CN103675744A - 超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法。所述标定设备包括：在三个正交的维度方向设置线圈，各所述线圈所围空间中的磁场均匀区域用于放置所述超导量子干涉传感器；与每个维度方向的线圈相连的信号发生器，用于向各所述线圈输出驱动电流，以使各所述线圈产生电压；与所述超导量子干涉传感器和所述信号发生器相连的标定分析装置，用于根据每个维度方向的线圈的电压及所述超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。基于三维投影原理，有效地避免了传统单一方向标定带来的方向和位置校准问题。

Description

超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法

技术领域

本发明涉及一种超导量子干涉传感器的标定，特别是涉及一种超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法。

背景技术

作为一种极高灵敏度的磁传感器，超导量子干涉器件（Superconducting QuantumInterference Device,SQUID）广泛地应用于生物磁、低场核磁共振、地球物理、无损检测等领域。

SQUID磁强计（超导量子干涉传感器）是一种最基本的SQUID测量模块，主要有两种结构，一种是直接以SQUID环为感应单元，一种是集成或外接一个单匝或多匝线圈，通过线圈探测外界磁场并传输到SQUID环中，进行读出并输出电压信号。无论是哪种结构的SQUID磁强计，在本征噪声测量及实际应用中，都需要对其的磁场电压转换系数进行标定，以获取磁场量。

目前，SQUID磁强计的常用标定方法有大线圈法、小线圈法等。这些方法都是利用线圈提供一个特定方向的已知磁场，利用SQUID磁强计探测该磁场，记录对应的输出电压来计算磁场电压转换系数。

对于超导量子干涉传感器来说，利用上述方法进行标定时，需要利用大线圈对每个维度方向的SQUID磁强计进行标定，在标定过程中还要精确调整SQUID磁强计和线圈产生磁场的方向，保证二者方向一致，从而减小测量误差，这在实际测量中，由于采用人工测量，故而很难实现精确，而且标定效率低。同时，在利用大线圈或者小线圈进行标定时，需要精确测量线圈与SQUID磁强计感应线圈之间的距离，以获取比较准确的磁场计算值，这在实际测量中也是很难保证的。为此，探索快速精确的标准方法显得尤为必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法，用于解决现有技术中利用一维超导量子干涉传感器来标定超导量子干涉传感器不能得到精准的磁场电压转换系数、且标定过程极为繁冗、复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉传感器的标定设备，包括：在三个正交的维度方向设置线圈，各所述线圈所围空间中的磁场均匀区域用于放置所述超导量子干涉传感器；与每个维度方向的线圈相连的信号发生器，用于向各所述线圈输出驱动电流，以使各所述线圈产生电压；与所述超导量子干涉传感器和所述信号发生器相连的标定分析装置，用于根据每个维度方向的线圈的电压及所述超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。

优选地，所述信号发生器依次向每个维度方向的线圈输出驱动电流。

优选地，所述信号发生器同时向每个维度方向的线圈输出驱动电流，且向每个维度方向的线圈所输出的驱动电流的频率各不相同。

优选地，所述线圈为正方形或圆形。

优选地，所述磁场均匀区域的磁场满足其中，B₀为所述磁场均匀区域内中心点的磁场，B_i为所述磁场均匀区域以内任一位置的磁场。

优选地，所述磁场均匀区域的尺寸为10cm*10cm*10cm。

优选地，所述标定分析装置利用公式

来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数；其中，V_ox，V_oy，V_oz分别为所述超导量子干涉传感器在三个维度方向所输出的感应信号的电压值，B_x，B_y，B_z分别为三对线圈在磁场均匀区域的磁场，δ为所述磁场电压转换系数。

基于上述目的，本发明还提供一种利用如上任一所述的标定设备对超导量子干涉传感器进行标定的方法，包括：1）将所述超导量子干涉传感器放置到所述线圈所围空间的磁场均匀区域内；2）令所述信号发生器向位于每个维度的线圈输送驱动电流；3）令所述标定分析装置根据输送至每个维度所对应的线圈的驱动电压、超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。

优选地，所述步骤2）包括：依次向每个维度方向的线圈输出驱动电流。

优选地，所述步骤2）包括：同时向每个维度方向的线圈输出驱动电流，且向每个维度方向的线圈所输出的驱动电流的频率各不相同。

优选地，所述步骤3）包括：利用公式

来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数；其中，V_ox，V_oy，V_oz分别为所述超导量子干涉传感器在三个维度方向所输出的感应信号的电压值，B_x，B_y，B_z分别为三个维度方向的线圈在磁场均匀区域的磁场，δ为所述磁场电压转换系数。

优选地，所述磁场均匀区域的磁场满足

其中，B₀为所述磁场均匀区域内中心点的磁场，B_i为所述磁场均匀区域以内任一位置的磁场。

优选地，所述磁场均匀区域的尺寸为10cm*10cm*10cm。

如上所述，本发明的超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法，具有以下有益效果：基于三维投影原理，将所述超导量子干涉传感器包围在线圈所围立方体中，有效地避免了传统单一方向标定带来的方向和位置校准问题，提高了标定效率和精度，为高精度磁强计的标定提供了有效的技术途径其中的磁场均匀区域。

附图说明

图1显示为本发明的超导量子干涉传感器的标定设备的结构示意图。

图2显示为本发明的标定方法的流程图。

元件标号说明

1          超导量子干涉传感器

2          标定设备

21         线圈

22         信号发生器

23         标定分析装置

S1～S3     步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本发明提供一种超导量子干涉传感器的标定设备。其中，所述超导量子干涉传感器（SQUID传感器）1中包括：位于超导环境的超导量子干涉组件、和与所述超导量子干涉组件相连的读出电路。其中，所述超导量子干涉组件包括超导量子干涉器件（SQUID）。所述标定设备2用于标定所述超导量子干涉组件工作时的磁场电压转换系数。

所述标定设备2包括：线圈21、信号发生器22和标定分析装置23。

所述线圈21的数量为三个，且彼此位于正交的维度方向上。其中，在每个维度方向上可以设置一对所述线圈21。各对所述线圈21围成立方体，各所述线圈21所围空间中的磁场均匀区域用于放置所述超导量子干涉传感器1。所述线圈21的形状可以是圆形、正多边形。例如，所述线圈21的形状为正方形。所述线圈21的匝数根据实际的标定需要而设定。各所述线圈21的所围立方体的空间的尺寸应足够大，以便所述立方体的中心区域为磁场均匀区域，所述磁场均匀区域的磁场满足

其中，B₀为所述磁场均匀区域内中心点的磁场，B_i为所述磁场均匀区域以内任一位置的磁场，所述磁场均匀区域的尺寸在10cm*10cm*10cm，以便于将所述超导量子干涉传感器1放置在所述磁场均匀区域中。其中，所述超导量子干涉组件必须位于所述磁场均匀区域中。所述读出电路可以位于所述磁场均匀区域中，也可以位于所述磁场均匀区域以外。

所述信号发生器22与每个维度方向的线圈21相连，用于按照预设的频率向各维度的所述线圈21输出交变的驱动电流，以使每个维度方向的成对线圈21产生电压，并基于所产生的电压产生磁场。

具体地，所述信号发生器22可以按照预设的顺序依次向每个维度方向的线圈21输出驱动电流。所述信号发生器22在向一个维度方向的线圈21输出驱动电流时，并不会向其他方向的线圈21同时输出驱动电流。

为了既提高标定效率又减少各维度的线圈21之间的相互干扰，所述信号发生器22还可以同时向每个维度方向的线圈21输出驱动电流，且向每个维度方向的线圈21所输出的驱动电流的频率各不相同。

所述标定分析装置23与所述超导量子干涉传感器1和所述信号发生器22相连，用于根据每个维度所对应的线圈21的电压及所述超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器1的磁场电压转换系数。其中，所述标定分析装置23为计算机设备。

具体地，所述标定分析装置23控制所述信号发生器22输出驱动电流的频率和幅度（也就是的电压），预设每对线圈21所对应的电阻值，同时接收所述超导量子干涉传感器1所输出的感应信号，先利用公式（1）来计算所述磁场均匀区域中各维度方向的磁场：

$B_x=k_x\frac{V_x}{R_x},B_y=k_y\frac{V_y}{R_y},B_z=k_z\frac{V_z}{R_z}---\left(1\right)$

其中，B_x，B_y，B_z分别为三对线圈21在磁场均匀区域的磁场,V_x，V_y，V_z分别为加载在三个维度方向线圈21的电压，R_x，R_y，R_z分别为三个方向线圈21回路的电阻。k_x、k_y、k_z分别为三个方向的线圈中所流经的电流与所形成的磁场之间的转换系数。其中，所述k_x、k_y、k_z三个参数可以预先根据线圈尺寸等计算而得，也可预先测得。

然后，设定每个维度方向的超导量子干涉传感器在各维度方向的感应面积系数为α、β和γ，所述超导量子干涉传感器1的磁场电压转换系数为δ，则有所述超导量子干涉传感器在三个方向磁场下所输出的感应信号的电压输出关系为公式（2）：

V_ox＝δαB_x V_oy＝δβB_y V_oz＝δγB_z  （2）

其中，V_ox，V_oy，V_oz分别为所述超导量子干涉传感器在三个维度方向所输出的感应信号的电压值。

再根据磁强计感应面积在三个正交方向投影面积之和对等的原则，有公式（3）

$\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\γ}}^2}=1---\left(3\right)$

由此，可获取所述超导量子干涉传感器1的磁场电压转换系数δ为公式（4）所得：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{\left(\frac{V_{\mathrm{ox}}}{B_x}\right)}^2+{\left(\frac{V_{\mathrm{oy}}}{B_y}\right)}^2+{\left(\frac{V_{\mathrm{oz}}}{B_z}\right)}^2}---\left(4\right)$

如图2所示，本发明还提供一种对超导量子干涉传感器进行标定的方法。所述标定方法利用上述标定设备。

在步骤S1中，将所述超导量子干涉传感器放置到所述线圈所围空间的磁场均匀区域内。

具体地，技术人员手动或利用调整仪器将所述超导量子干涉传感器放置到由各线圈所围成的立方体内的磁场均匀区域。其中，所述磁场均匀区域的磁场满足B₀为所述磁场均匀区域内中心点的磁场，B_i为所述磁场均匀区域以内任一位置的磁场。优选地，所述磁场均匀区域的尺寸在10cm*10cm*10cm，如此，技术人员无需设备仅依靠人工瞄准就能够准确的测得所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。

在步骤S2中，在所述标定分析装置的控制下，令所述信号发生器向位于每个维度的线圈输送驱动电流。

具体地，所述信号发生器可以按照预设的顺序依次向每个维度方向的线圈输出驱动电流。所述信号发生器在向一个维度方向的线圈输出驱动电流时，并不会向其他方向的线圈同时输出驱动电流。

为了既提高标定效率又减少各维度的线圈之间的相互干扰，所述信号发生器还可以同时向每个维度方向的线圈输出驱动电流，且向每个维度方向的线圈所输出的驱动电流的频率各不相同。

在步骤S3中，所述标定分析装置根据输送至每个维度所对应的线圈的驱动电压、超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。

具体地，所述标定分析装置控制所述信号发生器输出驱动电流的频率和幅度（也就是的电压），预设每对线圈所对应的电阻值，同时接收所述超导量子干涉传感器所输出的感应信号，先利用公式（1）来计算所述磁场均匀区域中各维度方向的磁场：

$B_x=k_x\frac{V_x}{R_x},B_y=k_y\frac{V_y}{R_y},B_z=k_z\frac{V_z}{R_z}---\left(1\right)$

其中，B_x，B_y，B_z分别为三对线圈在磁场均匀区域的磁场,V_x，V_y，V_z分别为加载在三个维度方向线圈的电压，R_x，R_y，R_z分别为三个方向线圈回路的电阻。k_x、k_y、k_z分别为三个方向的线圈中所流经的电流与所形成的磁场之间的转换系数。其中，所述k_x、k_y、k_z三个参数可以预先根据线圈尺寸等计算而得，也可预先测得。

然后，设定所述超导量子干涉传感器在各维度方向的感应面积系数为α、β和γ，所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数为δ，则所述超导量子干涉传感器在三个方向磁场下所输出的感应信号的电压输出关系为公式（2）：

V_ox＝δαB_x V_oy ＝δβB_y V_oz＝δγB_z  （2）

其中，V_ox，V_oy，V_oz分别为所述超导量子干涉传感器在三个维度方向所输出的感应信号的电压值。

再根据磁强计感应面积在三个正交方向投影面积之和对等的原则，有公式（3）

$\sqrt{{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\γ}}^2}=1---\left(3\right)$

由此，可获取所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数δ为公式（4）所得：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{{\left(\frac{V_{\mathrm{ox}}}{B_x}\right)}^2+{\left(\frac{V_{\mathrm{oy}}}{B_y}\right)}^2+{\left(\frac{V_{\mathrm{oz}}}{B_z}\right)}^2}---\left(4\right)$

综上所述，本发明的超导量子干涉传感器的标定设备及标定方法，基于三维投影原理，将所述超导量子干涉传感器包围在线圈所围立方体中，有效地避免了传统单一方向标定带来的方向和位置校准问题，提高了标定效率和精度，为高精度磁强计的标定提供了有效的技术途径其中的磁场均匀区域。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，包括：

在三个正交的维度方向设置线圈，各所述线圈所围空间中的磁场均匀区域用于放置所述超导量子干涉传感器；

与每个维度方向的线圈相连的信号发生器，用于向各所述线圈输出驱动电流，以使各所述线圈产生电压；

与所述超导量子干涉传感器和所述信号发生器相连的标定分析装置，用于根据每个维度方向的线圈的电压及所述超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。

2.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，所述信号发生器依次向每个维度方向的线圈输出驱动电流。

3.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，所述信号发生器同时向每个维度方向的线圈输出驱动电流，且向每个维度方向的线圈所输出的驱动电流的频率各不相同。

4.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，所述线圈为正方形或圆形。

5.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，所述磁场均匀区域的磁场满足

其中，B₀为所述磁场均匀区域内中心点的磁场，B_i为所述磁场均匀区域以内任一位置的磁场。

6.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，所述磁场均匀区域的尺寸为10cm*10cm*10cm。

7.根据权利要求1所述的超导量子干涉传感器的标定设备，其特征在于，所述标定分析装置利用公式

来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数；其中，V_ox，V_oy，V_oz分别为超导量子干涉传感器在三个维度方向所输出的感应信号的电压值，B_x，B_y，B_z分别为三个维度方向的线圈在磁场均匀区域的磁场，δ为所述磁场电压转换系数。

8.一种利用如权利要求1-7中任一所述的标定设备对超导量子干涉传感器进行标定的方法，其特征在于，包括：

1）将所述超导量子干涉传感器放置到所述线圈所围空间的磁场均匀区域内；

2）令所述信号发生器向位于每个维度的线圈输送驱动电流；

3）令所述标定分析装置根据输送至每个维度所对应的线圈的驱动电压、超导量子干涉传感器所输出的感应信号来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数。

9.根据权利要求8所述的对超导量子干涉传感器进行标定的方法，其特征在于，所述步骤2）包括：依次向每个维度方向的线圈输出驱动电流。

10.根据权利要求8所述的对超导量子干涉传感器进行标定的方法，其特征在于，所述步骤2）包括：同时向每个维度方向的线圈输出驱动电流，且向每个维度方向的线圈所输出的驱动电流的频率各不相同。

11.根据权利要求8所述的对超导量子干涉传感器进行标定的方法，其特征在于，所述步骤3）包括：利用公式来标定所述超导量子干涉传感器的磁场电压转换系数；其中，V_ox，V_oy，V_oz分别为所述超导量子干涉传感器在三个维度方向所输出的感应信号的电压值，B_x，B_y，B_z分别为三个维度方向的线圈在磁场均匀区域的磁场，δ为所述磁场电压转换系数。

12.根据权利要求8所述的对超导量子干涉传感器进行标定的方法，其特征在于，所述磁场均匀区域的磁场满足

B₀为所述磁场均匀区域内中心点的磁场，B_i为所述磁场均匀区域以内任一位置的磁场。

13.根据权利要求8所述的对超导量子干涉传感器进行标定的方法，其特征在于，所述磁场均匀区域的尺寸为10cm*10cm*10cm。

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