CN103389478A - 一种基于超导磁传感器的数字化实时磁场补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导磁传感器的数字化实时磁补偿装置及方法，其特征在于在传统磁通锁定环读出电路的基础上引入具有不同通带特性的两级负反馈，分别实现高灵敏度待测磁场信号的读取和低灵敏度待补偿磁场干扰的补偿，采用ADC、微处理器、DAC及其附属器件组成的数字电路构建磁补偿电路，并增加了可提高磁补偿装置可靠性的软启动和磁通锁定环直流偏置自动消除功能。其补偿方法特征在于通过ADC采集磁通锁定环的输出信号，然后由微处理器进行直流偏置消除、滤波、反转、积分，最后由DAC输出磁补偿反馈需要的信号。充分利用SQUID Feedback（反馈）线圈进行反馈，极大地简化了磁补偿装置的结构，提高了它的可维护性、可靠性和待补偿信号的提取能力。

Description

一种基于超导磁传感器的数字化实时磁场补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超导磁传感器的磁场补偿装置及方法，尤其是一种通过数字电路和传统磁通锁定环组成二阶负反馈系统实现外部干扰磁场实时补偿的方法。属于超导应用技术领域。

背景技术

由超导量子干涉仪(SQUID)组成的超导磁传感器是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在磁屏蔽室内和静态工作环境下已有众多应用，但在无屏蔽环境或者运动平台中，由于地球磁场漂移或者切割地球磁力线等外部因素引入的磁场干扰极容易导致高灵敏度的SQUID读出电路出现基线漂移甚至溢出而无法正常工作。

磁补偿方法是目前一种很实用的防止SQUID读出电路基线漂移或者溢出的方法，已知的磁补偿方法均采用复杂的亥姆霍兹线圈和灵活性相对较差的模拟电路来实现。

CN201010228159专利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，虽然可以实现该线圈内三轴环境磁场的动态补偿，但是亥姆霍兹线圈构造复杂、体积较大，而且额外增加一个磁通门传感器，实际使用时有诸多不便，不适合在运动和野外环境下工作。

又如，CN102353911A专利公布了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，主要适用于待测磁场信号频率高雨环境场扰动频段（DC～30Hz）的应用环境，该方法在传统磁通锁定环（FLL）读出电路的基础上引入具有不同通带特性的两级负反馈设计，分别实现高灵敏度磁场信号的读取和低频磁场干扰的补偿。虽然该方法可在不影响微弱信号测量的前提下抑制环境场扰动对SQUID磁测量的影响，但是因为采用模拟电路以及未对FLL直流偏置进行预调节，鉴于SQUID在磁通锁定后的直流偏置具有一定的随机性，所以实际工作时会在二阶负反馈环路中引入不确定因素，而且灵活性和自动化程度也不如数字实现方法，尤其是低通滤波器和针对工频干扰的陷波滤波器的实现。此外，考虑到SQUID读出电路对摆率的敏感性，未加入软启动的二阶负反馈极容易导致SQUID工作点漂移。

综上所述，现有磁补偿方法在运动和野外环境下工作时，均存在适用性和可靠性问题，或自动化和灵活性程度不够，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。从而引导出本发明的构思。

发明内容

为了解决现有的磁补偿方法在运动和野外环境下应用的局限性,针对待补偿和待测量信号频段存在差异的应用领域，本发明目的在于提供一种通过数字电路和传统磁通锁定环组成二阶负反馈系统实现外部干扰磁场实时自动补偿装置及方法，本发明提供的方法不仅能简化磁补偿装置，而且能方便地实现数字化、自动化和软启动，从而提高磁补偿装置的灵活性、可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所采用磁补偿装置通常由参考磁传感器、磁补偿电路和线圈三部分组成，其中参考磁传感器可以是磁通门、磁阻或者SQUID，主要用于测量待补偿区域的磁场信号；磁补偿电路则从参考磁传感器测得的磁场信号中提取出待补偿频段的信号，然后按照某种函数关系通过补偿线圈形成负反馈，对特定区域的特定磁场进行补偿。

本发明采用SQUID作为参考磁传感器，并把由SQUID组成的传统磁通锁定环电路输出作为数字PID（proportional–integral–derivative）磁补偿电路的输入，然后充分利用SQUID自身的feedback线圈，将其作为磁补偿反馈线圈，从而最终构建一个基于超导磁传感器和二阶负反馈的数字实时磁补偿装置。此磁补偿装置可以实现对待补偿频段的信号进行抑制，同时使磁通锁定环电路可以在高灵敏的工作状态下只输出待测量频段的信号。需要特别注意和强调的是待补偿和待测量信号频段须存在差异，可以通过滤波器进行分离。

SQUID读出电路有磁通调制式和直读式两种，两者均基于磁通锁定环，其区别在于磁通调制式在直读式的基础上增加了调制解调电路和用于噪声匹配的变压器。本发明主要针对直读式读出电路，但对于磁通调制式同样适用，只是磁补偿电路的输出需要在磁通调制前，通过加法器与磁通锁定环电路的输出进行叠加。本发明选用一种新型的直读式SQUID——SBC（SQUID Boottrap Circuit），它由超导DC SQUID器件与串联的线圈构成第一条支路，分流电阻和并联线圈串联构成第二条支路，SQUID与上述两个线圈分别通过互感耦合，从而实现对前置放大器噪声的自反馈抑制。传统的磁通锁定环则主要由SBC芯片、前端放大器、偏置调节器、模拟积分器、反馈电阻和反馈线圈构成，其中SBC通过低温电缆连接到前端放大器，然后由前端放大器输出依次串联连接偏置调节器、模拟积分器和反馈电阻，最后将反馈电阻与SQUID的反馈线圈连接。

本发明采用的磁补偿电路主要由模数转换器（ADC）及其驱动电路、微处理器和数模转换器（DAC）三部分组成，其中ADC及其驱动电路完成磁通锁定环输出模拟信号的数字转换；微处理器则在实现ADC和DAC的控制之外还需要完成四件任务，其一，通过判断控制磁通锁定环工作状态开关的逻辑电平，提取SQUID在磁通锁定后的直流偏置，其中该直流偏置在每次磁通锁定后是随机变化的；其二，通过数字滤波的方式完成待补偿频段信号的提取，并从提取的信号中按增益比减去任务一中获取的直流偏置，获得几乎无偏置的输出信号，其中数字滤波可以根据待补偿信号的频段特征选择低通、带通、陷波或者它们的组合，其优势在于实现复杂待补偿频段的信号提取，比如既要实现20Hz以下的低通滤波，又要实现50Hz工频干扰的陷波滤波，数字滤波要比模拟滤波方便很多，而且很容易实现高阶滤波器；其三，按照ADC的采样频率对任务二获取的无偏置待补偿频段信号进行数字积分，完成PID负反馈最重要的一环；其四，在磁通锁定初期控制DAC输出信号的摆率，以实现软启动的目的，防止出现在模拟磁补偿电路里因积分器累积效应而失锁的情况，这是因为模拟积分器会由于累积效应在其输出端达到满量程，如果未进行软启动设计，而突然在SQUID的Feedback线圈上施加该满量程信号，则磁通锁定环电路会因为摆率不足而失锁；DAC则完成数字磁场补偿负反馈信号的模拟转换。为了获得更好的磁补偿信号信噪比和减少DAC直接输出信号对SQUID的影响，可以根据需要在DAC的输出端依次串联一个用于信号平滑的低通滤波器和一个用于阻抗匹配的跟随器。

鉴于SQUID的Feedback线圈在工作时处于超导状态，故在不考虑线圈互感的情况下，Feedback线圈可以等效成两个耦合系数相同的线圈，分别连接磁通锁定环电路和磁补偿电路。从电路模型的角度分析，SQUID的Feedback线圈和外部线圈是等价的。因此本发明采用体积小并高度集成的SQUID自身的Feedback线圈作为磁补偿反馈线圈。

磁补偿电路和SQUID的Feedback线圈之间通过一个反馈电阻连接，可以根据实际需求改变其阻值，主要用于调节磁补偿的量程，但同时也会影响到二阶负反馈的带宽，不合适的阻值不但会增加SQUID的噪声，也会导致磁通锁定环无法锁定。

本发明可以在实现外部干扰磁场实时补偿的同时，很方便地通过高阶数字滤波器完成复杂的待补偿频段信号的提取，而且通过数字实现方式极大地增加了磁补偿装置的灵活性和可维护性，同时结合磁通锁定环直流偏置的预调节还可以实现磁补偿的自动化，提高工作效率。此外，采用的软启动方法通过控制信号摆率极大地提高了磁补偿装置的可靠性。

总体而言，上述磁补偿方法实现简单，体积小，适合在运动和野外环境下应用。本发明为克服外部磁场干扰容易导致高灵敏度的超导量子干涉仪(SQUID)读出电路出现基线漂移甚至溢出的问题，所述磁补偿装置及方法，针对野外或者运动平台中待补偿和待测量信号频段存在差异的应用领域，采用ADC、微处理器、DAC等器件组成的数字电路，在传统磁通锁定环读出电路的基础上引入具有不同通带特性的两级负反馈设计，分别实现高灵敏度待测磁场信号的读取和低灵敏度待补偿磁场干扰的补偿；所述磁补偿方法，通过数字方式实现实时自动磁补偿所涉及的直流偏置消除、滤波、反转、积分和软启动功能，并充分利用SQUID Feedback线圈进行反馈，极大地简化了磁补偿装置，提高了磁补偿装置的可维护性、可靠性和待补偿信号的提取能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是传统的磁通锁定环读出电路。

图2是数字化实时磁补偿方法框图。

图3是等效的模拟实时磁补偿方法框图。

图中1.SBC超导磁传感器，2.前端放大器，3.偏置调节器，4.模拟积分器，5.磁通锁定环工作状态控制与指示开关，6.磁通锁定环反馈电阻，7.SQUIDFeedback线圈，8.ADC及其驱动电路，9.微处理器，10.DAC，11.平滑滤波器及跟随器，12.磁补偿反馈电阻，13.磁通锁定环直流偏置调节器，14.用于提取待补偿频段信号的模拟滤波器，15.带软启动开关的模拟积分器，16.磁补偿控制开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示的传统磁通锁定环读出电路用于完成待测磁信号的测量，其主要构造如下：放置于杜瓦液氦中的SBC超导磁传感器1通过低温线缆与前端放大器2连接，其中SBC超导磁传感器1有两种工作模式：电流偏置和电压偏置，本发明采用电压偏置模式，而前端放大器2则选用增益为80～100dB的反向放大器，其输出会因SBC超导磁传感器1的电气特性存在直流电压偏移量，故在前端放大器2的输出连接基于加法器的偏置调节器3，用于消除此直流电压偏移量；偏置调节器3的输出与组成PID负反馈的关键电路模拟积分器4连接，模拟积分器4除通过其时间常数可用来调节PID负反馈外还包含复位功能和SBC超导磁传感器1工作在Tune状态下的旁路功能；模拟积分器4的输出则与磁通锁定环工作状态控制与指示开关5连接，其控制图1所示的传统磁通锁定环读出电路工作在Tune或Lock状态，并提供TTL电平的指示信号。在Lock状态，磁通锁定环工作状态控制与指示开关5通过串联磁通锁定环反馈电阻6与SQUID Feedback线圈7连接，将磁通锁定环的磁通反馈信号以耦合的方式传递给SBC超导磁传感器1。在Tune状态，通过调节SBC超导磁传感器1的工作参数（偏置电压、放大器增益等参数）使模拟积分器4在旁路的情况下其输出信号幅度最大，从而达到最佳的工作点。

如图2所示，数字化实时磁补偿装置主要包含图1中的传统磁通锁定环读出电路和由ADC及其驱动电路8、微处理器9、DAC10、平滑滤波器及跟随器11和磁补偿反馈电阻12组成的磁补偿数模混合电路两部分。为更好地阐述图2所示的数字化实时磁补偿方法，首先介绍图3中与其等效的模拟实时磁补偿方法。

如图3所示，图1传统磁通锁定环读出电路中的模拟积分器4与磁通锁定环直流偏置调节器13相连，用以消除其在Lock工作状态每次锁定后随机变化的直流偏置；磁通锁定环直流偏置调节器13采用基于反向放大器的加法器，以实现信号相位反转，其输出与用于提取待补偿频段信号的模拟滤波器14连接；模拟滤波器14需要根据待补偿频段的信号进行设计，通常是有源的低通滤波器、陷波滤波器或者其组合，其输出与带软启动开关的模拟积分器15连接；鉴于模拟积分器会因为积分累积效应在少量偏置电压存在的情况下其输出端就能缓慢达到满量程，如果突然在未进行软启动设计的SQUIDFeedback线圈7上施加该满量程信号，则图1中高灵敏度的磁通锁定环电路会因为摆率不足而失锁，因此带软启动开关的模拟积分器15是十分必要的，其软启动功能主要通过磁补偿控制开关16来实现。当磁补偿控制开关16处于断开状态时，模拟积分器15的软启动开关闭合，使其输出为零；当磁补偿控制开关16处于闭合状态时，模拟积分器15的软启动开关断开，使图3中的模拟实时磁补偿电路环路完整。磁补偿控制开关16的输出通过磁补偿反馈电阻12与SQUID Feedback线圈7串联，将待补偿的磁场信号以耦合的方式反馈给SBC超导磁传感器1，从而与图1的传统磁通锁定环读出电路构成基于二阶负反馈的磁场实时自动补偿系统。磁补偿反馈电阻12具有磁通锁定环反馈电阻6类似的功能，主要用于调整磁补偿的量程和二阶负反馈的带宽，其阻值需要根据待补偿磁场与待测量磁场的量程比值决定，通常两者的比值为5～10。

图2中数字化实时磁补偿方法与图3中的等效的模拟实时磁补偿方法在机理上是一致的，所不同的是通过数字方式实现了磁补偿的自动化和软启动，并简化了磁补偿装置的设计，提高了提取待补偿频段信号的能力。

如图2所示，图1传统磁通锁定环读出电路中的模拟积分器4与ADC及其驱动电路8相连，其中ADC及其驱动电路8主要实现磁通锁定环输出模拟信号的数字转换，通常ADC选用高分辨率的24位Delta一Sigma类型，但在待补偿信号带宽和摆率较大时，可以选择分辨率相对较低但采样率较高的Delta一Sigma类型ADC；ADC及其驱动电路8与微处理器9（DSP、FPGA等处理器）通过SPI等标准的串行总线或并行总线相连，其输出通过数字通信输入到微处理器9中；微处理器9通过接口匹配电路又与磁通锁定环工作状态控制与指示开关5连接，从而可以获取磁通锁定环的工作状态。在Tune工作状态，微处理器9控制ADC及其驱动电路8持续获取模拟积分器4的模拟输出信号；在Tune转换到Lock工作状态时，微处理器9将转换前指定时间段稳定Tune工作状态下采集的模拟积分器4输出信号进行超低频滤波，从而获取图1中磁通锁定环每次锁定后变化的直流偏置量；在Lock工作状态，微处理器9将采集的模拟积分器4输出信号减去此前工作状态转换过程中获取的直流偏置量后，进行低通或者陷波等多种方式的数字滤波，从而获得待补偿频段的信号，然后按照ADC及其驱动电路8中的ADC采样频率对获取的无偏置待补偿频段信号反向后进行数字积分——考虑到数字滤波器的线性相位需求，本具体实施例采用FIR（Finite Impul seResponse）滤波器，得到需要的磁补偿数字反馈信号，最后在磁通锁定初期控制DAC10在满足信号摆率的前提下从零缓慢输出实际需要的磁补偿反馈信号，以实现软启动的目的，防止出现在模拟磁补偿电路里因积分器累积效应而失锁的情况。在上述过程中，微处理器9完成了图3模拟实时磁补偿方法中磁通锁定环直流偏置调节器13、用于提取待补偿频段信号的模拟滤波器14、带软启动开关的模拟积分器15和磁补偿控制开关16所对应的所有功能。微处理器9通过SPI等标准的串行总线或并行总线与DAC10相连，其中DAC10主要完成数字磁场补偿负反馈信号的模拟转换。为了获得更好的磁补偿信号信噪比和减少DAC10输出信号对SBC超导磁传感器1的影响，在DAC10的输出端串联用于信号平滑和阻抗匹配的平滑滤波器及跟随器11；平滑滤波器及跟随器11再通过磁补偿反馈电阻12与SQUID Feedback线圈7串联，磁补偿反馈电阻12与模拟实时磁补偿方法中的功能一致，主要用于调整磁补偿的量程和二阶负反馈的带宽。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超导磁传感器的数字化实时磁补偿装置，其特征在于在传统磁通锁定环读出电路的基础上引入具有不同通带特性的两级负反馈，分别实现高灵敏度待测磁场信号的读取和低灵敏度待补偿磁场干扰的补偿，采用ADC、微处理器、DAC及其附属器件组成的数字电路构建磁补偿电路，并增加了可提高磁补偿装置可靠性的软启动和磁通锁定环直流偏置自动消除功能。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于所述的磁补偿装置由参考磁传感器、磁补偿电路和线圈三部分组成，其中参考磁传感器为磁通门、磁阻或者SQUID，用于测量待补偿区域的磁场信号；磁补偿电路则从参考磁传感器测得的磁场信号中提取出待补偿频段的信号，然后按照某种函数关系通过补偿线圈形成负反馈，对特定区域的特定磁场进行补偿。

3.按权利要求2所述的装置，其特征在于采用SQUID作为参考磁传感器，并把由SQUID组成的传统磁通锁定环电路输出作为数字PID磁补偿电路的输入，然后充分利用SQUID自身的feedback线圈，将其作为磁补偿反馈线圈，从而最终构建一个基于超导磁传感器和二阶负反馈的数字实时磁补偿装置。

4.按权利要求2或3所述的装置，其特征在于所述的磁补偿电路由模数转换器ADC及其驱动电路、微处理器和数模转换器DAC组成。

5.按权利要求4所述的装置，其特征在于所述的微处理器则在实现ADC和DAC的控制时要求，①通过判断控制磁通锁定环工作状态开关的逻辑电平，提取SQUID在磁通锁定后的直流偏置，其中该直流偏置在每次磁通锁定后是随机变化的；②通过数字滤波的方式完成待补偿频段信号的提取，并从提取的信号中按增益比减去任务一中获取的直流偏置，获得几乎无偏置的输出信号，其中数字滤波根据待补偿信号的频段特征选择低通、带通、陷波或者它们的组合，在于实现复杂待补偿频段的信号提取；③按照ADC的采样频率对任务二获取的无偏置待补偿频段信号进行数字积分，完成PID负反馈最重要的一环；④在磁通锁定初期控制DAC输出信号的摆率，以实现软启动的目的，防止出现在模拟磁补偿电路里因积分器累积效应而失锁的情况。

6.按权利要求2或3所述的装置，其特征在于：

①磁补偿电路和SQUID的Feedback线圈之间通过一个反馈电阻连接，可根据实际需求改变其阻值，用于调节磁补偿的量程；

②从电路模型的角度分析，SQUID的Feedback线圈和外部线圈是等价的，采用体积小并高度集成的SQUID自身的Feedback线圈作为磁补偿反馈线圈。

7.使用权利要求1所述的数字化实时磁补偿装置的磁补偿方法，其特征在于通过ADC采集磁通锁定环的输出信号，然后由微处理器进行直流偏置消除、滤波、反转、积分，最后由DAC输出磁补偿反馈需要的信号。

8.根据权利要求7所述的磁补偿方法，其特征在于通过判断磁通锁定环工作状态的指示开关，采用ADC对Tune向Lock状态转换前磁通锁定环的稳定输出信号进行采集，然后由微处理器进行超低频滤波获得磁通锁定环每次锁定后变化的直流偏置量，最后在提取的待补偿磁场信号中减去此直流偏置量。

9.根据权利要求8所述的磁补偿方法，其特征在于在磁通锁定初期，通过微处理器控制DAC在满足磁通锁定环摆率的前提下从零缓慢输出实际需要的磁补偿反馈信号，以达到软启动的目的。

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