CN101923152B - 梯度计等效误差面积系数的室温标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度计等效误差面积系数的标定方法：利用螺线管产生一定频率的均匀磁场，由于误差面积的存在，该磁场在梯度线圈中产生一定频率的电压信号，利用锁相放大原理进行微弱信号的提取，理论计算和实验相结合，实现面积误差系数的标定。基于以上简述，本方法主要包括三个部分：(1)梯度计感应电动势理论计算；(2)实验系统搭建及测量；(3)梯度计等效误差面积系数计算。相对于传统的低温标定方法，本方法基于室温，有效地降低了标定成本，提高了标定效率，为高平衡度梯度计的选择提供了有效的技术途径。

Description

梯度计等效误差面积系数的室温标定方法

技术领域

本发明涉及一种梯度计等效误差面积的标定方法。

背景技术

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是目前已知最灵敏的磁传感器，典型低温超导SQUID的磁场灵敏度为3-5fT/sqrt(Hz)，如此高的灵敏度，使其在生物磁探测和研究方面有广泛的应用【V.Pizzela et al，Supercond.Sci.Technol.14(2001)R79-R114】。

生物磁信号微弱，典型强度低于100pT，而环境磁场的典型强度为30-50μT，为了在如此强的环境磁场中检测信号，需要采取有效的噪声抑制手段。目前，最常使用的噪声抑制方案是梯度计技术，尤其是在非屏蔽环境下【K.Stemickel et al，Supercond.Sci.Technol.19(2006)S160-S171】。梯度计是SQUID进行磁场检测的探测线圈，两个线绕的磁强计反向串接构成一阶梯度计。根据阶数的不同，梯度计可分为一阶、二阶或者更高阶，通常把距离信号源最近的线圈称为接收线圈，远的线圈称为补偿线圈。一阶梯度计能有效地抑制均匀磁场，对磁场的一阶梯度产生响应，依此类推更高阶的梯度计。理想情况下，梯度计对均匀磁场不产生响应。实际制作过程中，由于机械加工、绕制工艺的等误差，梯度计不可避免地存在不平衡性，导致其对均匀磁场也会产生一定的响应，其不平衡响应可等效为一个误差面积，以接收线圈面积为基准，等效误差面积可表示成一个误差系数。

梯度计的不平衡性导致其工作性能降低，特别是在无屏蔽环境下，平衡性差的梯度计信号幅度变化大，容易溢出，因此在实际使用中，需要对梯度计的不平衡性进行标定，以供优化选择。目前，最常使用的标定方法是低温标定法，采用Helmholtz线圈产生均匀场对梯度计的不平衡性进行标定【M.A.Nordahn et al，Supercond.Sci.Technol.12(1999)946-948】。此方法虽然有效，但标定成本高，效率低，探寻优化的标定方法显得尤为必要。

发明内容

本发明是一种超导梯度计等效误差面积的标定方法，与传统不同，本标定方法是在室温下利用螺线管产生一定频率的均匀磁场，由于误差面积的存在，该磁场在梯度线圈中产生一定频率的电压信号，利用锁相放大原理进行微弱信号的提取，理论计算和实验相结合，实现面积误差系数的标定。

具体地说，本发明所述的室温标定方法包括以下三部分：

(1)梯度计感应电动势理论计算

给定一定频率ω的正弦信号，螺线管中的磁场可表示为

B＝B₀·e^-jωt＝μ₀nI₀·e^-jωt

其中μ₀为真空中的磁导率，n为单位长度螺线管的匝数，I₀为螺线管中的电流。

根据梯度计的误差面积ΔS，均匀磁场下的总磁通为

Ф＝B·ΔS＝B₀·ΔS·e^-jωt

根据Faraday定理，采用螺线管作为均匀磁场源，梯度计线圈的感应电动势为

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\ω}\·B\·\mathrm{\ΔS}=\mathrm{\ω}\·B_0\·{\mathrm{\ΔS}\·e}^{-\mathrm{j\ωt}}$

(2)测试系统搭建及测量

利用信号发生器、驱动电路、螺线管、梯度计、示波器及锁相放大器搭建标定测试系统，其中示波器监测螺线管电流，锁相放大器检测梯度计输出信号。在一定的频率下，改变信号幅度，记录相应示波器及锁相放大器的电压信号。

(3)电压线性拟合和梯度计等效误差面积系数计算

根据测量的示波器检测电压V_m和锁相放大器电压V_L，线性拟合以确定两电压的系数关系

V_L＝aV_m+b

其中a为直线斜率，b为偏移量。

利用理论计算的感应电动势和监控电压对应的电阻R_m，得

$V_L={\mathrm{\ω\μ}}_{0}n\frac{V_m}{R_m}\·\mathrm{\ΔS}$ $a=\mathrm{\ω}\·\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}n}{R_m}\·\mathrm{\ΔS}$

由此可得等效误差面积

$\mathrm{\ΔS}=\frac{R_{m}a}{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{n\ω}}$

已知梯度计探测线圈的面积S，可计算等效误差面积系数

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\ΔS}}{S}=\frac{R_{m}a}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{n\ωS}}$

在(2)中，梯度计引出线采用交叉双绞线结构，避免误差磁通，此措施可保证本征误差磁通可忽略不计。

本发明与现有技术相比，其显著优点是本发明在室温下进行，操作方便，有效地降低了标定成本，提高了效率，为高平衡度梯度计的选择提供了有效技术途径，保证了梯度计的及时选择。

附图说明

图1是SQUID接收线圈示意图；图中1为磁强计；2为一阶梯度计；3为二阶梯度计。

图2是标定的测试系统连接示意图；图中4为信号发生器；5为恒压源驱动电路；6为螺线管；7为梯度计；8为示波器；9为锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著进步。

1、已知螺线管6的固定参数n及真空磁导率μ₀，给定一定频率ω的电流，计算螺线管轴向方向均匀磁场强度B₀，设定一误差面积ΔS，根据均匀磁场计算梯度计7的感应电动势ε。

2、依图2所示，信号发生器4与恒压源驱动电路5相连接，恒压源驱动电路的输出端又分别与螺线管6和示波器8相连接。梯度计7的位置置于螺线管6的轴向中心位置，以保证梯度计7及螺线管6的轴向方向一致。信号发生器4输入一定频率ω的电压信号到恒压源驱动电路5，驱动螺线管6产生相应频率的均匀磁场，用示波器8监控螺线管支路参考电阻R_m的电压V_m。以信号发生器4输出信号为锁相放大器9的参考信号，采用锁相放大器9检测梯度计7的感应电压信号V_L。测量过程中，在一定的频率下，改变信号发生器的电压，测量一组监控电压V_m及锁相电压值V_L。使用梯度计如图1中一阶梯度计或二阶梯度计。

3、以固定电阻监控电压信号V_m为横轴，锁相放大器电压信号V_L为纵轴，进行线性拟合，得出线性斜率a，设定一等效误差面积ΔS，利用等效误差面积计算公式，即可定量求得ΔS。以探测线圈面积S为基准，可实现等效误差面积系数η的标定。

Claims (3)

1.一种梯度计等效误差面积系数的标定方法，其特征在于在室温下利用螺线管产生一定频率的均匀磁场，该磁场在梯度线圈中产生一定频率的电压信号，利用锁相放大原理进行微弱信号的提取，理论计算和实验相结合，实现面积误差系数的标定；

所述的标定方法包括以下三个部分，(1)梯度计感应电动势理论计算；(2)测试系统搭建及测量；(3)电压线性拟合的梯度计等效误差面积系数计算；

其中，在(1)中，以螺线管作为均匀磁场源，利用电磁感应进行输出信号计算，梯度计线圈的感应电动势ε表示为

ε＝ω·μ_onI_o·ΔS·e^-jωt

式中ω为给定一定频率的正弦信号的频率，μ_o为真空中磁导率，n为单位长度螺线管的匝数，I_o为螺线管中的电流；ΔS为梯度计等效误差面积；

在(2)中，利用信号发生器、驱动电路、螺线管、梯度计、示波器及锁相放大器搭建标定测试系统，其中示波器监测螺线管电流，利用锁相放大器检测梯度计输出信号；在一定的频率下，改变信号幅度，记录相应示波器及锁相放大器的电压信号；

在(3)中，梯度计等效误差面积系数计算

首先，根据测量的示波器监控螺线管支路参考电阻Rm的电压V_m和锁相放大器检测梯度计的感应电压信号V_L，线性拟合以确定两电压的系数关系

V_L＝aV_m+b

其中a为直线斜率，b为偏移量；

②利用理论计算的感应电动势和监控电压对应的电阻R_m，得

等效误差面积为

③已知梯度计探测线圈的面积S，计算等效误差面积系数 

在标定测试系统中梯度计置于螺线管的轴向中心位置，使螺线管和梯度计的轴向方向一致，信号发生器与恒压源驱动电路相连接，恒压源驱动电路又分别与螺线管连接和示波器连接，输入一定频率ω的电压信号到恒压源驱动电路中，驱动螺线管产生相应的均匀磁场；示波器监控螺线管支路参考电阻R_m的电压V_m；以信号发生器输出信号为锁相放大器的参考信号，采用锁相放大器检测梯度计的感应电压信号V_L；测量过程中，在一定的频率下，改变信号发生器的电压，测量一组监控电压V_m及锁相放大器检测梯度计的感应电压信号V_L。

2.按权利要求1所述的标定方法，其特征在于所述的电压线性拟合是以固定电阻监控电压信号V_m为横轴，锁相放大器检测梯度计的感应电压信号V_L为纵轴，进行线性拟合，得出线性斜率a。

3.按权利要求1所述的标定方法，其特征在于梯度计的引线采用交叉双绞线结构。 

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