处于线圈c1的梯度零点处；位移台t2通过调节线圈c2与原子磁力仪的相对位置，使原子磁力仪处于线圈c2的梯度零点处；从而使磁场梯度被抑制在原子磁力仪的梯度容限以内；传动模块包括传送带、转轴和联轴器，传送带用于连接线圈c3和收线线圈t7，使线圈c3能够精确转动一定的角度并产生精确的补偿磁场；转轴用于连接线圈c3中的两个线圈，使两个线圈能够实现同步转动；联轴器用于控制两个线圈的转轴之间的连接和断开。

9、本技术还提供了一种基于上述的磁化率测量装置实现的磁化率测量方法，包括下述步骤：

10、s1通过调整线圈c1的梯度零点、线圈c2的梯度零点和原子磁力仪的位置重合从而实现梯度零点的对准；

11、s2通过磁场补偿来降低所述梯度零点处的背景磁场大小；

12、s3通过原子磁力仪对样品的感应磁场进行测量，并根据感应磁场与样品磁化率的关系获得待测样品的低场磁化率。

13、其中，步骤s1具体为：

14、s11在所述线圈c1中通入反向电流并产生中心对称的梯度磁场；

15、s12通过移动所述原子磁力仪来减小磁场幅值，并当三个方向的磁场幅值均达到最小值时，所述原子磁力仪已经处于所述线圈c1的几何中心处，从而完成了所述原子磁力仪与所述线圈c1的梯度零点的对准；

16、s13使得所述原子磁力仪保持不动且所述线圈c1断电，在线圈c2中通入反向电流后移动所述线圈c2来减小磁场幅值，并当三个方向的磁场幅值均达到最小时，所述原子磁力仪已经处于所述线圈c2的梯度零点处，从而实现所述线圈c1的梯度零点、所述线圈c2的梯度零点和所述原子磁力仪的位置重合。

17、其中，步骤s2具体为：

18、s21在所述线圈c1中通入同向的第一电流并在所述线圈c2中通入同向的第二电流从而产生方向相反的均匀磁场；所述第一电流与所述第二电流的大小相同且方向相反；

19、在未串接线圈c3时，给所述线圈c1和所述线圈c2通入毫安量级的第三电流，并通过所述原子磁力仪对所述第三电流下的残余磁场值进行测量后获得所述第三电流产生的残余磁场值；

20、s22当串接线圈c3并断开线圈c1和线圈c2时，给线圈c3通入所述第三电流，并调节线圈c3的匝数使得线圈c3产生的磁场值与所述残余磁场值接近；

21、s23当无法通过调节线圈c3的匝数使进一步减小时，利用联轴器连接差速齿轮与线圈转轴，并将线圈c1、线圈c2和线圈c3串联后通入第四电流，从而降低残余磁场；

22、s24通过不断加大所述第四电流的值并不断调节线圈c3的匝数来不断的减小残余磁场直至所述第四电流达到进行磁化率测量所需的电流；

23、s25当电流达到时，利用信号发生器产生电流 i，并采集一段时间通入电流 i后的时域磁场数据，对所述时域磁场数据进行频域转换后，通过判断频率 f处是否出现了明显的信号峰值来确定原子磁力仪是否处于正常工作状态，若是则转入步骤s3；

24、其中，，和 f分别为正弦信号的幅值和频率。

25、通过本技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于本技术采用变匝数补偿线圈c3和原子磁力仪进行磁化率测量，在原子磁力仪所在测量点处的线圈残余磁场的磁场梯度处于原子磁力仪的梯度容限内时，对测量点的线圈残余磁场进行补偿，使得测量点处的线圈残余磁场处于原子磁力仪的测量量程内；同时通过补偿线圈的匝数的改变，精确调节补偿磁场，使磁化率测量精度得到提高，能够对大尺寸待测样品如检验质量的低场磁化率进行测量。