CN100492023C - 一种涡流屏滤波器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种在计量过程中的一种计量仪器及其方法，和低温电流比较仪装置相关。尤其涉及一种在低温电流比较仪系统中可以消除高频干扰，稳定低温电流比较仪工作状态的涡流屏滤波器及其设计方法。一种涡流屏滤波器，所述的涡流屏滤波器设置在低温电流比较仪系统中，用于解决低温电流比较仪系统中的高频干扰的问题；所述涡流屏滤波器包括在低温电流比较仪系统的检测线圈中，所述检测线圈为导电材质。采用了本发明后，消除了高频干扰，系统很好的稳定工作，达到了较高的技术水平。

Description

一种涡流屏滤波器及其设计方法

技术领域：

本发明属于一种在计量过程中的一种计量仪器及其方法，和低温电流比较仪装置相关。尤其涉及一种在低温电流比较仪系统中可以消除高频干扰，稳定低温电流比较仪工作状态的涡流屏滤波器及其设计方法。

背景技术：

在电学计量中，电压量标准和电阻量标准是最基本的两种标准。只要有了这两种标准，其它的标准均可由此而导出。在实际应用中，电阻量标准是由标准电阻器保存和维持的，所以用于比较标准电阻量值的测量仪器十分重要。

1980年，德国的冯克里青教授发现了量子化霍尔效应，量子化霍尔效应是指在强磁场及超低温的条件下，半导体器件中的二维电子气可以完全量子化，此时的霍尔电阻为

$R_H=\frac{h}{{\mathrm{ie}}^2}$               i＝1，2，3...                (1)

此处h为普朗克常数，e为基本电荷电量，i为正整数。

式(1)的一个重要特点是量子化后的霍尔电阻R_H只与基本物理常数h及e有关，与器件的材料及其它外界条件均无关。这是一种很理想的情况。人们可以据此复现电阻单位，不受地点、时间的限制。因此从发现之日起，各国的标准实验室投入了较大力量来建立此种“量子电阻基准”，并迅速取得了成果。

在满足完全量子化的条件下，量子化霍尔效应对应的平台区的霍尔电阻的数值只取决于恒量h/e²。这个恒量由基本物理常数组成，原则上不会变化，用于复现电阻单位是很理想的。在使用GaAs-Al_XGa_1-XAs异质结器件时，与第一个和第二个自然的朗道次能带之间的间隙对应的是i＝2的平台处的量子化霍尔电阻值为

R_H＝h/(2e²)＝25812.807Ω＝12906.4035Ω                 (2)

这是一个由第18次CCE会议建议，并得到第77届国际计量委员会的批准后从1990年1月1日起在世界范围内启用的量子化霍尔电阻基准的国际推荐值。各个已建成量子化霍尔电阻实验装置的国家实验室均已根据式(2)建立起了自己的量子电阻基准。

要利用式(2)建立准确的可供日常检定工作使用的十进制电阻基准，要克服一些测量技术方面的困难。首先，式(2)给出的是个非整数值，要用特殊的方法才能与通常的十进制电阻进行比较。同时，式(2)作为国际推荐值，实际上已作为无误差常数使用。因此，在测量技术方面需发展一种能高准确度地比较非整数值电阻量值的精密仪器。

传统的能高准确度地比较非整数值电阻量值的精密仪器有两种类型。第一种是用电阻串并联方法来得到非整数电阻量值比例的哈蒙量具法，可以达到10^-8量级的不确定度。80年代不少实验室曾使用这种方法得到了较好的结果。但这种方法使用起来比较繁琐，电阻元件的不稳定性也限制了此种方法准确度的进一步提高，因此近年来已很少使用。第二种方法是90年代发展起来并逐步成熟的低温电流比较仪法，可达到10^-9-10^-10量级。

低温电流比较仪的工作原理如图1所示。180MHz的射频发生器把射频信号馈送到由谐振线圈和电容构成的谐振回路。此谐振回路的中心频率对准射频振荡器的输出频率，谐振回路上的射频信号的幅值由一个检波器检出。射频线圈与单结SQUID回路相耦合，谐振回路的射频信号幅值应该调整到满足使SQUID回路中的磁通略低于一个量子磁通的条件。

图1中，低温电流比较仪初级线圈中的安匝数I₁W₁与次级线圈的安匝数I₂W₂应该相平衡。一旦略有失衡，就会有不平衡信号耦合到检测线圈中。检测线圈与耦合线圈均用超导线绕制，两者连接在一起构成了一个闭合的超导回路。基于超导回路磁链不变原理，检测线圈中的不平衡磁通也会在耦合线圈中感应出相应的磁通，使该闭合超导回路中的总磁通为零。耦合线圈中的磁通又与SQUID回路相耦合，使得SQUID回路中产生相应的电流。当此电流超过SQUID回路中约瑟夫森结的临界电流时，该SQUID回路中的磁通就会跳变一个量子磁通。与此过程相对应，会产生能量损耗。当从射频发生器耦合到谐振回路的射频电流不断变向时，此种能量损耗过程不断反复，导致谐振回路的品质因数Q值降低，谐振回路上的射频信号的幅值也相应减小。换句话说，谐振回路上的射频信号的幅值可以反映出低温电流比较仪的初、次级线圈的安匝数不平衡情况。此射频信号幅值的变化情况由检波器检出后，经滤波、放大等环节后反馈到低温电流比较仪的次级线圈的供电电流源中，构成闭合反馈系统，使低温电流比较仪的初、次级线圈的安匝数保持在平衡状态。因而I₁W₁和I₂W₂之和为零。I₁与I₂之比就等于(-W₂/W₁)。W₁和W₂分别表示初级和次级线圈的匝数，均为正整数，因此I₁与I₂的比例也就成为两个正整数之比，极为准确，这就是低温电流比较仪的基本工作原理。

上述工作原理在国外研制的低温电流比较仪系统中广泛采用，但其中存在一个较大的问题，如图1所示，检波器后面的低通滤波器由RC电路构成，在频率较高时，电阻元件R上存在分布电容，电容元件C中存在分布电感。这些分布参量使得RC电路在高频时不能很好地滤除高频信号。残存的高频信号会通过放大回路窜入低温电流比较仪次级回路中，再经过检测线圈、耦合线圈、SQUID回路等构成了高频信号的闭合反馈回路，使低温电流比较仪系统的工作状态受到干扰，会产生一系列的不稳定现象。因此如何有效地消除高频干扰，成为稳定低温电流比较仪工作状态，减小低温电流比较仪测量误差，提高测量准确度是目前需要解决的技术问题。

发明内容：

本发明为了解决由于现有技术中的检测线圈的骨架用陶瓷、塑料这一类绝缘材料不能滤除高频干扰信号，而此类信号耦合到检测线圈中，形成闭合反馈回路，降低了低温电流比较仪反馈系统的稳定性的技术问题，而研制的一种涡流屏滤波器及其设计方法。

本发明的技术方案是：

一种涡流屏滤波器，所述的涡流屏滤波器设置在低温电流比较仪系统中，用于解决低温电流比较仪系统中的高频干扰的问题；所述涡流屏滤波器包括在低温电流比较仪系统的检测线圈中，所述检测线圈的骨架为导电材质。

在具体的实验中，所述涡流屏滤波器包括导电骨架和骨架外表面上附着的超导线圈，即具体的所述的涡流屏滤波器的导电骨架采用无磁性黄铜材质；所述骨架外表面上附着的超导线圈的材质为焊锡。

一种涡流屏滤波器的设计方法，所述的涡流屏滤波器设置在低温电流比较仪系统中，用于解决低温电流比较仪系统中的高频干扰的问题；所述方法是将低温电流比较仪系统中的检测线圈的骨架设置为黄铜材质导电骨架，解决了因检测线圈的骨架的电导率太低或太高而造成的滤波性能不高的问题。

所述方法包括：

1、制作检测线圈的骨架步骤：采取导电材质制作检测线圈的骨架；

2、涂敷超导层步骤：在导电骨架上涂敷由焊锡层构成的超导层；

3、形成超导检测线圈步骤：在步骤2的超导层上用车刀刻出一条螺旋线。去掉螺旋(纹)线中的超导材料直至在螺旋(纹)线中出现导电骨架，即在导电骨架表面形成了一个薄层型的超导线圈。即在导电骨架涂敷的超导层上用车床刀具刻出一条螺纹状的凹槽，并去掉凹槽中的超导材料部分。这样的做法等效于在骨架表面上覆盖了一个用超导材料做作的薄层型线圈。

所述的涡流屏滤波器的导电骨架采用无磁性黄铜材质；所述骨架外表面上附着的超导线圈的材质为焊锡；即在黄铜骨架表面形成了一个薄层型的焊锡线圈。

当检测线圈的骨架用绝缘材料制成时，由于不存在背景技术中所述的涡流滤波效应，高频信号在系统中乱窜，连接系统各部件的同轴电缆几何位置稍有变化，就会对系统的工作状态产生明显的影响，整个系统很难稳定工作。有时系统中还会发生高频寄生振荡，使系统工作状态失常。当我们把检测线圈的骨架用导电材料制成后，以上所说的不良现象均不会出现，系统很好的稳定工作，达到了较高的技术水平。

附图说明：

图1是低温电流比较仪的工作原理；

图2是导电短路回路中的涡流阻止高频磁通穿入回路中；

图3是检测线圈的骨架采用不导电的高频磁材料后电桥指零仪的输出曲线效果图；

图4是检测线圈的骨架采用无磁性黄铜材料后电桥指零仪的输出曲线效果图。

具体实施方式：

本发明解决了低温电流比较仪系统中的高频干扰的问题。为此先介绍一下短路的导电闭合回路中由于涡流的屏蔽作用而使高频磁通无法侵入回路的概念。

设图2中的短路的导电回路中的电阻为R，电感为L。如果一个外界磁通要穿入回路，则回路中会感应出涡流，抵抗外界磁通的穿入。按照电工学的原理，导电回路的时间常数为τ＝L/R，如果外界磁通是角频率为ω的交变磁通，在ω>>1/τ时，涡流将把交变磁通顶出回路，交变磁通不能穿入回路。

图1中的检测线圈一般需用一个骨架，以便于线圈的绕制。国外实验室制成的低温电流比较仪系统中检测线圈的骨架常用陶瓷、塑料这一类绝缘材料制成。本发明专利提出的方法就是把图1中的检测的骨架改用导电材料制成，这样就可很自然地利用骨架中的涡流滤除高频干扰信号，使得这类信号根本无法耦合到检测线圈中，因此彻底阻断了前述的高频信号的闭合反馈回路，从而大大提高了低温电流比较仪反馈系统的稳定性。看起来这是一个很简单的方法，但效果十分明显。实验表明，当检测线圈的骨架用绝缘材料制成时，由于不存在背景技术中所述的涡流滤波效应，高频信号在系统中乱窜，连接系统各部件的同轴电缆几何位置稍有变化，就会对系统的工作状态产生明显的影响，整个系统很难稳定工作。有时系统中还会发生高频寄生振荡，使系统工作状态失常。当我们把检测线圈的骨架用导电材料制成后，以上所说的不良现象均不会出现，系统很好的稳定工作，达到很好的技术效果。

检测线圈的骨架材料选择是一个很重要的技术问题，这一点主要反映在噪声的频谱特性上。当使用无磁性黄铜制作骨架时，由于黄铜中涡流的作用使高频干扰信号降低了很多，因而使低温电流比较仪的反馈系统更加稳定，也有助于电流跳跃现象的消除。但当用导电性能更为良好的紫铜(在液氦温度下紫铜的电导率要比黄铜高数十倍)制作骨架时，发现系统的低频噪声有所增大，导致测量准确度降低。根据分析，这种现象是由于紫铜骨架中热噪声的低频分量较大所致。用导电材料制成检测线圈骨架形成了一个闭合的导电回路，回路中的电流热噪声的平均能量为1/2kT。k为波尔兹曼常数，T为液氦温度。在频域中，这些电流热噪声能量将均匀地分布在导电回路的通频带中。如果导电回路的通频带比较宽，电流热噪声的低频分量就比较小。而对紫铜骨架的检测线圈来说，在液氦温度下骨架材料的电导率很高，根据计算，由骨架形成的导电回路的通频带不到1赫兹。总量为1/2kT的电流热噪声能量被压缩到这样窄的通频带中，其低频分量自然就比较大。同时，骨架的导电回路中的电流热噪声必然通过检测线圈耦合到SQUID的输入端，其低频分量就会使指零仪输出信号晃动而影响测量准确度。

除了正确选择骨架材料，能否取得较好滤波效果的另一关键技术问题是检测线圈的制作工艺。这是能否取得较好滤波效果的关键。

在图1所示的原理图中，检测线圈只用几圈螺旋线表示。与黄铜骨架之间如何结合并未表示出来。但这也是一个极为重要的问题。如果解决得不好，将大大降低涡流屏滤波器的滤波效果。

现有技术中制作有骨架的线圈的普通方法是在骨架上覆盖一层绝缘材料，再把圆形的线圈绕在绝缘材料上。如果也用这样的方法来使检测线圈和黄铜线圈相结合，涡流屏滤波器的滤波效果将大为降低。这是因为圆形线圈与黄铜骨架之间存在空隙。绝缘材料更加大了这样的空隙。当检测线圈中流过电流时，电流在空隙中也会产生磁通。而且由于空隙中的磁通最靠近检测线圈的导线，磁通密度也最强，因而空隙中的磁通将是在检测线圈的总磁通中占有相当的比例。空隙中的磁通一般就称为漏磁通。而黄铜骨架中的磁通则称为主磁通。漏磁通在各种线圈中都存在，但一般不起主导作用，只是一种伴生的次级现象。但在本发明所述的涡流屏滤波器中，漏磁通会在很大程度上影响滤波效果。这是因为漏磁通和黄铜骨架中的主磁通为相加关系。主磁通中的高频分量由于涡流的滤波作用会得到衰减，但漏磁通是存在于氦气空间中的，不受涡流的影响，高频分量就可以通过漏磁通在检测线圈和耦合线圈之间不受阻碍地相互耦合。也就是说，高频分量可以不通过主磁通而经由漏磁通耦合到后续电子线路中使低温电流比较仪的性能变差。漏磁通在总磁通中所占比例越大，此问题也越严重。

为了尽量减少漏磁通，本发明提出了一种新的检测线圈制作方法。我们先在黄铜骨架外面涂上了一层焊锡。再在车床上用车刀在焊锡层上刻出一条螺旋线。螺旋线中的焊锡一定要全部清除，直到露出黄铜为止。这样，就在黄铜骨架表面形成了一个薄层型的焊锡线圈。由于焊锡也是超导体，黄铜表面的焊锡线圈就可以用作图1中的检测线圈。由于焊锡层很薄，又紧贴在黄铜骨架表面，所以漏磁通被减少到了可忽略的程度。由于漏磁通而引起的检测线圈和耦合线圈之间的寄生耦合问题也就基本上解决了。涡流屏滤波器的滤波效果也得到了充分发挥。

黄铜骨架和检测线圈之间没有绝缘层，黄铜是导电的，会不会对检测线圈中的有用信号产生旁路作用是应当考虑的问题。实际上，检测线圈中的有用信号是一种直流信号。对于直流信号来说，超导的检测线圈的导电率为无穷大，黄铜的导电率则是有限的。因此黄铜不会对检测线圈中的信号产生旁路作用。在别的超导线圈的制作中，这一点也经常被利用。黄铜、紫铜、铝材等导电材料对于超导线圈来说相当于绝缘材料，在超导技术中经常用作层间绝缘，可以增加超导线圈的稳定性，还兼有导热好的特性，起到了比普通绝缘材料更好的效果。

如上所述，检测线圈的骨架的电导率太低(如绝缘材料，其电导率为零)或太高(如紫铜)都不能使低温电流比较仪的整体性能达到最佳。而使用黄铜这样电导率适中的材料则能得到较好的结果。

图3是检测线圈的骨架采用不导电的高频磁材料后电桥指零仪的输出曲线(效果图)，图4是检测线圈的骨架采用无磁性黄铜材料后电桥指零仪的输出曲线(效果图)。通过对比这两张效果图，我们可以发现，当采用无磁性黄铜材料制作检测线圈的骨架后，低温电流比较仪电桥指零仪的跳动缩小了十几倍，整体性能得到明显改善。

Claims (2)

1、一种涡流屏滤波器的设计方法，所述的涡流屏滤波器设置在低温电流比较仪系统中，用于解决低温电流比较仪系统中的高频干扰的问题；

所述方法包括：

(1)制作检测线圈的骨架步骤：采取导电材质制作检测线圈的骨架；

(2)涂敷超导层步骤：在导电骨架上涂敷由焊锡层构成的超导层；

(3)形成超导检测线圈步骤：在步骤2的超导层上刻出一条螺旋线；去掉螺旋线凹槽中的超导材料直至在螺旋线中露出导电骨架材质，即在导电骨架表面形成了一个薄层型的超导线圈。

2、根据权利要求1所述的一种涡流屏滤波器的设计方法，其特征在于：所述的涡流屏滤波器的导电骨架采用无磁性黄铜材质；所述骨架外表面上附着的超导线圈的材质为焊锡；即在黄铜骨架表面形成了一个薄层型的由焊锡层构成的超导线圈。

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