一种极弱磁场信号的测量装置和方法

1.本发明属于磁场测量技术领域，具体涉及一种极弱磁场信号的测量装置和方法，可以实现磁性材料、小型生命体等被测物的动态磁场信号测量。


背景技术：

2.磁场中包含着磁性材料及生命体的大量信息。对磁场信号进行测量，结合反演算法和数据库对有效信号进行提取，可以获取相关磁性材料、生命体或其他被测物内部状态的重要信息，克服了电信号采集传导电阻率的影响，可实现信号的无损检测和获取，对工程学科的发展及医学的临床研究意义重大。
3.近年来，随着核磁共振、心脑磁图等先进技术的临床应用，对生物磁场进行临床检测将成为一项重要的医学手段，为癌症等疑难杂症的诊断和外科手术提供了重要的技术支持。通过在细胞和组织的水平上了解癌症等疾病的生物标志物、微环境和异质性，有望成为早期疾病筛查、临床诊断和治疗新手段新赛道。
4.进行磁性材料、小型生命体或其他被测物的极弱磁场测量，必要条件之一是通过磁屏蔽技术将地球表面普遍存在的约50000nt磁场衰减至nt乃至pt量级以提供极弱磁场环境测量条件。为了屏蔽地磁干扰，高屏蔽系数的磁屏蔽目前通常采用高磁导率金属材料坡莫合金制成的多层磁屏蔽构型对外界磁场进行屏蔽。为了获取目标磁场均匀区，对应设计磁补偿线圈来进行磁场的主动磁补偿。
5.北京航空航天大学在2020年提出了一种生物细胞物理特性测试装置及其测试方法，完成了细胞磁场测量装置和测量方案的设计，但仍存在测量对象的范围有限、传感器的位置调整不方便和传感器与被测物贴合不紧密等缺点。
6.为了实现在屏蔽地磁场的零磁环境中测量磁性材料、小型生命体或其他被测物的磁场信号，同时兼顾传感器的定位，保证测量过程的方便性、测量结果的准确性、测量信号的可处理性，需要对现有技术进行改进。


技术实现要素：

7.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种极弱磁场信号的测量装置和方法，设计磁屏蔽桶达到近零磁环境，并根据所需目标均匀区范围，对应设计桶内磁补偿线圈和消磁线圈，从而消除材料加工应力产生的剩余直流磁场；调速电机的转动频率范围为0-50hz，且调速电机与可伸缩支架通过螺钉螺母与支撑板连接；电机轴与旋转轴通过侧面螺钉固定；旋转轴通过被测物固定架固定被测物，使其与旋转轴同步旋转，以获得动态的交流磁场信号；传感器支架上按照被测对象的结构及功能分区，对应设计传感器的测量敏感点位置；被测物固定架位于磁屏蔽桶内，可采用尼龙、电木等非金属材料，不会影响磁屏蔽桶内的近零磁环境，可以实现磁性材料、小型生命体等被测物的极弱磁场测量；可伸缩支架位于磁屏蔽桶外，可实现整体装置的高度调整。本发明具有检测方便、检测信号准确度高的优点。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种极弱磁场信号的测量装置，包括磁屏蔽桶、支撑板、可伸缩支架、旋转轴、调速电机、被测物固定架和传感器支架；所述支撑板上通有相应尺寸的光孔，可配合螺钉螺母，用于搭载调速电机并连接可伸缩支架，实现整体结构的自由升降；所述可伸缩支架为两段式，上段通过螺钉螺母固定于下段，可以实现高度调节；所述旋转轴将磁屏蔽桶内外两部分连接，旋转轴上端与调速电机轴配合，实现同步旋转，下端采用阶梯轴结构，下端有螺纹轴，用于固定被测物固定架，实现整体同步旋转，以获得动态的交流磁场信号；所述被测物固定架通过螺纹孔固定于旋转轴，并同步旋转，被测物固定架侧面通有螺纹孔，可用螺钉螺母将被测物固定于被测物固定架内；所述传感器支架位于底端，表面设置opm（optical-pumpingmagnetometer）传感器的测量敏感点位置。
9.进一步地，所述支撑板、可伸缩支架、旋转轴的一部分位于磁屏蔽桶外，主要起到测量装置的主体支撑作用；所述旋转轴的螺纹轴部分、被测物固定架、传感器支架位于磁屏蔽桶内，在零磁环境中起到辅助测量作用。
10.进一步地，所述支撑板、旋转轴、被测物固定架、传感器支架采用不导磁的非金属材料，保证磁屏蔽桶内的近零磁环境不受干扰。
11.进一步地，所述磁屏蔽桶采用高磁导率材料搭建多层磁屏蔽结构，以屏蔽地磁干扰，并对应设计有磁补偿线圈和消磁线圈，来获取目标磁场均匀区并消除材料加工应力产生的剩余直流磁场，构建磁屏蔽桶内部的近零磁空间，进而完成极弱磁场测量。
12.进一步地，采用4层圆柱桶形屏蔽结构搭建多层磁屏蔽结构，其尺寸设计中，一方面考虑到测量装置的尺寸大小，另一方面通过理论计算磁屏蔽系数来得到合理的磁屏蔽桶尺寸。4层圆柱桶形屏蔽结构的地磁多层屏蔽系数理论计算公式如下：，，式中，和分别为磁屏蔽桶的轴向总屏蔽系数和径向总屏蔽系数，和分别为第层磁屏蔽桶的平均半径和平均长度，和分别为第层磁屏蔽桶的轴向屏蔽系数和径向屏蔽系数。和为第j层磁屏蔽桶的平均半径和平均长度。和分别为第j层磁屏蔽桶的轴向屏蔽系数和径向屏蔽系数。为磁屏蔽桶第n层即最外层屏蔽系数。
13.，，
其中，为磁屏蔽桶材料的磁导率，为磁屏蔽桶材料的磁屏蔽因子，n为退磁因子：，进一步地，本发明的传感器支架位于被测物正下方，因此在重力作用下，被测物和传感器可以更好贴合，从而保证磁场信号强度；传感器探头可在所述传感器支架中上下移动，调节与被测物之间的距离，从而保证测量精度。传感器支架上根据标准化的磁场区域定位传感器位置，设计opm传感器的测量敏感点位置，使测量结果更准确、更有应用价值。
14.本发明还提供一种极弱磁场信号的测量方法，包括以下步骤：步骤1、对磁屏蔽桶进行消磁，减少材料的加工应力带来的剩余直流磁场对实验结果的影响；步骤2、将被测物安装在被测物固定架内，并用无磁螺钉固定；步骤3、将传感器支架置于被测物下方，将opm传感器固定在传感器支架内，在重力作用下使被测物与opm传感器实现更好贴合；步骤4、闭合磁屏蔽桶，opm传感器开始工作；步骤5、对opm传感器中的碱金属气室进行加热，达到指定温度；步骤6、对opm传感器及其周围环境的磁场进行三轴补偿，并选定z轴为敏感轴，将测试空间的范围内磁场补偿到近零磁状态；步骤7、调速电机开始工作，利用调速电机的输出扭矩，通过旋转轴和被测物固定架，带动被测物实现在磁屏蔽桶内的定频转动；步骤8、在被测物进行定频转动的同时，采集opm传感器记录的空间磁场信号；步骤9、测试结束，关闭opm传感器的电源，停止调速电机转动，打开磁屏蔽桶取出被测物；步骤10、对采集到的数据进行处理，得到被测物的磁场数值及其磁场梯度分布。
15.有益效果：本发明采用调速电机使被测物在测量过程中进行定频转动，以获得该频率下强度更大、更准确的交流磁场信号；本发明的测量装置的整体结构可以巧妙利用重力作用，使被测物与传感器探头实现更好的贴合，保证磁场强度，以解决在医学应用中易出现的磁场信号过小导致传感器灵敏度达不到要求的问题；本发明可以在近零磁环境中实现被测物位置的灵活调整，且空间利用率高、对被测物尺寸要求较小、常温常压环境下即可完成测量工作，因此具有更好的适用性和更大的适用范围。
附图说明
16.图1为本发明的一种极弱磁场信号测量装置的整体结构示意图；图2为通有定位通孔的支撑板的主视图和侧视图；图3为通有上方螺纹孔和侧方螺纹孔的被测物固定架的主视图及右视图；图4为装配有opm传感器探头安装位置的传感器支架的主视图及俯视图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
18.如图1所示，本发明的一种极弱磁场信号的测量装置由磁屏蔽桶1、支撑板2、可调速电机3、可伸缩支架4、旋转轴5、被测物固定架6、传感器支架7、被测物8和opm传感器9等组成。所述磁屏蔽桶1内部达到近零磁环境，并根据所需目标均匀区范围，对应设置磁屏蔽桶1内的磁补偿线圈和消磁线圈。所述支撑板2上通有光孔，所述可伸缩支架4上通有螺纹孔，可配合螺钉螺母将支撑板2与可伸缩支架4连接，实现测量装置的整体升降。所述旋转轴5通过磁屏蔽桶1，一端与电机轴固定，另一端有螺纹轴，与被测物固定架6上的螺纹孔配合，并抵住被测物8，实现被测物8与电机轴的同步旋转，以获得动态的交流磁场信号。所述被测物固定架6上方的螺纹孔用于通过旋转轴5，侧方螺纹孔用于配合螺钉固定被测物。所述传感器支架7位于底端，表面设计opm传感器的测量敏感点位置，可以获得更有应用价值的有效磁场信号。
19.如图2所示，本发明的支撑板2用于连接可伸缩支架4，起支撑作用，并搭载调速电机。支撑板2采用非金属材料，支撑板2上共有9个光孔，其中的中心的光孔用于通过电机轴，中心的光孔旁的4个光孔用于配合螺钉螺母将调速电机3固定于支撑板2，支撑板2边沿的四个光孔用于配合螺钉螺母与可伸缩支架4连接。
20.如图3所示，本发明的被测物固定架6上方通有螺纹孔，可配合螺母与旋转轴5的螺纹轴连接，实现同步旋转；被测物固定架6侧面通有螺纹孔，可通过螺钉实现被测物的固定。被测物固定架用于固定被测物，使被测物8与电机轴实现同步旋转，以获得动态的交流磁场信号。
21.如图4所示，本发明的传感器支架7根据标准化的磁场区域定位传感器位置，设计opm传感器9的测量敏感点位置，以获得有应用价值的有效磁场信号。传感器支架7位于被测物8下方，与被测物8处于同一竖直线，因此在重力作用下，被测物8和opm传感器9可以更好贴合，从而保证磁场信号强度；opm传感器9的探头可在所述传感器支架7中上下移动，调节与被测物8之间的距离，从而保证测量精度。传感器支架7可根据所需opm传感器数量的不同，设计不同数量的opm传感器9安装位置，实现近零磁环境下被测物8的磁场信号测量。
22.采用上述的一种极弱磁场信号的测量装置进行磁性材料和小型生命体等被测物的磁场信号测量，包括以下步骤：步骤1、测试之前对磁屏蔽桶1进行消磁，以最大程度减少材料的加工应力带来的剩余直流磁场对实验结果的影响；步骤2、将被测物8安装在被测物固定架6内，并用无磁螺钉固定；步骤3、将传感器支架7置于被测物下方，将opm传感器9固定在传感器支架7内，在重力作用下使被测物与opm传感器9实现更好贴合；步骤4、闭合磁屏蔽桶1，opm传感器9开始工作；步骤5、对opm传感器9中的碱金属气室进行加热，达到指定温度；步骤6、对opm传感器9及其周围环境的磁场进行三轴补偿，并选定z轴为敏感轴，将
测试空间的范围内磁场补偿到近零磁状态；步骤7、调速电机3开始工作，利用调速电机3的输出扭矩，通过旋转轴5和被测物固定架6，带动被测物实现在磁屏蔽桶1内的定频转动；步骤8、在被测物进行定频转动的同时，采集opm传感器9记录的空间磁场信号；步骤9、测试结束，关闭opm传感器9的电源，停止调速电机转动，打开磁屏蔽桶1取出被测物；步骤10、对采集到的数据进行处理，得到被测物的磁场数值及其磁场梯度分布。
23.此外，需要指出本发明中所述的部件名称和形状可以不同，凡是依本发明构思所述的构造、特征和原理所做的修改、补充和改进，均应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：由磁屏蔽桶、可伸缩支架、旋转轴、被测物固定架、传感器支架、支撑板和调速电机组成；所述支撑板位于磁屏蔽桶的上方，支撑板上有螺纹孔，通过螺钉螺母与可伸缩支架和调速电机连接，构成整体固定装置，实现自由升降；旋转轴一端通过支撑板与调速电机的电机轴连接，另一端通过被测物固定架抵住被测物，使电机轴和被测物实现同步旋转，以获得被测物的动态磁场信号；所述被测物包括磁性材料或小型生命体；所述传感器支架表面设置opm传感器的测量敏感点位置，使opm传感器的探头磁场敏感源位置对应于标准化的磁场区域，方便获取更准确的被测物磁场信号。2.根据权利要求1所述的一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：所述磁屏蔽桶采用高磁导率材料搭建多层磁屏蔽结构以提高磁屏蔽系数，以实现更好的地磁屏蔽效果；磁屏蔽桶内设置有磁补偿线圈，对磁屏蔽桶内部的近零磁环境进行补偿，以获得目标磁场均匀区；磁屏蔽桶的内部有消磁线圈，以降低材料加工应力造成的剩余直流磁场。3.根据权利要求2所述的一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：所述多层磁屏蔽结构为4层圆柱桶形屏蔽结构。4.根据权利要求1所述的一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：所述被测物固定架实现被测物的固定，被测物固定架上通过螺纹孔与旋转轴连接，被测物固定架侧方螺纹孔配合固定被测物，使被测物与旋转轴实现同步旋转，以获得动态的交流磁场信号。5.根据权利要求1所述的一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：所述支撑板基于磁屏蔽桶的尺寸设计，支撑板表面有螺纹孔，用于调速电机和可伸缩支架的固定，实现测量装置的整体高度调整，配合磁屏蔽桶完成测量工作。6.根据权利要求1所述的一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：所述极弱磁场信号的测量装置的空间尺寸不超过一立方米。7.根据权利要求1所述的一种极弱磁场信号的测量装置，其特征在于：将旋转状态下的被测物置于零磁环境中进行极弱磁场测量，捕捉动态的交流磁场信号，常温环境下完成测试。8.根据权利要求1-7之一所述的一种极弱磁场信号的测量装置的测量方法，包括以下步骤：步骤1、对磁屏蔽桶进行消磁，减少材料的加工应力带来的剩余直流磁场对实验结果的影响；步骤2、将被测物安装在被测物固定架内，并用无磁螺钉固定；步骤3、将传感器支架置于被测物下方，将opm传感器固定在传感器支架内，在重力作用下使被测物与opm传感器实现更好贴合；步骤4、闭合磁屏蔽桶，opm传感器开始工作；步骤5、对opm传感器中的碱金属气室进行加热，达到指定温度；步骤6、对opm传感器及其周围环境的磁场进行三轴补偿，并选定z轴为敏感轴，将测试空间的范围内磁场补偿到近零磁状态；步骤7、调速电机开始工作，利用调速电机的输出扭矩，通过旋转轴和被测物固定架，带动被测物实现在磁屏蔽桶内的定频转动；步骤8、在被测物进行定频转动的同时，采集opm传感器记录的空间磁场信号；步骤9、测试结束，关闭opm传感器的电源，停止调速电机转动，打开磁屏蔽桶取出被测
物；步骤10、对采集到的数据进行处理，得到被测物的磁场数值及其磁场梯度分布。

技术总结
本发明公开了一种极弱磁场信号的测量装置和方法，属于磁场测量领域，装置由磁屏蔽桶、可伸缩支架、旋转轴、可调速电机、被测物固定架和传感器支架等构成。设计磁屏蔽桶达到近零磁环境，并根据所需目标均匀区范围，对应设计桶内磁补偿线圈和消磁线圈；电机轴与旋转轴通过侧面螺钉固定；旋转轴通过被测物固定架固定被测物，以获得动态的交流磁场信号；传感器支架上按照被测对象的结构及功能分区，对应设计传感器的测量敏感点位置；被测物固定架位于磁屏蔽桶内，可以实现磁性材料、小型生命体等被测物的极弱磁场测量。因此本发明提出的极弱磁场信号的测量装置，是一种适用性更强、信号更准确且测量成本低的极弱磁场的信号测量工具。确且测量成本低的极弱磁场的信号测量工具。确且测量成本低的极弱磁场的信号测量工具。


技术研发人员：黄梓嫄 白贵雨 丁中亚 庞茂通
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/7/22