全向氦光泵磁力儀的制作方法
【專利摘要】本發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組成，磁傳感器由高頻高壓激勵系統、正交氦燈室泵浦系統、氦吸收室磁場系統組成。它與跟蹤式磁力儀主機集成在一起，克服了氦光泵磁傳感器死區問題，無須采用正交多磁傳感器及帶復雜伺服系統克服死區。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
【技術領域】
[0001]本發明屬于磁探【技術領域】，具體涉及一種氦光泵磁力儀。
【背景技術】
[0002]氦光泵磁力儀是探測地球磁場微弱變化的設備。在氦光泵磁力儀中，磁傳感器受光泵作用，氦吸收室內氦原子發生核磁共振的現象，通過施加射頻場產生外磁場打亂原子定向排列，進而通過計數射頻場頻率來反應外磁場。然而根據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的關系式進行研究得出:S Θ =Kz (3cos2 θ -1)2。式中，Kz是與氦的亞穩態能級對自然光的吸收幾率有關的系數。
[0003]從中，可知氦光泵磁傳感器存在死區。死區是指特定磁力儀傳感器磁光路夾角Θ方向，磁傳感器產生的磁共振信號S θ為零。此時磁力儀將無法正常進行磁場測量。死區是光泵磁力儀特有的問題，光泵磁力儀的死區無法消除。
[0004]目前國內外普遍采用通過自定向伺服系統和采用正交多磁傳感器的方式以克服磁力儀死區問題。然而以上兩種方式中自定向伺服系統復雜龐大，正交多磁傳感器也存在著應用背景梯度較大引起轉向誤差較大的不足。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種全向高精度測量的跟蹤式氦光泵磁力儀。
[0006]本發明是采取如下技術方案實現的:
[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，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、射頻場施加系統及探頭附屬電路，高頻高壓激勵系統、射頻場施加系統及探頭附屬電路與全向磁傳感器保持一定距離固定安裝，磁力儀主機內置有氦光泵磁力儀電路、主板、顯控、電源模塊、電源開關和電源輸入接口，全向氦光泵探頭通過電纜與磁力儀主機連接；高頻高壓激勵系統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，氦光泵源發射1083nm波段光波經透鏡成平行光，通過圓偏振片變成圓偏振光，在光泵作用下，氦吸收室內氦原子發生定向排列，來自磁力儀主機中磁力儀電路的調制射頻場信號，經由全向氦光泵探頭中的射頻施加系統發送，通過霍姆赫茲線圈對氦吸收室內原子產生射頻場對氦原子去取向作用，當氦吸收室內發生取向平衡時，三方向誤差信號疊加，并通過光敏器件以調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行初級前置放大，通過電纜將信號輸入磁力儀主機內的磁力儀電路中進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，形成自動跟蹤環路，進而實現磁場跟蹤。
[0008]作為優選，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的不足。
[0009]作為優選，所述的磁力儀主機中電源模塊的輸入端通過電源開關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、機載發電機多種直流電源輸入，也可根據實際需要連接220伏交流電源。
[0010]本發明具有的有益效果:
[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雜定向伺服系統方案，單磁傳感器即可實現全向磁場采集功能，不但大大簡化磁傳感器的結構，減輕重量，而且在全球任何磁傾角地區，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用能力，可以快速方便實現地磁的觀測和磁異常的探測，對于地質礦產勘查和磁異常目標探測可快速實施。
[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備、探測地磁場緩慢變化和磁異常，并記錄于設備內。
【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系示意圖；
[0014]圖2是全向磁力儀總體結構框圖；
[0015]圖3是全向磁力儀系統組成示意圖；
[0016]圖4是全向氦光泵探頭正視結構示意圖；
[0017]圖5是全向氦光泵探頭左視結構示意圖；
[0018]圖6是全向氦光泵探頭右視結構示意圖；
[0019]附圖標記說明:全向氦光泵探頭(I)、磁力儀主機(2)、全向磁傳感器(3)、高頻高壓激勵系統(4)、射頻場施加系統(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(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]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明:
[0021]全向氦光泵磁力儀由全向氦光泵探頭1、磁力儀主機2兩部分組成，總體結構如圖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4、射頻場施加系統5及探頭附屬電路6 ;磁力儀主機2內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離磁性工作器件的要求，高頻高壓激勵系統4、射頻場施加系統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、左視及右側結構示意圖:
[0024]高頻高壓激勵系統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發射1083nm波段光波經透鏡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內氦原子發生定向排列。來自磁力儀主機2中磁力儀電路7的調制射頻場信號，經由全向氦光泵探頭I中的射頻施加系統5發送，通過霍姆赫茲線圈29對氦吸收室22內原子產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發射1083nm光波分別經透鏡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，實現對氦吸收室22兩方向光泵作用。當全向氦光泵探頭I中的射頻施加系統5通過霍姆赫茲線圈29對氦吸收室22內氦原子去取向。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]當霍姆赫茲線圈29施加的射頻場令氦吸收室22內發生取向平衡時，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進行初級前置放大，通過電纜將信號輸入磁力儀主機2內的磁力儀電路7中進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，形成自動跟蹤環路，進而實現磁場跟蹤。
[0027]磁力儀主機2中主板8對磁力儀電路7輸出的射頻場頻率實現計數、存儲等。磁力儀主機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實現磁力儀的采樣率選擇和數據存儲的控制。
[0028]磁力儀主機2中電源模塊10的輸入端通過電源開關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、機載發電機等多種直流電源輸入，也可根據實際需要連接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的不足。磁力儀完全能滿足全向磁探測功能。本發明光泵磁力儀能實現地面、海洋與航空等不同區域磁探測任務要求。
[0030]本發明不局限于上述實施方式，不論其實施方式作任何變化，凡是采用本發明所提供的實施結構設計，都是本發明的一種變形，均應認為在發明的保護范圍之內。
【權利要求】
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(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(4)、射頻場施加系統(5)及探頭附屬電路(6)，高頻高壓激勵系統(4)、射頻場施加系統(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(2)內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(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(2)連接；高頻高壓激勵系統(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)，氦光泵源發射1083nm波段光波經透鏡成平行光，通過圓偏振片變成圓偏振光，在光泵作用下，氦吸收室(22)內氦原子發生定向排列，來自磁力儀主機(2)中磁力儀電路(7)的調制射頻場信號，經由全向氦光泵探頭(I)中的射頻施加系統(5)發送，通過霍姆赫茲線圈(29)對氦吸收室(22)內原子產生射頻場對氦原子去取向作用，當氦吸收室(22)內發生取向平衡時，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)進行初級前置放大，通過電纜將信號輸入磁力儀主機(2)內的磁力儀電路(7)中進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(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，形成自動跟蹤環路，進而實現磁場跟蹤。
2.根據權利要求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的不足。
3.根據權利要求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(2)中電源模塊(10)的輸入端通過電源開關(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、機載發電機多種直流電源輸入，也可根據實際需要連接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 優先權日:2013年12月27日
【發明者】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
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
