CN105022003A - 磁场梯度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁场梯度测量装置，它包括设在壳体内的在同一平面上并且相互垂直的两个滑槽：第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑槽内设有第一滑块和第二滑块，所述第一滑块和第二滑块上各设有一个测磁传感器，所述第二滑槽内设有第三滑块和第四滑块，所述第三滑块和第四滑块上各设有一个测磁传感器。采用上述结构后，由于始终是通过四个点的检测来得到中心点的磁场梯度，因此精度较高，而且由于该磁场梯度测量装置可以做成一个平板的盒子状，因此移动测量直接滑动即可，结构简单，在移动测量时也不需要另外调整参数。移动测量非常方便。

Description

磁场梯度测量装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，具体讲是一种用于测量磁场梯度的磁场梯度测量装置。

背景技术

磁场梯度是指磁场强度随空间的变化率，是一个矢量，一般的测量方法是测出空间两点磁场强度和两点的距离，然后将两点的磁场强度相减再除以两点之间的距离，就得到了两点所在直线的磁场梯度。为了使磁场梯度的值更加详细完善，现有技术中一般需要测量磁场强度在三维坐标系中的三个基准方向的三个分量(Hx，Hy，Hz)分别在坐标系的三个方向(x,y,z)的变化率，就构成一个磁梯度矩阵，共包括9个要素，记为G，表示如下：

$G=\left[\begin{array}{ccc}\∂H_x/\∂x& {\∂H}_x/\∂y& {\∂H}_x/\∂z\\ {\∂H}_y/\∂x& {\∂H}_y/\∂y& {\∂H}_y/\∂z\\ \∂H_z/\∂x& {\∂H}_z/\∂y& \∂H_z/\∂z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{g}_{\mathrm{xx}}& g_{\mathrm{xy}}& g_{\mathrm{xz}}\\ g_{\mathrm{yx}}& g_{\mathrm{yy}}& g_{\mathrm{yz}}\\ g_{\mathrm{zx}}& g_{\mathrm{zy}}& g_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]$

现有技术中的检测方法一般是利用一个可以检测三个基准方向磁场强度的磁传感器，先在一个点测该点的磁场强度，然后移动该磁传感器，连续检测后续多个点的磁场强度，从而可以绘制出磁场强度随着位置变化而变化的曲线，从而可以得到在不同位置的磁场梯度。但是这种检测方法必须要有移动，才能够检测磁场梯度，不能放置不动来检测空间某个点的磁场梯度，并且在移动过程中检测的磁场梯度，精确度不高。

现有技术中还有一种检测方法，中国专利公开号为CN103487770A的专利申请公开了一种用于测量空间磁场梯度全张量信息的无源探测装置，它公开了一种带有7个结构相同的探测单元的主体探测部分，虽然它可以在不移动的情况下检测空间某点的磁场梯度，但是它的结构比较复杂，形成产品比较困难，移动也比较困难，而且在测量的时候还需要调整探测部分的角度和方向，还需要调整间距，测量方法比较麻烦，没有考虑到移动测量的情况，如果移动的话就无法保证探测部分的角度和方向，也就无法侧得到磁场梯度，因此也无法在移动中检测空间各点的磁场梯度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种即能够在不移动的情况下检测空间某点的磁场梯度，又能够在移动的情况下检测空间各点的磁场梯度，而且精确度高，结构简单，方便移动的磁场梯度测量装置。

为解决上述技术问题，本发明提出一种磁场梯度测量装置，它包括设在壳体内的在同一平面上并且相互垂直的两个滑槽：第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑槽内设有第一滑块和第二滑块，所述第一滑块和第二滑块上各设有一个测磁传感器，所述第二滑槽内设有第三滑块和第四滑块，所述第三滑块和第四滑块上各设有一个测磁传感器。

采用上述结构后，本发明具有以下优点，在不移动的情况下，采用本发明结构的磁场梯度测量装置可以利用包含的四个测磁传感器来测得四个点的磁场强度，而且这四个点分别在相互垂直的两个方向上，每个方向上有两个点，在此暂且将第一滑槽的滑动方向设为东西方向，设第二滑槽的滑动方向为南北方向，那么还可以得到东西方向上两个点之间的距离，以及这两个点的磁场强度之差，还可以得到南北方向的两个点之间的距离以及这两个点的磁场强度之差，那么就可以通过计算得到第一滑槽和第二滑槽的相交的中心点的磁场梯度，因此不需要移动就可以检测空间某点的磁场梯度，并且在移动的过程中，所检测到的磁场梯度也会随着磁场梯度测量装置的位置变化而出现变化，那么就可以得到磁场梯度随着测量传感器的位置变化而变化的曲线。由于始终是通过四个点的检测来得到中心点的磁场梯度，因此精度较高，而且由于该磁场梯度测量装置可以做成一个平板的盒子状，因此移动测量直接滑动即可，结构简单，在移动测量时也不需要另外调整参数。移动测量非常方便。

所述测磁传感器为三分量测磁传感器，所述第一滑块和第二滑块在第一滑槽内周向限位，所述第三滑块和第四滑块在第二滑槽内周向限位。即第一滑块和第二滑块在第一滑槽内只可以平移移动而不可以转动，所述第三滑块和第四滑块在第二滑槽内只可以平移移动而不可以转动。采用这种结构是为了保证三分量测磁传感器检测的准确性。

作为进一步优选，所述第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块的横截面均为矩形。采用这种结构，制造更加简单方便。

所述第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块上均设有用于调节滑块在滑槽中的位置的调整机构。采用这种结构，可以调整第一滑块上的测磁传感器和第二滑块上的测磁传感器之间的基线距离，以及调整第三滑块上的测磁传感器和第四滑块上的测磁传感器之间的基线距离，这样在离磁场较近处，减小基线距离能够提高梯度信息的准确度，而在离磁场较远处，由于磁信号的衰减和测磁传感器的精度限制，基线距离的减小反而会降低磁场梯度信息的准确度，因此，可以将基线距离调大来增加磁场梯度信息的准确度，因此设置该结构能够通过改变基线距离使该磁场梯度测量装置能够适应不同的探测范围。

所述调整机构为设在外壳上的螺杆，螺杆的一端穿过外壳，所述滑块上设有内螺纹孔，所述螺杆的另一端通过内螺纹孔连接在滑块上，通过在外壳上转动螺杆来调整滑块在滑槽中的位置。采用这种调整机构最为简单，而且在外壳的外侧就可以调节，不用打开外壳。

所述第一滑槽和第二滑槽的长度相同，第一滑槽和第二滑槽相交的位置位于第一滑槽和第二滑槽的中心，所述第一滑块和第二滑块分别设置在第一滑槽的中心的两边，所述第三滑块和第四滑块分别设置在第二滑槽的中心的两边，且在开始测量时，第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块与第一滑槽和第二滑槽相交的位置的距离相同。采用这种结构，是为了在测量时对称设置第一滑块、第二滑块的位置，对称设置第三滑块、第四滑块的位置，并且使第一滑块和第二滑块上的测磁传感器之间的基线距离和第三滑块和第四滑块上的测磁传感器之间的基线距离相同，目的是方便编程计算。

作为优选，所述壳体的底面为平面。底面为平面方便在平面上移动。

作为另一优选，所述壳体的底面的截面为内凹的圆弧形。底面的截面为内凹的圆弧形，可以方便传感器在圆管上移动，可以更加贴着圆管，在圆管上滑动更加方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的壳体的实施例之一的结构示意图；

图3为本发明的壳体的实施例之二的结构示意图；

图4为本发明采用的平面十字型测量整列。

如图所示：1、第一滑槽，2、第二滑槽，3、第一滑块，4、第二滑块，5、第三滑块，6、第四滑块，7、测磁传感器，7.1、第一测磁传感器，7.2、第二测磁传感器，7.3、第三测磁传感器，7.4、第四测磁传感器，8、螺杆，9，壳体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1所示，本发明提出一种磁场梯度测量装置，它包括设在壳体9内的在同一平面上并且相互垂直的两个滑槽：第一滑槽1和第二滑槽2，所述第一滑槽1内设有第一滑块3和第二滑块4，所述第一滑块3和第二滑块4上各设有一个测磁传感器7，所述第二滑槽2内设有第三滑块5和第四滑块6，所述第三滑块5和第四滑块6上各设有一个测磁传感器。

所述测磁传感器7为三分量测磁传感器，所述第一滑块3和第二滑块4在第一滑槽1内周向限位，所述第三滑块5和第四滑块6在第二滑槽2内周向限位，即第一滑块和第二滑块在第一滑槽内只可以平移移动而不可以转动，所述第三滑块和第四滑块在第二滑槽内只可以平移移动而不可以转动。本实施例中第一滑块3、第二滑块4、第三滑块5以及第四滑块6的横截面均为矩形结构，优选为正方形，采用这种结构制造比较简单方便，而且周向限位效果更好，保证了三分量测磁传感器检测的准确性。当然滑块也可以设计成其它形状，如梯形、燕尾形等，但这些形状也均应在本申请保护范围之内。

本实施例中第一滑块3上设第一测磁传感器7.1，第二滑块4上设第二测磁传感器7.2、第三滑块5上设第三测磁传感器7.3、第四滑块6上设第四测磁传感器7.4。

磁场强度的三个分量(Hx，Hy，Hz)在空间三个方向(x,y,z)的变化率构成了一个磁梯度矩阵，共包括9个要素，记为G，表示如下：

$G=\left[\begin{array}{ccc}\∂H_x/\∂x& {\∂H}_x/\∂y& {\∂H}_x/\∂z\\ {\∂H}_y/\∂x& {\∂H}_y/\∂y& {\∂H}_y/\∂z\\ \∂H_z/\∂x& {\∂H}_z/\∂y& \∂H_z/\∂z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{g}_{\mathrm{xx}}& g_{\mathrm{xy}}& g_{\mathrm{xz}}\\ g_{\mathrm{yx}}& g_{\mathrm{yy}}& g_{\mathrm{yz}}\\ g_{\mathrm{zx}}& g_{\mathrm{zy}}& g_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]$

由于在无源空间中，磁场强度的散度和旋度为0，即

$\▿\·B=\frac{\∂H_x}{\∂x}+\frac{{\∂H}_y}{\∂y}+\frac{{\∂H}_Z}{\∂z}=0$

$\▿\×B=0$

或：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\∂H}_x}{\∂z}-\frac{\∂H_z}{\∂x}=0\\ \frac{{\∂H}_x}{\∂y}-\frac{{\∂H}_y}{\∂x}=0\\ \frac{{\∂H}_y}{\∂z}-\frac{{\∂H}_z}{\∂y}=0\end{array}\right.$

因此磁梯度矩阵中9个要素中，只有5个是独立的，即只需得到其中的5个独立要素，就可测得磁梯度矩阵中各个元素的值。

本发明中检测磁场梯度时采用采用的平面十字型测量阵列如图4所示：其中B0、B1、B2、B3分别代表了本发明中磁场强度测量传感器中的四个测磁传感器，得到的磁梯度矩阵为：

$\begin{array}{c}G=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂B_x}{\∂x}& \frac{\∂B_x}{\∂y}& \frac{{\∂B}_x}{\∂z}\\ \frac{\∂B_y}{\∂x}& \frac{\∂B_y}{\∂y}& \frac{\∂B_y}{\∂z}\\ \frac{{\∂B}_z}{\∂x}& \frac{\∂B_z}{\∂y}& \frac{{\∂B}_z}{\∂z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{\mathrm{xx}}& B_{\mathrm{xy}}& B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yx}}& B_{\mathrm{yy}}& B_{\mathrm{yz}}\\ B_{\mathrm{zx}}& B_{\mathrm{zy}}& B_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{ccc}\frac{B_{1x}-B_{3x}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1y}-B_{3y}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{2x}-B_{0x}}{\mathrm{\Δz}}\\ \frac{B_{1y}-B_{3y}}{\mathrm{\Δx}}& -(\frac{B_{1x}-B_{3x}}{\mathrm{\Δx}}+\frac{B_{2z}-B_{0z}}{\mathrm{\Δz}})& \frac{B_{2y}-\underset{}{B_{0y}}}{\mathrm{\Δz}}\\ \frac{B_{1z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{2y}-B_{0y}}{\mathrm{\Δz}}& \frac{B_{2z}-B_{0z}}{\mathrm{\Δz}}\end{array}\right]\end{array}$

上述公式中△x，△z分别为B₁与B₃之间的距离，B₀与B₂之间的距离，B1x为B1传感器测得的x方向的磁场强度分量，B3x为B3传感器测得的x方向的磁场强度分量，B1y为B1传感器测得的y方向的磁场强度分量，B3y为B3传感器测得的y方向的磁场强度分量，依次类推。由上述公式就可以计算得到本发明所述磁场梯度测量装置中的中心点的磁场梯度矩阵G，该矩阵相对单测磁传感器来讲精度要高许多。

所述第一滑块3、第二滑块4、第三滑块5和第四滑块6上均设有用于调节滑块在滑槽中的位置的调整机构。采用这种结构，可以调整第一滑块上的测磁传感器和第二滑块上的测磁传感器之间的基线距离，以及调整第三滑块上的测磁传感器和第四滑块上的测磁传感器之间的基线距离，这样在离磁场较近处，减小基线距离能够提高梯度信息的准确度，而在离磁场较远处，由于磁信号的衰减和测磁传感器的精度限制，基线距离的减小反而会降低磁场梯度信息的准确度，因此，可以将基线距离调大来增加磁场梯度信息的准确度，因此设置该结构能够通过改变基线距离使该磁场梯度测量装置能够适应不同的探测范围。

所述调整机构为设在外壳9上的螺杆8，螺杆8的一端穿过外壳9，所述滑块上设有内螺纹孔，所述螺杆8的另一端通过内螺纹孔连接在滑块上，通过在外壳9上转动螺杆来调整滑块在滑槽中的位置。采用这种调整机构最为简单，而且在外壳的外侧就可以调节，不用打开外壳。当然调整机构也可以采用其它位移机构，如推杆、齿条等结构，但是只要是起到调整滑块在滑槽中位置的调整机构，则均应在本申请保护范围之内。

所述第一滑槽1和第二滑槽2的长度相同，第一滑槽1和第二滑槽2相交的位置位于第一滑槽1和第二滑槽2的中心，所述第一滑块3和第二滑块4分别设置在第一滑槽1的中心的两边，所述第三滑块5和第四滑块6分别设置在第二滑槽的2中心的两边，且在开始测量时，第一滑块3、第二滑块4、第三滑块5和第四滑块6与第一滑槽1和第二滑槽2相交的位置的距离相同。采用这种结构，是为了在测量时对称设置第一滑块、第二滑块的位置，对称设置第三滑块、第四滑块的位置，并且使第一滑块和第二滑块上的测磁传感器之间的基线距离和第三滑块和第四滑块上的测磁传感器之间的基线距离相同，目的是方便编程计算。

图2为壳体的实施例之一，所述壳体9的底面为平面。底面为平面方便在平面上移动。

图3为壳体的实施例之二，所述壳体9的底面的截面为内凹的圆弧形。底面的截面为内凹的圆弧形，可以方便传感器在圆管上移动，可以更加贴着圆管，在圆管上滑动更加方便。

当然在实际应用中为了移动方便壳体也可以设为其它形状，但是只要是才用四个测磁传感器，且是采用十字型布置在两个滑槽内的结构，则均应在本申请保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁场梯度测量装置，它包括设在壳体内的在同一平面上并且相互垂直的两个滑槽：第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑槽内设有第一滑块和第二滑块，所述第一滑块和第二滑块上各设有一个测磁传感器，所述第二滑槽内设有第三滑块和第四滑块，所述第三滑块和第四滑块上各设有一个测磁传感器。

2.根据权利要求所述的磁场梯度测量装置，其特征在于：所述测磁传感器为三分量测磁传感器，所述第一滑块和第二滑块在第一滑槽内周向限位，所述第三滑块和第四滑块在第二滑槽内周向限位。

3.根据权利要求1所述的所述磁场梯度测量装置，其特征在于：第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块上均设有用于调节滑块在滑槽中的位置的调整机构。

4.根据权利要求3所述的所述磁场梯度测量装置，其特征在于：所述调整机构为设在外壳上的螺杆，螺杆的一端穿过外壳，所述滑块上设有内螺纹孔，所述螺杆的另一端通过内螺纹孔连接在滑块上，通过在外壳上转动螺杆来调整滑块在滑槽中的位置。

5.根据权利要求1所述的所述磁场梯度测量装置，其特征在于：所述第一滑槽和第二滑槽的长度相同，第一滑槽和第二滑槽相交的位置位于第一滑槽和第二滑槽的中心，所述第一滑块和第二滑块分别设置在第一滑槽的中心的两边，所述第三滑块和第四滑块分别设置在第二滑槽的中心的两边，且在开始测量时，第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块与第一滑槽和第二滑槽相交的位置的距离相同。

6.根据权利要求1所述的所述磁场梯度测量装置，其特征在于：所述壳体的底面为平面。

7.根据权利要求1所述的所述磁场梯度测量装置，其特征在于：所述壳体的底面的截面为内凹的圆弧形。

8.根据权利要求2所述的所述磁场梯度测量装置，其特征在于：所述第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块的横截面均为矩形。