SERF原子磁强计最新进展及应用综述

超高灵敏度磁场测量具有重要的科学和经济意义。利用原子自旋效应进行物理量的精密测量已成为近年来实验物理领域的一种重要手段,其中无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计因其具备的超高灵敏度而备受关注。碱金属气室是SERF原子磁强计的灵敏核心,原子源种类决定了其测量灵敏度的极限。将SERF原子磁强计的研究成果按照碱金属原子源分类总结,分析其研究方法,综述其研究进展以及在实际应用中所取得的突破,对SERF原子磁强计有待进一步拓展的方向和所面临的挑战进行展望,对该领域未来的研究有重要的参考意义与实用价值。     

无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度,本文根据SERF原子磁强计的测量原理,提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦,实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈,调节电流源输出给线圈的电流,使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统,实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比,本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8nT降低到0.040 4nT,同时将剩余磁场的均方差由0.348 1nT降低到0.024 7nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。     

单光束 SERF 磁强计三轴磁场解耦磁补偿校准方法

针对单光束SERF原子磁强计磁补偿过程中的三轴磁场耦合问题,提出了一种对磁强计三轴顺序补偿值进行反向校准的方法,用于减小三轴补偿过程中产生的耦合磁场。首先,构建了三轴磁场耦合数学模型,即一个3×3的耦合系数矩阵,来描述三轴之间的磁场耦合关系,并对实验室磁强计样机进行了三轴耦合系数测试。然后,提出了一种应用三轴耦合系数对三轴顺序补偿值进行反向校准的方法;最后,对比了校准前后的磁补偿效果。实验表明,经三轴顺序补偿反向校准后,磁强计的响应线宽平均变窄2～10 Hz,灵敏度提高3～5 fTHz^1/2,验证了该方法的有效性,为进一步优化磁补偿技术奠定了基础。     

基于SERF原子磁强计的三轴磁场顺序补偿方法研究

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计是一种灵敏度非常高的磁强计,而剩余磁场强度是影响SERF原子磁强计灵敏度的主要因素之一。为此,提出了一种SERF原子磁强计三轴磁场顺序补偿方法,该方法将剩磁范围分为三个部分,每个部分对应不同的补偿方式,并且使用软件对顺序补偿的整个过程进行了仿真实验。实验表明,该方法可以不受补偿前原始剩磁大小的影响,更具有普适性。     

小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿电路设计

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计是当前灵敏度最高的磁场测量传感器,具有广泛的应用前景。而小型SERF原子磁力计易受到地磁环境及内部元件剩磁影响,需对磁力计周围剩磁进行补偿,使其工作在近乎零磁场环境下(<1 nT),以实现高量灵敏度测量。对此,文中基于现场可编程门阵列(FPGA)设计开发了单泵浦光小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿控制电路,通过对原子磁力计三轴线圈施加直流扫描磁场,快速准确实现了-60～60 nT三轴磁场同步补偿。测量轴方向平均补偿精度分别达到0.12 nT和0.25 nT,泵浦光轴方向平均补偿精度达到0.36 nT,可满足小型SERF原子磁力计高灵敏测量要求。     

单光束小型化全光原子磁强计的设计与热场分析

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计是一种超高灵敏度磁强计,其小型化的研究对磁强计应用至关重要.其中,光路布局是制约其尺寸与灵敏度的关键因素.设计了一种单光束小型化原子磁强计,该磁强计为圆柱体,底面圆直径为21.2 mm,高为40.5 mm,并对其进行了热仿真实验.实验表明,该设计结构合理,且易于进行多通道测量,在脑磁...     

三轴磁强计对微弱磁信号的检测

三轴磁强计广泛地应用于磁信号的检测,但转向差的存在限制了对微弱磁信号的检测能力.在分析自适应权向量法原理的基础上,提出一种解决方案,显著的改善了自适应信号检测的信噪比,提高了三轴磁强计对微弱信号的检测能力.     

一种简便的三轴磁强计标定方法

三轴磁强计作为卫星地磁导航中的姿态确定传感器,使用前对其进行标定尤为重要。阐述了一种简单的三轴磁强计标定方法,并且在零磁实验室中对Honeywell公司的HMR2300三轴磁强计进行零偏误差、线性度、灵敏度标定以及在均匀稳定的地磁场中进行三轴不正交度的标定。试验结果表明,该标定方法可以满足微小卫星姿态确定的要求。     

应用磁传感器阵列定位跟踪消化道诊疗胶囊

为实现对消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与跟踪,建立了一种基于三轴磁传感器阵列的磁目标实时定位跟踪系统.该系统使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁传感器阵列检测固定在电子胶囊中的永磁体产生的磁场,通过控制电路和USB接口适配器,将检测出的磁场信号传入计算机,使用非线性最优化方法由磁场信号解出电子胶囊的位置和姿态信息,最后由定位软件实时显示定位结果并保存数据.实验结果表明,该系统对于距离传感器阵列平面150 mm的电子胶囊,平均定位精度＜7 mm,平均定向精度＜6°;同时,该系统能够对距离传感器阵列平面60～220 mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现实时跟踪;并且该系统对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感,基本上能够满足消化道微型诊疗装置在人体内的实时定位与连续跟踪的要求.     

三轴磁强计转向差的自适应校正

三轴磁通门磁强计被广泛地应用于地磁和空间磁场的研究。利用三轴磁强计的输出向量来估计被测磁场的模量,会有转向差存在。转向差是由磁强计三个磁轴的非正交性、各通道定标比例系数的不一致性以及各通道的零点偏置引起的。要精确计算被测磁场的模,校正转向差,就必须估计出磁强计的上述参数。本文提出的校正方法对磁强计的参数进行估计,不需造价昂贵的专用设备。仿真试验及实测数据证明这些方法是行之有效的。     

Calibration of three-axis fluxgate magnetometers with nonlinear least square method

The accuracy of three-axis magnetometers is limited by different scales, bias of each axis and nonorthogonality between axes, which is usually lower than that of scalar magnetometers. In this paper, the nonlinear least square method is proposed to calibrate three-axis magnetometers. The validity of this method was proved by simulation, in which the estimated parameters of the error model are close to prearranged parameters. In experiment, a three-axis fluxgate magnetometer (DM-050), a two dimensional nonmagnetic rotation equipment and a proton magnetometer (GSM-19T) were used. The scalar value of magnetic field was obtained by proton magnetometer and considered to be the true value. The calibration performance of unscented Kalman filter (UKF), two-step algorithm and nonlinear least square were compared. Experimental results show that the error average and standard deviation of nonlinear least square are the least among the three methods. After calibration, the average of scalar error is reduced from −76.2 nT to −0.00093 nT and the standard deviation is reduced from 10.832 nT to 4.298 nT. The results suggest an effective way for the calibration of three-axis fluxgate magnetometers.     

基于无迹卡尔曼滤波和设备的三轴磁强计校正

采用无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)磁强计模型参数估计方法,提出对三轴磁强计的总量及分量误差进行校正。采用高精度质子磁力仪提供磁场基准值,借助无磁转台实现磁强计全方位转动,对一款DM-050三轴磁强计进行了参数估计,并将参数估计值运用到总量和分量校正。仿真结果表明,参数估计值与磁强计实际参数值一致。校正后,磁强计总量误差从427.9 nT减少到2.06 nT;X、Y、Z轴分量误差分别减少到1.84 nT、1.96 nT、1.72 nT。而且证明了UKF对磁强计模型参数估计的重复性良好,并研究了噪声幅度大小对UKF的性能影响程度。实验结果表明,磁强计误差从114.94 nT减少到14.47 nT,表明该方法能有效提高磁强计测量精度。     

混联机床轴线定位精度的干涉测量与误差补偿模型

在对直线运动坐标定位精度的干涉测量原理和方法进行深入研究的基础上,对干涉测量的误差进行了分析.采用激光干涉法检测了混联机床X轴的定位精度和重复定位精度,并作出了基于测量数据的混联机床X轴单向均位偏差特性曲线,推导出了X轴正、反向运动定位误差的数学模型.利用最小二乘法拟合得到了机床直线运动坐标目标位置的均值误差补偿数学模型,提出了一种直线运动坐标定位精度的激光干涉测量方法和误差补偿模型的建模方法,并对X轴的定位精度进行了补偿.     

基于原子磁力仪的高精度电流传感器

高精度电流测量对产生核磁共振陀螺中稳恒磁场具有重要意义,基于光泵原子磁测量方式的新型电流传感器实现了对电流的精确测量,可应用在各种高精度设备的校准及其他精密探测领域。这种新型的电流传感器,具有极高的线性度,通过实验表明,基于光泵原子磁力仪的电流传感器线性度最高可达0.000 01%,性能优于其他电流传感器,解决了线性度低的问题。对基于光泵原子磁力仪电流传感器的研究结合实验的研究内容,展望了基于光泵原子磁力仪的电流传感器在电流精密测量领域的应用前景。     

矢量磁力仪本体磁性现场校正算法研究

海洋磁力仪的本体磁性校正是磁力仪应用系统的核心技术,尤其当载体磁性发生改变后,其现场的校正算法是影响其应用有效性的关键。先分析了搭载有三轴磁通门磁力仪的水下勘探系统的主要磁干扰源,描述了相应的磁校正模型,简明扼要地介绍了椭球拟合、粒子群、遗传及粒子群遗传混合等算法,并逐一通过MATLAB予以实现。最后使用水下载体在西南印度洋的作业数据对上述算法进行功能性验证。由校正前后的数据波动情况、均方根误差值和相对误差值可知,磁校正领域混合算法校正效果相对较佳,能提高磁力仪传感器的测量有效性。     

三轴磁通门磁梯度仪转向差校正方法研究

三轴磁通门传感器应用广泛,但其自身固有的零偏误差、灵敏度误差以及三轴非正交误差对其磁场测量精度有着较大的影响。针对磁通门梯度仪中磁传感器自身的性能参数和摆放方位不一致问题,提出了转向差的校正方法:分别建立了磁通门传感器误差的自校准和互校准数学模型,并采用神经网络算法和最小二乘算法对模型参数进行求解。仿真和试验结果表明,整个校正过程简单可行,在不需要三轴无磁转台以及恒定磁场标准装置等复杂试验设备情况下,利用磁通门梯度仪在稳定的地磁场环境下采集多组磁场数据,能有效降低磁梯度仪转向差引起的测量误差。     

大视场室内移动机器人高精度动态定位方法

高精度室内定位是移动机器人实现自主导航、运动控制和协同作业等任务的前提条件.利用单目视觉定位原理,提出了一种针对大视场的室内移动机器人绝对定位方法.该方法适用于室内多移动机器人同步动态定位,解决了大视场环境下多相机非线性标定和视场融合问题,相机标定精度提高了52.6％.为提高移动机器人动态定位精度,设计了基于光信标的高...     

六轴IMU补偿的磁力计动态稳定校准

磁力计是用于确定机器人姿态的常用传感器之一,在使用过程中极易受到周围环境磁场和量测噪声的干扰。传统的椭球拟合能够校准环境磁场的影响,但是不能抑制量测噪声,且不能实时运行,最新的陀螺仪补偿算法弥补了这些缺点,但是由于陀螺仪存在漂移,所以也会使得磁力计数据发生漂移。文中提出一种使用六轴IMU来补偿校准磁力计的方法,首先通过互补滤波使用加速度修正陀螺仪数据,然后使用修正后的陀螺仪数据对磁力计数据进行旋转以对其进行预测,接着使用扩展卡尔曼滤波融合预测值和磁力计量测值,实现磁力计的动态校准。实验表明,相比于传统的椭球拟合算法,文中算法可以降低磁力计数据的噪声波动,二者的噪声波动分别为2μT和0.5μT;相较于最新的陀螺仪补偿算法,由于加速度计具有长期稳定性,可以抑制磁力计数据的漂移现象,磁力计数据的漂移距离由19.56μT降低到了1.67μT。最终实现了一种稳定、高精度的实时磁力计校准。