CN102353911A - 基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，该方法包括：由第二积分器、低通滤波器、第二反馈电阻和反馈线圈构成的第二反馈支路和基于该支路形成的第二磁通锁定环路，实现环境磁场低频扰动补偿。基于该方法构建的超导磁传感器可同时实现对环境场的高通响应频率特性和对电路噪声的低通响应频率特性，保证在不影响微弱信号测量的前提条件下，抑制环境场扰动对SQUID磁测量的影响，避免溢出现象发生。该方法基于超导磁传感器，适用于待测磁场信号频率高于环境场扰动频段(直流-30Hz)的应用环境。

Description

基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法
技术领域
本发明涉及基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，更确切地说提供一种基于超导磁传感器(SQUID-超导量子干涉器件)的环境场下高灵敏度磁测量实现方法，尤其是具有低通特性的第二反馈支路。
背景技术
超导磁传感器SQUID(灵敏度可达10-15T)可用于测量微弱磁场信号，然而环境场的低频扰动(频率低于30Hz，可达10-6T量级)会使超导磁传感器动态范围面临巨大挑战(140dB以上)，超过了一般技术手段能够实现的动态范围极限。为充分发挥超导磁传感器的高灵敏度优势，超导磁传感器一般位于磁屏蔽室等屏蔽装置中。
专利CN200610091670.4提供了一种被动式的磁场屏蔽装置。该发明在具有开口部的磁场屏蔽装置(例如，带有门的圆筒形磁场屏蔽装置)中，将覆盖开口部的门和主体电连接或磁连接，或者，同时电连接和磁连接。改进后，可以提高磁场屏蔽装置磁场屏蔽系数，根据本发明的磁场计测装置，能够有效提高信噪比，并成功获得检查对象发出的生物磁场(典型强度：1pT)。
上述方法采用被动屏蔽实现对环境磁场扰动的补偿，屏蔽体内部或补偿中心的磁测量可以不受环境场扰动的影响。但在某些特定应用场合(例如地球物理、通信等)，磁信号源距离超导磁传感器较远，待测磁场信号夹杂在环境场中，采用屏蔽装置的方法不再适用。因此需要一种强环境场干扰下的高灵敏度超导磁测量实现方法。
专利CN201010228159公布了一种基于空间相关性的磁场主动补偿系统和方法，该系统利用磁通门和参考亥姆霍兹线圈处的环境波动反馈到测量亥姆霍兹线圈，实现该线圈内三轴环境磁场的动态补偿。本发明还公开了三种使用该系统的补偿方法，包括：(1)比例型磁场动态补偿方法；(2)串联积分型磁场动态补偿方法；(3)并联积分型磁场动态补偿方法。该方法能够获得很好的动态补偿效果，环境磁场扰动可由500nT降低到10nT左右，可以应用于磁源位于屏蔽体外部的应用领域。
上述提供的主动补偿方法可以应用于磁信号源距离超导磁传感器较远的领域，但补偿装置所占空间大，移动不便；同时，反馈电路也将引入电路噪声，容易通过反馈线圈向磁传感器反馈噪声，从而导致磁测量灵敏度下降，。
本申请的发明人拟将提供一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，装置结构简单，可以在抑制环境场扰动的同时，实现高灵敏度磁测量。
发明内容
本发明的目的在于提供基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，所提供的基于SQUID构建结构简单装置，实现环境场扰动补偿，进而实现环境场下的高灵敏度磁场测量。本发明的核心思想是具有频率选通特性的环境场扰动反馈补偿。
本发明提供的高灵敏度磁测量装置结构是：
SQUID(1)连接前置放大器(2)，前置放大器(2)的输出分别连接第一积分器(3)和单刀双掷开关S3的输入端a，第一积分器(3)的输出连接到单刀双掷开关S3的输入端b，单刀双掷开关S3的输出端连接第一反馈电阻(4)和第二积分器(5)，第二积分器积分器(5)连接低通滤波器(6)，低通滤波器(6)连接第二反馈电阻(7)，第一反馈电阻(4)和第二反馈电阻(7)通过开关S1和S2连接反馈线圈(8)，反馈线圈(8)是一个线绕空心线圈，一般3-10匝左右，反馈线圈(8)与SQUID(1)存在互感耦合，将反馈电信号转换为反馈磁通。
由本发明提供的基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置的结构中，由SQUID(1)、前置放大器(2)、第一积分器(3)、第一反馈电阻(4)和反馈线圈(8)构成常用的SQUID磁通锁定读出电路构型。信号流向为(1)→(2)→(3)→(4)→(7)→(1)，并组成一个闭环，即磁通锁定环，通过磁通锁定环，SQUID磁通被锁定在工作点附近，外磁场信息由第一反馈电阻(4)输出点a给出。基于该磁通锁定环，本发明加入了第二积分器(5)和低通滤波器(6)，低通滤波器(6)连接第二反馈电阻(7)构成了第二路反馈环，该环路的信号流向为(1)→(2)→(3)→(5)→(6)→(7)→(8)→(1)，第二磁通锁定环主要实现低噪声环境场扰动补偿。
在具有频率选通特性的第二反馈支路中，第二反馈支路包括第二积分器(5)，低通滤波器(6)和第二反馈电阻(7)和反馈线圈(8)，第二反馈支路具有低通频率特性；
在第二磁通锁定环反馈补偿环境场低频扰动中，具有频率选通功能的第二磁通锁定环实现对环境场低频扰动的反馈补偿，包括对环境场扰动的高通响应(可抑制环境场扰动)和对工作频段内电路噪声的低通响应(可抑制工作频段内电路噪声)。
本发明提供的一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，适用于待测磁场信号频率高于环境场扰动频段(直流-30Hz)的应用环境。所述的方法包括：由第二积分器、低通滤波器、第二反馈电阻和反馈线圈构成的第二反馈支路和基于该支路形成的第二磁通锁定环路，实现环境磁场低频扰动补偿。基于该方法构建的超导磁传感器可同时实现对环境场的高通响应频率特性和对电路噪声的低通响应频率特性，保证在不影响微弱信号测量的前提条件下，抑制环境场扰动对SQUID磁测量的影响，避免溢出现象发生。(详见具体实施方式)
由此可见，本发明可实现环境场低频扰动抑制，并保证工作频段内的高灵敏度磁场测量，所涉及的第二反馈支路结构简单，可直接嵌入传统超导读出电路中，易于推广。
附图说明
图1是本发明提供的高灵敏度磁测量装置示意图。图中，1.SQUID、2.前置放大器、3.第一积分器、4.第一反馈电阻、5.第二积分器、6.低通滤波器、7.第二反馈电阻、8.反馈线圈，以及切换开关S1和S2，单刀双掷开关S3。
图2是采用磁传感器实际测量的环境场频谱图。
图3给出了采用磁场补偿传感器对磁场信号(a)和电路噪声(b)的不同的通频带特性。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明实质性特点和显著的进步。
如图1所示，本发明提供的磁测量装置中SQUID 1连接前置放大器2，前置放大器2的输出分别连接第一积分器3和单刀双掷开关S3的输入端，第一积分器3的输出连接到单刀双掷开关S3的另一输入端，单刀双掷开关S3的输出端连接第一反馈电阻4和第二积分器5，第二积分器5连接低通滤波器6，低通滤波器6连接第二反馈电阻7，第一反馈电阻4和第二反馈电阻7通过开关S1和S2连接反馈线圈8，反馈线圈8与SQUID 1存在互感耦合。
利用图1所示的装置，实现磁测量的具体步骤是：
(i)开环参数调整
该步骤主要针对SQUID工作点调整。在该模式下，开关S1和S2均断开，S3开关接通触点a，电路工作在开环状态。外磁通信号通过反馈线圈8在SQUID 1中产生低频调制磁通，不断调整SQUID工作参数(偏置电流、放大器增益等参数)并观测电路第一反馈电阻4两端输出a的磁通调制信号，当输出a的磁通调制信号幅度达到最大时，调整结束。
(ii)第一磁通锁定环锁定读出磁场信息
闭合开关S1，S3接通触点b，电路构型为传统磁通锁定环路，这里称为第一磁通锁定环。SQUID 1感应环境磁场变化，经过前置放大器2和第一积分器3积分后，通过第一反馈电阻4输入反馈线圈8并形成反馈磁通信号，该反馈磁通将抵消SQUID 1环外界磁通变化，将SQUID 1磁通锁定在工作点处，第一反馈电阻4两端电压(输出a)反映外界磁通变化。前置放大器2的增益一般为80-100dB；对第一积分器时间常数进行调整可实现第一磁通锁定环带宽覆盖工作频段(例如3kHz)；为保证电路噪声不通过反馈线圈耦合到SQUID中，第一反馈电阻的阻值一般介于5k-100k。
第一磁通锁定环路磁场响应频率范围覆盖低频(30Hz以下)和高频段(30Hz以上)，当环境场扰动大于第一磁通锁定环路所能补偿的范围时，第一磁通锁定环将发生溢出，超导磁传感器无法正常工作。附图1给出了环境磁通频谱分析图，从图上可以看出，环境场的低频扰动(30Hz以下)幅度可达10-7T～10-6T量级，远大于1kHz附近的环境场干扰幅度。
(iii)第二磁通锁定环实现频率选通反馈补偿
当环境场扰动导致读出电路溢出时，同时闭合开关S1和S2，开关S3位于触点b，第二反馈支路接入，并产生了第二磁通锁定环。第二反馈支路的工作过程为：第二积分器5对第一磁通锁定环路的输出进行再次第二次积分，第二积分器时间常数应相对较大，以确保第二反馈支路带宽远小于工作频率。其输出经过低通滤波器和第二反馈电阻后送入反馈线圈，产生第二反馈磁通，形成第二磁通锁定环路。第二磁通锁定环路主要实现将环境场低频扰动信号积分并反馈抵消环境场低频磁通变化，输出1包含的外磁场信号不再包含环境场低频扰动，确保超导磁传感器不再出现溢出的现象。为确保第二反馈支路产生的反馈磁通可补偿大幅度环境场低频扰动，第二反馈电阻的阻值要比第一反馈电阻的阻值小，两个电阻的比值应满足：R1/R2＞Btm/B1m，其中R1为第一反馈电阻，R2为第二反馈电阻，Btm为外磁场最大变化幅度，B1m为第一磁通反馈支路最大锁定输出电压对应的磁场此时，第二反馈电阻(7)的输出2为低频环境磁场信息(磁场扰动)。第二反馈电阻较小将导致第二反馈支路电路噪声引入反馈磁通并产生反馈磁通噪声。本发明采用低通滤波器6对第二反馈支路送入反馈线圈8的信号进行低通滤波，滤除工作频段内的电路噪声，并避免工作频段内待测信号通过第二反馈支路反馈，影响输出1待测信号幅度和相位。
第一磁通锁定环和第二磁通锁定环结合，使超导磁传感器在实现对工作频段内外磁场信号拾取的同时，对环境场扰动不敏感，显著降低了超导磁传感器的动态范围需求。附图3给出了加入第二磁通锁定环实现频率选通反馈补偿后的超导磁传感器传输特性，左图是超导磁传感器对外界磁场的频率响应示意图，进行频率选通反馈补偿后的超导磁传感器具有高通特性，超导磁传感器对环境场扰动不敏感。右图是超导传感器输出对电路噪声的频率响应特性，由于低通滤波器的存在，工作频段内的电路噪声得到抑制。

Claims (7)

1.一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置，SQUID(1)连接前置放大器(2)，前置放大器(2)的输出分别连接第一积分器(3)和单刀双掷开关S3的输入端，第一积分器(3)的输出连接到单刀双掷开关S3的另一输入端，其特征在于单刀双掷开关S3的输出端连接第一反馈电阻(4)和第二积分器(5)，第二积分器积分器(5)连接低通滤波器(6)，低通滤波器(6)连接第二反馈电阻(7)，第一反馈电阻(4)和第二反馈电阻(7)通过开关S1和S2连接反馈线圈(8)，反馈线圈(8)与SQUID(1)互感耦合。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于：
①所述的装置结构中由SQUID(1)、前置放大器(2)、第一积分器(3)、第一反馈电阻(4)和反馈线圈(8)构成常用的SQUID磁通锁定读出电路构型；信号流向为(1)→(2)→(3)→(4)→(7)→(1)，并组成一个闭环，即磁通锁定环，通过该环，SQUID磁通被锁定在工作点附近，外磁场信息由第一反馈电阻(4)输出a给出；
②低通滤波器(6)连接第二反馈电阻(7)构成了第二路反馈环，该环路的信号流向为(1)→(2)→(3)→(5)→(6)→(7)→(8)→(1)，以实现低噪声环境场扰动补偿。
3.按权利要求2所述的装置，其特征在于：
(a)前置放大器(2)的增益为80-100dB；
(b)①中所述的磁通锁定环带宽覆盖的工作频段为3kHz；
(c)第一反馈电阻的电阻值介于5k-100k之间。
4.利用按权利要求1所述的装置实现高灵敏度磁测量的方法，其特征在于所述的方法包括：由第二积分器、低通滤波器、第二反馈电阻和反馈线圈构成的第二反馈支路和基于该支路形成的第二磁通锁定环路，实现环境磁场低频扰动补偿；基于该方法构建的超导磁传感器可同时实现对环境场得高通响应频率特性和对电路噪声的低通响应频率特性，在不影响微弱信号测量的前提条件下，抑制环境场扰动对SQUID磁测量的影响，避免溢出现象发生，具体步骤是：
(i)开环参数调整
该步骤主要针对SQUID工作点调整。在该模式下，开关S1和S2均断开，S3开关接通触点a，电路工作在开环状态。外磁通信号通过反馈线圈(8)在SQUID(1)中产生低频调制磁通，调整SQUID偏置电流和放大器增益工作参数并观测电路第一反馈电阻(4)两端输出1的磁通调制信号，当输出1的磁通调制信号幅度达到最大时，调整结束；
(ii)第一磁通锁定环锁定读出磁场信息
闭合开关S1，S3接通触点b，电路构型为传统磁通锁定环路，称为第一磁通锁定环，SQUID(1)感应环境磁场变化，经过前置放大器(2)和第一积分器(3)积分后，通过第一反馈电阻(4)输入反馈线圈(8)并形成反馈磁通信号，该反馈磁通将抵消SQUID(1)环外界磁通变化，将SQUID(1)磁通锁定在工作点处，第一反馈电阻(4)两端电压(输出1)反映外界磁通变化；对第一积分器时间常数进行调整可实现第一磁通锁定环带宽覆盖工作频段；以保证电路噪声不通过反馈线圈耦合到SQUID中；
(iii)第二磁通锁定环实现频率选通反馈补偿
当环境场扰动导致读出电路溢出时，同时闭合开关S1和S2，开关S3位于触点b，第二反馈支路接入，并产生了第二磁通锁定环；第二反馈支路的工作过程为：第二积分器(5)对第一磁通锁定环路的输出进行再次第二次积分，第二积分器时间常数应相对较大，以确保第二反馈支路带宽远小于工作频率；其输出经过低通滤波器和第二反馈电阻后送入反馈线圈，产生第二反馈磁通，形成第二磁通锁定环路，第二磁通锁定环路主要实现将环境场低频扰动信号积分并反馈抵消环境场低频磁通变化，输出a包含的外磁场信号不再包含环境场低频扰动，确保超导磁传感器不再出现溢出的现象；为确保第二反馈支路产生的反馈磁通可补偿大幅度环境场低频扰动，第二反馈电阻的阻值要比第一反馈电阻的阻值小，两个电阻的比值应满足：R1/R2＞Btm/B1m，其中R1为第一反馈电阻，R2为第二反馈电阻，Btm为外磁场最大变化幅度，B1m为第一磁通反馈支路最大锁定输出电压对应的磁场，此时，第二反馈电阻(7)的输出2为低频环境磁场信息；第二反馈电阻较小将导致第二反馈支路电路噪声引入反馈磁通并产生反馈磁通噪声；采用低通滤波器(6)对第二反馈支路送入反馈线圈(8)的信号进行低通滤波，滤除工作频段内的电路噪声，并避免工作频段内待测信号通过第二反馈支路反馈，影响输出a待测信号幅度和相位。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于第一磁通锁定环和第二磁通锁定环结合，使超导磁传感器在实现对工作频段内外磁场信号拾取的同时，对环境场扰动不敏感，显著降低了超导磁传感器的动态范围需求。
6.按权利要求4所述的方法，其特征在于第一磁通锁定环路磁场响应频率范围3kHz-30Hz之间。
7.按权利要求4或6所述的方法，其特征在于第一磁通锁定环路磁场响应频率在30Hz以下，低频扰动幅度可达10-7～10-6特斯拉量级。
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