CN100368821C - 高压实验用超导转变磁信号探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，该系统包括磁传感器、两个锁相放大器、两个信号发生器、温度传感器及数据采集系统；磁传感器包括两组无芯耦合线圈及设置在所述无芯耦合线圈附近的感应线圈，一个信号发生器一端连接所述两组无芯耦合线圈的输入端，另一端连接一级锁相放大器的参考信号输入端；另一信号发生器一端连接感应线圈，另一端连接二级锁相放大器的参考信号输入端；该两组无芯耦合线圈的输出端连接一级锁相放大器的解频信号输入端，一级锁相放大器的输出端连接二级锁相放大器的解频信号输入端，所述二级锁相放大器的输出端及温度传感器均连接数据采集系统；本发明在非接触的情况下即可得出样品的超导转变点。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁信号探测系统，尤指一种高压实验用超导转变磁信号探测系统。
背景技术
压力是独立于温度、组分的一个基本物理参量，随着以金刚石压砧对顶(DAC)为代表的超高压技术与多种物理、化学、材料手段的成功结合，超高压物理和材料的研究呈现迅猛发展的势头。由于通常超高压腔体内样品的尺寸很小(φ＜100μm、体积～10-2mm3)，在这样小的空间里如何实现高压原位物性测量，成为影响高压下材料研究的一个瓶颈。在高温超导体的开发利用和物理研究中，高压也是非常重要的因素，具有不可替代的地位。现在，人们通常采用直接安装电极的方法来实现超导转变点的测量，但是，由于在高压状态下导线极易断裂而且制作困难，因此这种测量方法成功率极低而且实施极不方便。设计出能方便测量高压下超导体的转变点的装置是很多高压研究者关心的问题。
发明内容
针对上述现状，本发明的目的在于提供一种非样品接触即可方便测量高压下超导体的转变点的高压实验用超导转变磁信号探测系统。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案为
一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，包括磁传感器(1)、一级锁相放大器(2)、二级锁相放大器(3)、两个信号发生器(4、5)、温度传感器(6)及数据采集系统(7)；其中：
磁传感器(1)包括第一组无芯耦合线圈(11)、第二组无芯耦合线圈(12)及感应线圈(13)，该感应线圈(13)设置在其中任一组无芯耦合线圈(11、12)的附近，且该两组无芯耦合线圈均由两个同轴绕制的线圈组成，所有绕制参数相同，其中第一组无芯耦合线圈(11)的内绕组与第二组无芯耦合线圈(12)的内绕组串联，第一组无芯耦合线圈(11)的外绕组与第二组无芯耦合线圈(12)的外绕组串联；在所述任一组无芯耦合线圈内部设有用于固定样品并保持样品承受压力的无磁性封垫(15)：
两个信号发生器(4、5)，其中一个信号发生器(4)一端连接所述两组无芯耦合线圈的输入端，该信号发生器(4)另一端连接一级锁相放大器(2)的参考信号输入端；另一个信号发生器(5)一端连接感应线圈(13)，另一端连接二级锁相放大器(3)的参考信号输入端；所述两组无芯耦合线圈的输出端连接一级锁相放大器(2)的解频信号输入端，该一级锁相放大器(2)的输出端连接二级锁相放大器(3)的解频信号入端，该二级锁相放大器(3)的输出端连接数据采集系统(7)；
所述数据采集系统(7)还与温度传感器(6)相连接。
进一步，所述感应线圈(13)设置在任一组无芯耦合线圈的同轴线上。
进一步，所述感应线圈(13)设置在两组无芯耦合线圈的外围。
进一步，所述两组无芯耦合线圈(11、12)由无磁材料将其固定。
进一步，在所述无磁性封垫(15)的上下两侧设置两金刚石压头(16)。
进一步，所述两组无芯耦合线圈(11、12)的输出端与一级锁相放大器(2)的解频信号输入端之间设有前置放大器。
采用上述结构后，本发明利用了超导材料的特性在特制的传感器上附加了可以在在超导转变点附近影响超导转变的励磁线圈，在使用过程中只需将样品放于传感器中的耦合线圈中，在非接触的情况下即可得到样品发生超导转变的曲线，分析超导转变曲线，即可得出样品的超导转变点，使用非常方便。
附图说明
图1所示为本发明的系统框架图；
图2所示为本发明的磁传感器中无芯耦合线圈的结构示意图；
图3A、3B所示为本发明的磁传感器的结构示意图；
图4所示为本发明的系统原理图；
图5A所示为样品超导转变前磁传感器的输出信号图；
图5B所示为样品超导转变前磁传感器的输出信号经一级锁相放大器后的输出信号图；
图5C所示为样品超导转变前磁传感器的输出信号经二级锁相放大器后的输出信号图；
图6A所示为样品发生超导转变时磁传感器的输出信号图；
图6B所示为样品发生超导转变时磁传感器的输出信号中能经一级锁相放大器识别的关联信号图；
图6C所示为样品发生超导转变时磁传感器的输出信号经一级锁相放大器后的输出信号图；
图6D所示为样品发生超导转变时磁传感器的输出信号经二级锁相放大器后的输出信号图。
具体实施方式：
下面结合附图具体说明本发明。
如图1所示，本发明高压实验用超导转变磁信号探测系统，包括磁传感器1、两个锁相放大器2、3、两个信号发生器4、5、温度传感器6及数据采集系统7。
磁传感器1为适合于小样品非接触测量的差分式传感器，如图2所示，该磁传感器包括两组无芯耦合线圈11、12及感应线圈13；线圈11中包含内绕组111和外绕组112；线圈12中包含有内绕组121和外绕组122，该两组无芯耦合线圈的所有绕制参数包括尺寸、匝数、绕制方向等均保持一致，在该实施例中采用直径为0.05mm的漆包线，内线圈内径为3mm，匝数均为80。如图2所示绕组111和121串联，112和122串联，励磁信号可以从A向内绕组输入，B作为信号输出；也可以是从B向外绕组输入，A作为信号输出。在该实施例中以内线圈111、121作为励磁线圈，励磁线圈连接端采用绕制同名端连接，外线圈112、122作为感应线圈，感应线圈连接端采用绕制异名端连接。
感应线圈13设置在放置样品的无芯耦合线圈附近，可设置在无芯耦合线圈11或无芯耦合线圈12的同轴线上，与无芯耦合线圈11或无芯耦合线圈12同心放置，如图3A所示，也可以安装在该两组无芯耦合线圈的外围，如图3B所示。该线圈的匝数为600，用直径为0.05mm的漆包线绕制而成，线圈的内径为7mm，高度为1mm。该两组无芯耦合线圈11、12由无磁材料14将其固定；在无芯耦合线圈11内部设有用于固定样品并保持样品承受压力的无磁性封垫15，在需要测试样品时，将样品放于无磁性封垫15内，并在无磁性封垫15的上下两侧设置两金刚石压头16将其压紧，施压装置通过两金刚石压头在样品上产生30GP以上的高压。
两锁相放大器2、3采用Stanford Research System，Model SR8030DSP Lock-in Amplifier。该锁相放大器2、3自带的信号源分别作为信号发生器4、5。信号发生器4、可产生1KHz的高频信号Ref1，电压为1.5V，信号发生器5可产生22Hz的低频信号Ref2，电压为2V。该两信号发生器4、5也可相对两锁相放大器2、3独立设置，如图4所示；
信号发生器4一端连接所述磁传感器1的两组无芯耦合线圈11、12的A端，另一端连接一级锁相放大器2的参考信号输入端，信号发生器4发出两路高频信号Ref1，一路作为励磁信号从A端向无芯耦合线圈的内绕组输入，感应信号从B端输出，另一路加到一级锁相放大器2上作为参考信号；信号发生器5一端连接所述感应线圈13，另一端连接二级锁相放大器3的参考信号输入端，信号发生器5发出两路低频信号Ref2，一路输入感应线圈13，使感应线圈13产生交变磁场，另一路作为参考信号加到二级锁相放大器3上；无芯耦合线圈11、12的B端连接一级锁相放大器2的解频信号输入端，所述一级锁相放大器2的输出端连接二级锁相放大器3的解频信号入端，二级锁相放大器3的输出端连接数据采集处理系统。
温度传感器6可以采用热敏电阻或热电偶。在该实施例中采用PT100型铂热敏电阻，以KEITHLEY 240热敏电阻测量恒流源，用KEITHLEY 2182纳伏表测量温度信号，将纳伏表测量的温度信号输入计算机进行数据采集。
该温度传感器安装在高压装置上，下游连接数据采集系统7，温度传感器所获得的温度信号即样品的实际温度通过模数转换进入数据采集系统7。
数据采集系统7为常用的CPU。
根据超导体的特性，当有足够大的交变电流通过时，能够在电流峰值附近使超导样品在超导转变点附近失去或部分失去超导特性。而当样品处于一个无芯变压器中没有超导转变时，会影响该变压器的耦合状态，两组无芯变压器将会有信号输出。
在磁传感器1内没有样品的情况下，在所述励磁线圈上通过一特定频率交变电流，利用锁相放大器测量该频率的感生电势，略微调节其中一无芯变压器外绕组的匝数，将信号输出调节到接近于零输出。
在使用过程中，将样品放置于磁传感器1内的无磁性封垫15内，并在无磁性封垫15的上下两侧用两金刚石压头16压紧。信号发生器4产生同频率的两路高频信号Ref1，一路加到磁传感器1的无芯变压器组中的励磁线圈111、121上，另一路加到第一级锁相放大器2上作为参考信号；信号发生器5也产生两路高频信号Ref2，一路加到磁传感器1的感应线圈13上，使感应线圈13产生交变磁场，另一路作为参考信号加到二级锁相放大器3上。无芯变压器组1的输出端B连接一前置放大器，在A端输入的励磁信号作用下，无芯变压器组1产生的感应信号经前置放大器放大后输入一级锁相放大器2，一级锁相放大器2的输出端连接二级锁相放大器3的输入端。当样品没有超导转变时，无芯变压器1产生的感应信号是Ref1和Ref2频率的叠加，如图5A所示，在理想差分状态下，该信号不含有高频的量，但是在实际状态下因为样品、温度的变化会造成配平状态的改变，使发出的信号含有一定的高频分量，该信号输入一级锁相放大器2，一级锁相放大器2以Ref1作为参考信号来解，输出的是一个和Ref1频率相关的幅值信息，如图5B所示，磁传感器1中其它频率的干扰信号在通过一级锁相放大器2后被滤除；当一级锁相放大器2的输出信号进入二级锁相放大器3后，用Ref2频率的两倍频率的参考信号来解时，因为一级锁相放大器的输出信号是直流信号，因此二级锁相放大器3的输出值为零，如图5C所示。二级锁相放大器3的输出端通过模/数转换给数据采集系统记录。
超导材料的超导转变温度和在超导材料外所加的磁场有关系，在外加磁场的作用下，超导转变温度会降低，外加的磁场强度越大，超导转变温度会越低，撤去磁场后超导材料会恢复原来的超导转变点。当外加磁场强度一定时，超导转变也是在一定范围内进行，在材料低于超导转变温度后，材料将维持超导状态。
当超导材料在转变点附近发生超导转变时，会破坏磁传感器1差分的配平状态，传感器输出的感应信号中高频信号会提高；但是由于低频电流在波峰时产生的磁场比较强，因此感应线圈13产生的交变磁场改变磁传感器1内的样品的超导转变点，使已经完成超导转变的材料部分或全部失去超导特性，进而改变内置有样品的耦合线圈的耦合状态，这种耦合状态的改变会造成该传感器1所发出的高频信号Ref1的幅度发生变化。这时磁传感器1的有效输出信号是一个与Ref2频率相同的低频信号叠加了与Ref1频率相同的感应信号，其中与Ref1频率相同的感应信号是调幅变化的，调幅变化的频率是Ref2频率的两倍，如图6A所示。图6描述了这个信号通过一级锁相放大器前后、二级锁相放大器前后的信号变化过程，图中所有横坐标是时间，纵坐标是电压。图6A所示是传感器1中的样品有超导转变时输出的信号，当采用Ref1作为参考信号时，传感器1的输出信号中能经过一级锁相放大器2识别的关联信号如图6B所示，当传感器的输出信号通过一级锁相放大器2后，输出的信号是一个反映了超导转变的2倍于Ref2频率的超导转变信号，如图6C所示。在该信号通过二级锁相放大器3后，获得如图6D所示的超导转变信号。
此时，如图6D所示的超导转变信号通过模数转换进入数据采集系统7，由温度传感器6将所获得的温度信号即样品的实际温度通过模数转换也进入数据采集系统7，从数据采集系统7所获得的温度和转变信号绘制曲线，即可得出所测样品的超导转变点。
当高温超导材料完全转变时候，感应线圈13产生的最大磁场不再能够促使超导材料部分失去超导，传感器给出的信号同图5A的信号波形相似，只是高频和低频幅度的变化，通过两级锁相放大器后，输出为零。
Claims (6)
1.一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，其特征在于：包括磁传感器(1)、一级锁相放大器(2)、二级锁相放大器(3)、两个信号发生器(4、5)、温度传感器(6)及数据采集系统(7)；其中：
磁传感器(1)包括第一组无芯耦合线圈(11)、第二组无芯耦合线圈(12)及感应线圈(13)，该感应线圈(13)设置在其中任一组无芯耦合线圈(11、12)的附近，且该两组无芯耦合线圈均由两个同轴绕制的线圈组成，所有绕制参数相同，其中第一组无芯耦合线圈(11)的内绕组与第二组无芯耦合线圈(12)的内绕组串联，第一组无芯耦合线圈(11)的外绕组与第二组无芯耦合线圈(12)的外绕组串联；在所述任一组无芯耦合线圈内部设有用于固定样品并保持样品承受压力的无磁性封垫(15)；
两个信号发生器(4、5)，其中一个信号发生器(4)一端连接所述两组无芯耦合线圈的输入端，该信号发生器(4)另一端连接一级锁相放大器(2)的参考信号输入端；另一个信号发生器(5)一端连接感应线圈(1 3)，另一端连接二级锁相放大器(3)的参考信号输入端；所述两组无芯耦合线圈的输出端连接一级锁相放大器(2)的解频信号输入端，该一级锁相放大器(2)的输出端连接二级锁相放大器(3)的解频信号入端，该二级锁相放大器(3)的输出端连接数据采集系统(7)；
所述数据采集系统(7)还与温度传感器(6)相连接。
2.如权利要求1所述的一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，其特征在于：所述感应线圈(13)设置在任一组无芯耦合线圈的同轴线上。
3.如权利要求1所述的一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，其特征在于：所述感应线圈(13)设置在两组无芯耦合线圈的外围。
4.如权利要求3所述的一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，其特征在于：所述两组无芯耦合线圈(11、12)由无磁材料将其固定。
5.如权利要求1所述的一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，其特征在于：在所述无磁性封垫(15)的上下两侧设置两金刚石压头(16)。
6.如权利要求5所述的一种高压实验用超导转变磁信号探测系统，其特征在于：所述两组无芯耦合线圈(11、12)的输出端与一级锁相放大器(2)的解频信号输入端之间设有前置放大器。
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