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全向氦光泵磁力儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種全向氦光泵磁力儀，由磁傳感器和磁力儀主機(jī)組成，磁傳感器由高頻高壓激勵系統(tǒng)、正交氦燈室泵浦系統(tǒng)、氦吸收室磁場系統(tǒng)組成。它與跟蹤式磁力儀主機(jī)集成在一起，克服了氦光泵磁傳感器死區(qū)問題，無須采用正交多磁傳感器及帶復(fù)雜伺服系統(tǒng)克服死區(qū)。全向氦光泵磁力儀對于全球高低緯度不同磁傾角下地磁場調(diào)查和磁異常探測可提供高效快速的途徑。
【專利說明】全向氦光栗磁力儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于磁探【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種氦光泵磁力儀。
【背景技術(shù)】
[0002]氦光泵磁力儀是探測地球磁場微弱變化的設(shè)備。在氦光泵磁力儀中，磁傳感器受光泵作用，氦吸收室內(nèi)氦原子發(fā)生核磁共振的現(xiàn)象，通過施加射頻場產(chǎn)生外磁場打亂原子定向排列，進(jìn)而通過計數(shù)射頻場頻率來反應(yīng)外磁場。然而根據(jù)F.D.Colegrove和P.A.Fraken曾對磁傳感器中地磁方向與磁場光路的夾角Θ對磁共振信號S Θ的關(guān)系式進(jìn)行研究得出:S Θ =Kz (3cos2 θ -1)2。式中，Kz是與氦的亞穩(wěn)態(tài)能級對自然光的吸收幾率有關(guān)的系數(shù)。
[0003]從中，可知氦光泵磁傳感器存在死區(qū)。死區(qū)是指特定磁力儀傳感器磁光路夾角Θ方向，磁傳感器產(chǎn)生的磁共振信號S θ為零。此時磁力儀將無法正常進(jìn)行磁場測量。死區(qū)是光泵磁力儀特有的問題，光泵磁力儀的死區(qū)無法消除。
[0004]目前國內(nèi)外普遍采用通過自定向伺服系統(tǒng)和采用正交多磁傳感器的方式以克服磁力儀死區(qū)問題。然而以上兩種方式中自定向伺服系統(tǒng)復(fù)雜龐大，正交多磁傳感器也存在著應(yīng)用背景梯度較大引起轉(zhuǎn)向誤差較大的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種全向高精度測量的跟蹤式氦光泵磁力儀。
[0006]本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]一種全向氦光泵磁力儀，包括全向氦光泵探頭和磁力儀主機(jī)，其中全向氦光泵探頭主要包括全向磁傳感器、高頻高壓激勵系統(tǒng)、射頻場施加系統(tǒng)及探頭附屬電路，高頻高壓激勵系統(tǒng)、射頻場施加系統(tǒng)及探頭附屬電路與全向磁傳感器保持一定距離固定安裝，磁力儀主機(jī)內(nèi)置有氦光泵磁力儀電路、主板、顯控、電源模塊、電源開關(guān)和電源輸入接口，全向氦光泵探頭通過電纜與磁力儀主機(jī)連接；高頻高壓激勵系統(tǒng)通過高頻高壓線為全向氦光泵探頭提供光泵作用所必需的高頻高壓激勵，在開機(jī)瞬間同時高壓激勵三個氦光泵源即氦燈、氦燈、氦燈以及氦吸收室，氦光泵源發(fā)射1083nm波段光波經(jīng)透鏡成平行光，通過圓偏振片變成圓偏振光，在光泵作用下，氦吸收室內(nèi)氦原子發(fā)生定向排列，來自磁力儀主機(jī)中磁力儀電路的調(diào)制射頻場信號，經(jīng)由全向氦光泵探頭中的射頻施加系統(tǒng)發(fā)送，通過霍姆赫茲線圈對氦吸收室內(nèi)原子產(chǎn)生射頻場對氦原子去取向作用，當(dāng)氦吸收室內(nèi)發(fā)生取向平衡時，三方向誤差信號疊加，并通過光敏器件以調(diào)制頻率輸出誤差電信號，全向氦光泵探頭的誤差信號通過探頭附屬電路進(jìn)行初級前置放大，通過電纜將信號輸入磁力儀主機(jī)內(nèi)的磁力儀電路中進(jìn)行多級放大相敏檢波，同時提供射頻振蕩通過射頻施加系統(tǒng)和霍姆赫茲線圈對全向磁傳感器施加去取向射頻場，形成自動跟蹤環(huán)路，進(jìn)而實現(xiàn)磁場跟蹤。
[0008]作為優(yōu)選，所述的氦吸收室在三方向光泵作用下，全向氦光泵探頭完成三維正交信號接收，互為彌補各自不佳工作狀態(tài)的不足。
[0009]作為優(yōu)選，所述的磁力儀主機(jī)中電源模塊的輸入端通過電源開關(guān)與電源輸入接口相連接，電源輸入接口可以適用鉛酸蓄電池組、鋰聚合物電池組、機(jī)載發(fā)電機(jī)多種直流電源輸入，也可根據(jù)實際需要連接220伏交流電源。
[0010]本發(fā)明具有的有益效果:
[0011]1、全向氦光泵磁力儀無需采用正交多磁傳感器和繁雜的復(fù)雜定向伺服系統(tǒng)方案，單磁傳感器即可實現(xiàn)全向磁場采集功能，不但大大簡化磁傳感器的結(jié)構(gòu)，減輕重量，而且在全球任何磁傾角地區(qū)，皆能快速開展工作。這一特點將有利于提高氦光泵磁力儀的應(yīng)用能力，可以快速方便實現(xiàn)地磁的觀測和磁異常的探測，對于地質(zhì)礦產(chǎn)勘查和磁異常目標(biāo)探測可快速實施。
[0012]2、全向氦光泵磁力儀可安裝于任意航空、海洋及地面觀測無磁性支架上，使用者可方便地操作設(shè)備、探測地磁場緩慢變化和磁異常，并記錄于設(shè)備內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是氦光泵磁力儀磁傳感器與地磁關(guān)系示意圖；
[0014]圖2是全向磁力儀總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖3是全向磁力儀系統(tǒng)組成示意圖；
[0016]圖4是全向氦光泵探頭正視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖5是全向氦光泵探頭左視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖6是全向氦光泵探頭右視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]附圖標(biāo)記說明:全向氦光泵探頭(I)、磁力儀主機(jī)(2)、全向磁傳感器(3)、高頻高壓激勵系統(tǒng)(4)、射頻場施加系統(tǒng)(5)、探頭附屬電路(6)、磁力儀電路(7)、主板(8)、顯控(9)、電源模塊(10)、電源開關(guān)(11)、電源輸入接口(12)、氦燈(13)、氦燈(14)、氦燈(15)、透鏡(16)、透鏡(17)、透鏡(18)、圓偏振片(19)、圓偏振片(20)、圓偏振片(21)、氦吸收室
(22)、透鏡(23)、透鏡(24)、透鏡(25)、光敏器件(26)、光敏器件(27)、光敏器件(28)、霍姆赫茲線圈(29)、高頻高壓線(30 )。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0021]全向氦光泵磁力儀由全向氦光泵探頭1、磁力儀主機(jī)2兩部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示:其中全向氦光泵探頭I主要包括全向磁傳感器3、高頻高壓激勵系統(tǒng)4、射頻場施加系統(tǒng)5及探頭附屬電路6 ;磁力儀主機(jī)2內(nèi)置有氦光泵磁力儀電路7、主板8、顯控9、電源模塊10、電源開關(guān)11和電源輸入接口 12。
[0022]參見圖3，由于全向磁傳感器3的無磁性材料安裝及遠(yuǎn)離磁性工作器件的要求，高頻高壓激勵系統(tǒng)4、射頻場施加系統(tǒng)5及探頭附屬電路6與全向磁傳感器3保持一定距離固定安裝，以盡量減小對全向磁傳感器3的干擾。全向氦光泵探頭I通過電纜與磁力儀主機(jī)2連接組成全向氦光泵磁力儀。
[0023]圖4、圖5和圖6分別為全向氦光泵探頭I的正視、左視及右側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖:
[0024]高頻高壓激勵系統(tǒng)4通過高頻高壓線30為全向氦光泵探頭I提供光泵作用所必需的高頻高壓激勵，同時射頻施加系統(tǒng)5通過霍姆赫茲線圈29去取向射頻場。全向磁傳感器3是由三個氦光泵源(氦燈13、氦燈14、氦燈15)與氦吸收室22相互正交組成。全向氦光泵探頭I中的高頻高壓激勵系統(tǒng)4為維持正交氦光泵源(氦燈13、氦燈14、氦燈15)與氦吸收室22的正常點燃提供功率輸出，同時在開機(jī)瞬間高壓激勵氦燈13、氦燈14、氦燈15和氦吸收室22。氦光泵源氦燈13發(fā)射1083nm波段光波經(jīng)透鏡16成平行光，通過圓偏振片19變成圓偏振光，泵浦氦吸收室22。在光泵作用下，氦吸收室22內(nèi)氦原子發(fā)生定向排列。來自磁力儀主機(jī)2中磁力儀電路7的調(diào)制射頻場信號，經(jīng)由全向氦光泵探頭I中的射頻施加系統(tǒng)5發(fā)送，通過霍姆赫茲線圈29對氦吸收室22內(nèi)原子產(chǎn)生射頻場對氦原子去取向作用。氦吸收室22的透射光通過透鏡23聚焦在光敏器件26上。
[0025]氦光泵源氦燈14和氦燈15的工作方式與氦燈13的工作方式相同，同樣通過全向氦光泵探頭I中的高頻高壓激勵系統(tǒng)4點燃氦燈14和氦燈15，且同時輸出高頻激勵維持氦燈14和氦燈15點燃。氦燈14和氦燈15發(fā)射1083nm光波分別經(jīng)透鏡17和透鏡18變成平行光，再分別通過圓偏振片20、圓偏振片21變成圓偏振光，實現(xiàn)對氦吸收室22兩方向光泵作用。當(dāng)全向氦光泵探頭I中的射頻施加系統(tǒng)5通過霍姆赫茲線圈29對氦吸收室22內(nèi)氦原子去取向。氦吸收室22的透射光通過透鏡24、透鏡25聚焦在光敏器件26上。
[0026]當(dāng)霍姆赫茲線圈29施加的射頻場令氦吸收室22內(nèi)發(fā)生取向平衡時，以上三方向誤差信號疊加，并通過光敏器件26以調(diào)制頻率輸出誤差電信號。全向氦光泵探頭I的誤差信號通過探頭附屬電路6進(jìn)行初級前置放大，通過電纜將信號輸入磁力儀主機(jī)2內(nèi)的磁力儀電路7中進(jìn)行多級放大相敏檢波，同時提供射頻振蕩通過射頻施加系統(tǒng)5和霍姆赫茲線圈29對全向磁傳感器3施加去取向射頻場，形成自動跟蹤環(huán)路，進(jìn)而實現(xiàn)磁場跟蹤。
[0027]磁力儀主機(jī)2中主板8對磁力儀電路7輸出的射頻場頻率實現(xiàn)計數(shù)、存儲等。磁力儀主機(jī)2配有顯控9。通過顯控9的顯示屏幕實時顯示各被測磁場信息和曲線圖形，及傳輸操作員的指令至主板8實現(xiàn)磁力儀的采樣率選擇和數(shù)據(jù)存儲的控制。
[0028]磁力儀主機(jī)2中電源模塊10的輸入端通過電源開關(guān)11與電源輸入接口 12相連接。電源輸入接口 12可以適用鉛酸蓄電池組、鋰聚合物電池組、機(jī)載發(fā)電機(jī)等多種直流電源輸入，也可根據(jù)實際需要連接220伏交流電源。電源模塊10分別與主板8、磁力儀電路7相連。
[0029]氦吸收室22在三方向光泵作用下，全向氦光泵探頭I完成三維正交信號接收，互為彌補各自不佳工作狀態(tài)的不足。磁力儀完全能滿足全向磁探測功能。本發(fā)明光泵磁力儀能實現(xiàn)地面、海洋與航空等不同區(qū)域磁探測任務(wù)要求。
[0030]本發(fā)明不局限于上述實施方式，不論其實施方式作任何變化，凡是采用本發(fā)明所提供的實施結(jié)構(gòu)設(shè)計，都是本發(fā)明的一種變形，均應(yīng)認(rèn)為在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種全向氦光泵磁力儀，其特征在于:該磁力儀包括全向氦光泵探頭(I)和磁力儀主機(jī)(2)，其中全向氦光泵探頭(I)主要包括全向磁傳感器(3)、高頻高壓激勵系統(tǒng)(4)、射頻場施加系統(tǒng)(5)及探頭附屬電路(6)，高頻高壓激勵系統(tǒng)(4)、射頻場施加系統(tǒng)(5)及探頭附屬電路(6)與全向磁傳感器(3)保持一定距離固定安裝，磁力儀主機(jī)(2)內(nèi)置有氦光泵磁力儀電路(7)、主板(8)、顯控(9)、電源模塊(10)、電源開關(guān)(11)和電源輸入接口(12)，全向氦光泵探頭(I)通過電纜與磁力儀主機(jī)(2)連接；高頻高壓激勵系統(tǒng)(4)通過高頻高壓線(30)為全向氦光泵探頭(I)提供光泵作用所必需的高頻高壓激勵，在開機(jī)瞬間同時高壓激勵三個氦光泵源即氦燈(13)、氦燈(14)、氦燈(15)以及氦吸收室(22)，氦光泵源發(fā)射1083nm波段光波經(jīng)透鏡成平行光，通過圓偏振片變成圓偏振光，在光泵作用下，氦吸收室(22)內(nèi)氦原子發(fā)生定向排列，來自磁力儀主機(jī)(2)中磁力儀電路(7)的調(diào)制射頻場信號，經(jīng)由全向氦光泵探頭(I)中的射頻施加系統(tǒng)(5)發(fā)送，通過霍姆赫茲線圈(29)對氦吸收室(22)內(nèi)原子產(chǎn)生射頻場對氦原子去取向作用，當(dāng)氦吸收室(22)內(nèi)發(fā)生取向平衡時，三方向誤差信號疊加，并通過光敏器件(26)以調(diào)制頻率輸出誤差電信號，全向氦光泵探頭(I)的誤差信號通過探頭附屬電路(6)進(jìn)行初級前置放大，通過電纜將信號輸入磁力儀主機(jī)(2)內(nèi)的磁力儀電路(7)中進(jìn)行多級放大相敏檢波，同時提供射頻振蕩通過射頻施加系統(tǒng)(5)和霍姆赫茲線圈(29)對全向磁傳感器(3)施加去取向射頻場，形成自動跟蹤環(huán)路，進(jìn)而實現(xiàn)磁場跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全向氦光泵磁力儀，其特征在于:所述的氦吸收室(22)在三方向光泵作用下，全向氦光泵探頭(I)完成三維正交信號接收，互為彌補各自不佳工作狀態(tài)的不足。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全向氦光泵磁力儀，其特征在于:所述的磁力儀主機(jī)(2)中電源模塊(10)的輸入端通過電源開關(guān)(11)與電源輸入接口(12)相連接，電源輸入接口(12)可以適用鉛酸蓄電池組、鋰聚合物電池組、機(jī)載發(fā)電機(jī)多種直流電源輸入，也可根據(jù)實際需要連接220伏交流電源。
【文檔編號】G01V3/40GK103823245SQ201310738192
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】黃成功, 鄧瑞輝, 鄒鵬毅, 顧建松, 余愷, 何小弟, 鄭軍 申請人:杭州瑞聲海洋儀器有限公司