CN101893721B - 宽动态范围高温超导磁力仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽动态范围高温超导磁力仪，由超导量子探头套装在亥姆霍兹线圈中，超导量子探头经液氮杜瓦平、读出电路、数据采集系统、微处理器、恒流源档位选择电路、可调恒流源与亥姆霍兹线圈连接，读出电路经信号处理电路与恒流源档位选择电路连接构成。利用亥姆霍兹线圈产生的标准磁场，部分抵消外界待测磁场，使得抵消后剩余的待测磁场值始终保持在高温超导磁力仪动态范围之内，将抵消掉的磁场值和高温超导磁力仪测量值相加得到实际要测量的磁场值。即不降低高温超导磁力仪的灵敏度和精度，又能提高其动态范围，满足不同测量环境下高温超导磁力仪工作要求，最重要的是适用于高温超导磁力仪在野外电磁干扰较强地段进行地球物理勘探。
Description
技术领域：
本发明涉及一种地球物理磁法勘探的高温超导磁力仪，尤其是宽动态范围高温超导磁力仪。
背景技术：
超导量子干涉器(SQUID)是目前为止灵敏度最高的弱磁测量传感器。利用工作于液氮环境的高温SQUID制成的高温超导磁力仪可用生物磁(如心磁、脑磁)测量、无损探伤、磁法勘探以及军事探潜等领域。现有的用于地球物理磁法勘探的高温超导磁力仪包括SQUID探头、液氮杜瓦瓶、SQUID读出电路、数据采集系统及微处理器。然而这种高温超导磁力仪为了保证较高的灵敏度和精度，动态范围都很小。地球学报，2002，23(2)陈晓东等《.高温超导磁强计的研制及在TEM上的野外试验》.。介绍了一种应用于地球物理勘探领域的高温超导磁强计，其SQUID读出电路中的反馈回路电阻决定了仪器的灵敏度、精度和动态范围，反馈回路电阻值越大，灵敏度和精度越高，仪器动态范围则越小。若通过降低反馈回路电阻值来提高其动态范围，灵敏度和精度则随之下降。一般如灵敏度为300fT的高温超导磁力仪动态范围只有±280nT左右。而在高温超导磁力仪实际应用中，外界电磁场干扰或者被测的磁场值较高，尤其在野外无屏蔽环境下，应用于磁法勘探以寻找矿产资源和研究地质构造时，外界电磁干扰往往超出仪器动态范围，如电力线附近，仅50Hz工频干扰就可达±500nT，从而造成SQUID读出电路失锁而不能正常工作，限制了仪器应用。为了高温超导磁力仪的实用化，常用的措施是采用屏蔽室来屏蔽外界干扰。然而采用高磁导率金属材料建成的屏蔽室价格及其昂贵，并且高温超导磁力仪本身性能并未提高，仅可用于微弱生物磁信号的测量，不适用于野外磁法勘探工作。
发明内容：
本发明的目的就是针对以上现有技术的不足，提供一种适合于野外电磁干扰较强地段地球物理勘探用的宽动态范围高温超导磁力仪。
本发明的设计思想是：利用亥姆霍兹线圈产生一系列标准磁场，用于部分抵消外界较大的待测磁场，使得抵消后剩余的待测磁场值始终保持在高温超导磁力仪动态范围之内。然后将抵消掉的磁场值和高温超导磁力仪测量值相加即得到实际要测量的磁场值。
信号处理电路6与恒流源档位选择电路7相连，恒流源档位选择电路7选择合适的电压档位，决定其后连接的可调恒流源8的电流大小，可调恒流源8连接到亥姆霍兹线圈9上，亥姆霍兹线圈9根据可调恒流源8提供的电流大小产生一个标准磁场，标准磁场方向与外界磁场方向相反，以此抵消掉SQUID探头1测量点处较大的外界磁场。恒流源档位选择电路7另一路同时输出档位状态信号给与其连接的微处理器5，微处理器5得到该档位状态信号，与数据采集系统4输出的高温超导磁力仪测量的磁场值进行运算处理后得到实际测量的磁场值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
宽动态范围高温超导磁力仪，是由超导量子探头1套装在亥姆霍兹线圈9中，超导量子探头1经液氮杜瓦平2、读出电路3、数据采集系统4、微处理器5、恒流源档位选择电路7、可调恒流源8与亥姆霍兹线圈9连接，读出电路3经信号处理电路6与恒流源档位选择电路7连接构成。
本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：
信号处理电路6是由正阈值11经第一比较器12与触发器15连接，信号调理电路10的一路与第一比较器12连接，另一路与第二比较器14连接，负阈值13经第二比较器14与触发器16连接构成。
恒流源档位选择电路7是由加法计数器17和减法计数器分别与数字减法器19连接，数字减法器19经译码器20、模拟开关23与缓冲器24连接，基准电压模块21经电阻网络22与模拟开关23连接构成。
可调恒流源8是由电压/电流转换电路25与误差比较电路26连接构成。误差比较电路26对恒流源控制电压和电压/电流转换电路25输出的恒流值进行比较，得到的误差值反馈到电压/电流转换电路25，使得电压/电流转换电路25输出更为精确和稳定的恒定电流。
有益效果：本发明是在现有的高温超导磁力仪的超导量子探头外套装亥姆霍兹线圈，利用亥姆霍兹线圈产生一系列标准磁场，用于部分抵消外界较大的待测磁场，使得抵消后剩余的待测磁场值始终保持在高温超导磁力仪动态范围之内，然后将抵消掉的磁场值和高温超导磁力仪测量值相加即得到实际要测量的磁场值。为实现这一发明思想，在仪器中增设了自动调整恒流源档位选择电路、信号处理电路和可调恒流源，即不降低高温超导磁力仪的灵敏度和精度，又能提高其动态范围，满足不同测量环境下高温超导磁力仪工作要求，最重要的是适用于高温超导磁力仪在野外电磁干扰较强地段进行地球物理勘探。
附图说明：
附图1宽动态范围高温超导磁力仪的结构框图
附图2为附图1中的信号处理电路6的结构框图
附图3为附图1中的恒流源档位选择电路7的结构框图
附图4为附图1中的可调恒流源8的结构框图
1超导量子探头，2液氮杜瓦瓶，3读出电路，4数据采集系统，5微处理器，6信号处理电路，7恒流源档位选择电路，8可调恒流源，9亥姆霍兹线圈，10信号调理电路，11正阈值，12第一比较器，13负阈值，14第二比较器，15触发器，16触发器，17加法计数器，18减法计数器，19数字减法器，20译码器，21基准电压，22电阻网络，23模拟开关，24缓冲器，25电压/电流转换电路，26误差放大电路。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例做进一步的详细说明：
宽动态范围高温超导磁力仪，是由超导量子探头1套装在亥姆霍兹线圈9中，超导量子探头1经液氮杜瓦平2、读出电路3、数据采集系统4、微处理器5、恒流源档位选择电路7、可调恒流源8与亥姆霍兹线圈9连接，读出电路3经信号处理电路6与恒流源档位选择电路7连接构成。
信号处理电路6是由正阈值11经第一比较器12与触发器15连接，信号调理电路10的一路与第一比较器12连接，另一路与第二比较器14连接，负阈值13经第二比较器14与触发器16连接构成。
恒流源档位选择电路7是由加法计数器17和减法计数器分别与数字减法器19连接，数字减法器19经译码器20、模拟开关23与缓冲器24连接，基准电压模块21经电阻网络22与模拟开关23连接构成。
可调恒流源8是由电压/电流转换电路25与误差比较电路26连接构成。误差比较电路26对恒流源控制电压和电压/电流转换电路25输出的恒流值进行比较，得到的误差值反馈到电压/电流转换电路25，使得电压/电流转换电路25输出的恒流值更为精确和稳定。
信号处理电路6对SQUID读出电路3输出的磁场信号进行前期预处理。预处理的过程包括对磁场信号进行信号调理和运算。设高温超导磁力仪的动态范围为±Bd，若测量点处的外界被测磁场值为±Bm。当Bm＜Bd，即外界磁场没有超过仪器动态范围时，信号处理电路输出为0，无需进行磁场抵消。当Bm＞Bd时，则需要抵消掉的外界磁场值为Bc＝Bm-Bd，信号处理电路6向恒流源档位选择电路7输出控制信号，为了获得更为精确的磁场值，恒流源档位选择电路7的档位Br取正阈值200nT的整数倍，即Br＝(N+1)×200nT，其中N取Bc/200nT的整数，Br与外界磁场Bc的磁场方向相反。恒流源档位选择电路7选定好档位以后，控制可调恒流源8输出恒定电流，使得亥姆霍兹线圈在SQUID探头1处产生的标准磁场为Br。由于该标准磁场与外界磁场方向相反，抵消掉大部分外界磁场，没有抵消的较小的磁场值为Ba＝Bm-|Br|。Ba处于高温超导磁力仪动态范围之内，其值可由高温超导磁力仪测量得到。恒流源档位选择电路7另一路输出Br对应的档位状态信号到微处理器5，微处理器5可以得到亥姆霍兹线圈9在某个时刻抵消掉的外界磁场值。微处理器5将恒流源档位选择电路7提供的档位状态信号与数据采集系统4输出的测量值进行运算处理则可得到实际要测量的外界磁场值。由于本装置抵消了超过高温超导磁力仪动态范围的大部分外界磁场，使得高温超导磁力仪始终工作在其动态范围之内，因此可以使仪器稳定的处于锁定工作状态，这样既保证了仪器的灵敏度和精度，又提高了其测量的动态范围。
图2为图1中信号处理电路框图。SQUID读出电路3输出的磁场信号经过信号调理电路10进行调理，调理后的信号与正阈值11通过比较器12进行比较，同时与负阈值13通过比较器14比较，正阈值11和负阈值13分别为+200nT和-200nT磁场所对应的电压值。若磁场信号大于+200nT则比较器12输出信号，并使得触发器15输出补偿磁场增脉冲信号，若磁场信号小于负阈值-200nT则比较器14输出信号，并使得触发器16输出补偿磁场减脉冲信号。
图3为图1中恒流源档位选择电路。图2中输出的补偿磁场增脉冲和补偿磁场减脉冲信号分别进入加法计数器17和减法计数器18，加法计数器17和减法计数器18与数字减法器19相连，数字减法器19输出档位状态信号，一路输出给微处理器5，另一路输出给译码器20，译码器20连接到模拟开关23，基准电压21连接到电阻网络22，电阻网络22连接到模拟开关23，由译码器20的输出作为模拟开关23的控制信号，基准电压21和经过电阻网络22由模拟开关23输出不同档位的电压值，模拟开关23连接到缓冲器24，由缓冲器24输出恒流源控制电压。
图4为图1中可调恒流源电路框图。缓冲器24输出恒流源控制电压输出到电压/电流转换电路25，输出恒定电流给亥姆霍兹线圈9，使得亥姆霍兹线圈9产生抵消外界磁场的标准磁场。为了保证恒流源输出的电流精度和稳定性，增加了误差放大电路26进行反馈控制。
Claims (4)
1.一种宽动态范围高温超导磁力仪，是由超导量子探头(1)、液氮杜瓦 瓶、读出电路、数据采集系统和微处理器组成，其特征在于，超导量子探头(1)套装在亥姆霍兹线圈(9)中，超导量子探头(1)经液氮杜瓦 瓶(2)、读出电路(3)、数据采集系统(4)、微处理器(5)、恒流源档位选择电路(7)、可调恒流源(8)与亥姆霍兹线圈(9)连接，读出电路(3)经信号处理电路(6)连接恒流源档位选择电路(7)。
2.按照权利要求1所述的宽动态范围高温超导磁力仪，其特征在于，信号处理电路(6)是由正阈值(11)经第一比较器(12)与触发器(15)连接，信号调理电路(10)的一路与第一比较器(12)连接，另一路与第二比较器(14)连接，负阈值(13)经第二比较器(14)与触发器(16)连接构成。
3.按照权利要求1所述的宽动态范围高温超导磁力仪，其特征在于，恒流源档位选择电路(7)是由加法计数器(17)和减法计数器分别与数字减法器(19)连接，数字减法器(19)经译码器(20)、模拟开关(23)与缓冲器(24)连接，基准电压模块(21)经电阻网络(22)与模拟开关(23)连接构成。
4.按照权利要求1所述的宽动态范围高温超导磁力仪，其特征在于，可调恒流源(8)是由电压/电流转换电路(25)与误差比较电路(26)连接构成。
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