CN102288999B - 高温超导弱磁测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种高温超导弱磁测量传感器，包括高温超导器件和锁相闭环电路，锁相闭环电路由定向耦合器、高频放大器、混频器、低频放大器、高频振荡器、射频信号衰减器，积分器、反馈电路组成，其中：高温超导器件的输出经定向耦合器送至高频放大器；高频放大器、混频器、低频放大器、积分器依次串联连接；高频振荡器的输出分为两路，一路接混频器的输入，另一路经射频信号衰减器衰减后接定向耦合器；积分器的输出经反馈电路反馈至定向耦合器。本发明具有高摆率、低噪声、高灵敏度、高稳定性、高抗干扰能力，满足用于地球物理电磁法测量微弱磁场的需要。

Description

高温超导弱磁测量传感器

技术领域

本发明涉及一种高温超导弱磁测量传感器，属于高温超导技术应用于地球物理测量弱磁信号领域。

背景技术

二十世纪八十年代初，用于大地电磁测深的低温超导磁强计使用低温超导技术，这种低温超导磁强计中的超导元件必须在绝对温度4K下工作。为提供这种温度条件，使用了液氦。而液氦资源在自然界匮乏且昂贵，低温技术复杂，不能普遍使用。高温超导材料的研制成功，使得超导元件工作温度大大提高。钇钡铜氧超导材料只需绝对温度77K就可工作。而这个温度用液氮就可实现。氮在自然界资源极为丰富，空气中78％为氮气，且液氮的制作条件很容易实现，制造成本低廉，只是液氦价格的数百分之一，它被广泛应用。

在地球物理电磁法中，传统测量磁场是用感应线圈作为测磁传感器。由于感应线圈的灵敏度随接收信号的频率而变化，在低频段灵敏度很低，而低频段恰恰是反映地球深部的信息。因此传统感应线圈法测量的低频信号信噪比低。而高温超导弱磁测量传感器用高温超导量子干涉器作为磁场强度传感器，对磁场非常敏感，它的灵敏度高而且频带宽，在各频段灵敏度恒定，低频响应好。在地球物理电磁法弱磁信号测量中，可提高低频信号的信噪比，使测量更准确，提高勘探深度。

发明内容

鉴于上述背景，本发明的目的是提供一种在地球物理电磁法中使用的高温超导弱磁测量传感器。此传感器具有高摆率、低噪声、高灵敏度、高稳定性、高抗干扰能力。满足用于地球物理电磁法测量微弱磁场的需要。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高温超导弱磁测量传感器，包括高温超导器件和锁相闭环电路，高温超导器件作为接收被测磁场的传感器，将接收到的外磁场信号送至锁相闭环电路，其特征在于：

锁相闭环电路由定向耦合器、高频放大器、混频器、低频放大器、高频振荡器、射频信号衰减器，积分器、反馈电路组成，其中：

高温超导器件的输出经定向耦合器送至高频放大器；

高频放大器、混频器、低频放大器、积分器依次串联连接；

高频振荡器的输出分为两路，一路接混频器的输入，另一路经射频信号衰减器衰减后接定向耦合器；

积分器的输出经反馈电路反馈至定向耦合器。

进一步地：

高温超导器件采用带共面谐振器的高温超导射频量子干涉器，在整个锁相闭环电路中作为指零器使用。

高温超导射频量子干涉器的偏置信号频率为0.3GHz到1GHz，并使用变频方式配谐。

高频放大器由由三级高频放大器交流耦合级联而成。

射频信号衰减器由固定衰减器和可调衰减器相结合组成。

高温超导射频量子干涉器与高频放大器之间采用同轴屏蔽电缆连接，定向耦合器、高频放大器、混频器装在一个磁屏蔽盒中，高频振荡器、射频信号衰减器、高频放大器的各级之间均加屏蔽盒。

锁相闭环电路制作在双面电路印刷版上，各元器件、线条和焊点放在双面电路印刷版的同一面上，另一面全部保留作为大面地。

本发明的有益效果是：

具有高摆率、低噪声、高灵敏度、高稳定性、高抗干扰能力，满足用于地球物理电磁法测量微弱磁场的需要。

附图说明

图1为高温超导磁强计的原理框图；

图2为射频信号衰减器原理图；

图3为高频放大器的原理图；

图4为低频电路原理图。

具体实施方式

本发明提供了一种高温超导弱磁测量传感器，包括图1所示的高温超导器件和锁相闭环电路，高温超导器件作为接收被测磁场的传感器，将接收到的外磁场信号送至锁相闭环电路。

该锁相闭环电路由定向耦合器、高频放大器、混频器、低频放大器、高频振荡器、射频信号衰减器，积分器、反馈电路组成。其中：高温超导器件的输出经定向耦合器送至高频放大器；高频放大器、混频器、低频放大器、积分器依次串联连接；高频振荡器的输出分为两路，一路接混频器的输入，另一路经射频信号衰减器衰减后接定向耦合器；积分器的输出经反馈电路反馈至定向耦合器。

高温超导器件采用带共面谐振器的高温超导射频量子干涉器作为测量磁场的传感器探头，在整个锁相闭环电路中作为指零器使用。高温超导射频量子干涉器的偏置信号频率为0.3GHz到1GHz，并使用变频方式配谐。根据电压调制深度和磁通灵敏度的关系对超导量子干涉器选择合适的载波频率。一般为100MHz以上，选择载波电流频率为：0.3GHz到1GHz。

为隔离上行和下行的射频信号，在高温超射频导量子干涉器和高频放大器之间使用定向耦合器。

为使射频信号振荡器的输出功率适应不同的高温超导射频量子干涉器对信号的要求，使用一个固定的衰减器和一个可调的衰减器组合，作为射频信号衰减器。使其既能保证衰减幅度，又能保证可调的变化范围。

高频放大器由由三级高频放大器交流耦合级联而成。

为提高检波效率，且检出信号相位，降低对高频放大器增益要求，使用双平衡混频器对调制信号检波。

供给高温超导射频量子干涉器的射频偏置信号与混频器的高频本振信号使用同一射频信号振荡器作为振荡源，并同步。振荡源采用压控振荡器，调整其电压获得不同频率，以适应不同高温超射频导量子干涉器器件的工作。

采用低噪声、宽频带的运算放大器作为低频放大器。用积分器滤去混频器混频后的高频信号。

锁相闭环电路制作在双面电路印刷版上，考虑印刷电路板材料的介电常数，高频损耗及印制线路间的分布电容，选用聚氟乙烯双面敷铜板作为高频电路印刷版。其铜箔厚度为35μm，绝缘物厚度0.93mm，介电常数为2.7。为降低线路阻抗，防止线间的噪声耦合，采用大平面接地：电路中的各元器件、线条和焊点放在同一面；而另一面全部保留作为大面地。

本发明采用以下严格的屏蔽措施：

由定向耦合器、高频放大器、混频器组成高温超导磁强计的高频前置放大器，是一个宽频带、高增益、低噪声、小信号高频放大器。它们作为一个单独的部件设置于距超导探头较近的位置。

高温超射频导量子干涉器与高频前置放大器之间采用50Ω同轴屏蔽电缆连接；整个高频前置放大器电路被屏蔽在一个特制的铝合金屏蔽装置中，该装置除盒盖外无任何缝隙。为避免高频前置放大器各部分之间的串扰，高频电路的振荡器，衰减器、高频放大器的各级之间均加屏蔽盒。

使用定向耦合器。用以隔离上行和下行的射频信号。只使用一根电缆将高温超射频导量子干涉器中的谐振回路与高频前置放大器连接，实现把射频信号注入到与高温超射频导量子干涉器耦合的谐振回路中，同时把该谐振回路中被调制的外磁场信号传输到高频前置放大器中。标有RFIN的一端与高温超射频导量子干涉器的谐振回路相连，标有RFOUT的一端与高频放大器相连，而标有CPL的一端与射频信号源相连。

本发明系统设计为适合野外测试使用。高温超射频导量子干涉器放置在一个非导磁材料且耐低温的杆状探头中，工作时该探头放置在装有液氮的特制无磁杜瓦中，高频前置放大器作为单独的部件设置于距超导探头较近的位置。系统的其余电子线路构成仪器的主机，仪器面板上安装有各种插头、开关、调整旋钮、及指示表和指示灯。

本发明高温超导弱磁测量传感器的工作原理：当有外磁场变化通过超导环时，加到与高温超导量子干涉器耦合谐振回路上的高频信号被调制，被调制的信号经高频放大器放大后，送入混频器检波解调，经积分器积分后，得到一个与磁通变化量成比例关系的电压值，这个电压值经过反馈电路电压-电流转换后反馈到与超导环耦合的线圈上，在超导环内产生一个与外磁通变化量大小相等、方向相反的磁通，这样使超导环内的磁通变化为零。积分器输出的这个电压值就反应了通过超导环的磁通变化量的大小，超导环的面积已知，就可对应得到磁场值。

下面介绍部分单元电路。

如图2，压控振荡器POS1025输出信号经GSE固定衰减器衰减20dB，经过R5和R6组成的电路衰减，再经过由二极管D1和D2组成的可调衰减器，使POS1025输出信号衰减到-70dBm以上。并把此信号接到定向耦合器的标有CPL的一端，此信号注入到超导量子干涉器中。同时压控振荡器POS1025输出信号还直接接到混频器的本振端。

使用双平衡混频器TFM-2，工作频率DC-1000MHz，本振激励电平7dBm，高频放大器的增益大于45dB。

如图3，高频放大器为三级放大。第一级A1采用的三极管为西门子公司生产的BFT66，工作在共发射极状态，通过改变基极的电阻改变静态工作点，以获得高增益、低噪声。第二级A2采用MAR-6固定增益放大器。第三级A3采用RF-2301高隔离、固定增益隔离放大器，隔离混频器本振信号沿放大器向前端的串扰。三级总增益约55dB，带宽约500MHz，折合到输入端的噪声小于

当有磁场通过高温超导量子干涉器超导环时，加在超导环上的高频信号被调制，被调制的高频信号通过定向耦合器的输出端把信号加到高频放大器的第一级，经过第一级放大的信号再经过第二、第三级的放大，放大的信号加到混频器的输入端，在这里与压控振荡器POS1025输出信号进行同步检波。混频器输出的低频信号送入低频电路。

选用低噪声、宽频带的运算放大器op07作为低频放大；对积分器选择合适的积分常数(900s)。如图4，低频电路包括两级放大器和一级积分器。A4和R13、R14、R15组成第一级低频放大器；A5和R16、R17、R19、R20、R21、R22组成第二级低频放大器，R19、R20、R21可以调整信号的直流电平；A6与R23、R24、C13组成积分器。

送入低频电路的信号，经过两级放大，再经积分器积分以后，一路通过A7输出，一路送入由A9组成的反馈电路，经A9一比一反向放大后的输出电压信号反馈到高温超导器件的输入端，这个电压信号被高温超导器件内的线圈转换成一个与外磁场大小相等、方向相反的磁场，抵消通过超导环的磁场，这个反馈量就是积分器的输出，代表了磁场的大小。

A8是三角波振荡器，输出200Hz的三角波。此信号在调试高温超导量子干涉器工作状态时注入一个已知的磁场信号。

上述的实施例并不对本发明所要求的保护范围构成任何形式的限制，本发明的权利要求书覆盖了所有的修改和变更，因此，针对上述实施例做出种种修改和变化均属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高温超导弱磁测量传感器，包括高温超导器件和锁相闭环电路，高温超导器件作为接收被测磁场的传感器，将接收到的外磁场信号送至锁相闭环电路，其特征在于：

锁相闭环电路由定向耦合器、高频放大器、混频器、低频放大器、高频振荡器、射频信号衰减器，积分器、反馈电路组成，其中：

高温超导器件的输出经定向耦合器送至高频放大器；

高频放大器、混频器、低频放大器、积分器依次串联连接；

高频振荡器的输出分为两路，一路接混频器的输入，另一路经射频信号衰减器衰减后接定向耦合器；

积分器的输出经反馈电路反馈至定向耦合器；

高温超导器件采用带共面谐振器的高温超导射频量子干涉器，在整个锁相闭环电路中作为指零器使用。

2.如权利要求1所述的高温超导弱磁测量传感器，其特征在于：

高温超导射频量子干涉器的偏置信号频率为0.3GHz到1GHz，并使用变频方式配谐。

3.如权利要求1-2之一所述的高温超导弱磁测量传感器，其特征在于：

高频放大器由由三级高频放大器交流耦合级联而成。

4.如权利要求1-2之一所述的高温超导弱磁测量传感器，其特征在于：

射频信号衰减器由固定衰减器和可调衰减器相结合组成。

5.如权利要求1-2之一所述的高温超导弱磁测量传感器，其特征在于：

高温超导射频量子干涉器与高频放大器之间采用同轴屏蔽电缆连接，定向耦合器、高频放大器、混频器装在一个磁屏蔽盒中，高频振荡器、射频信号衰减器、高频放大器的各级之间均加屏蔽盒。

6.如权利要求5所述的高温超导弱磁测量传感器，其特征在于：

锁相闭环电路制作在双面电路印刷版上，各元器件、线条和焊点放在双面电路印刷版的同一面上，另一面全部保留作为大面地。

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