CN104345195B

CN104345195B - 可复位的增量磁场消除装置

Info

Publication number: CN104345195B
Application number: CN201310347111.5A
Authority: CN
Inventors: 王永良; 徐小峰; 孔祥燕; 谢晓明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2018-01-30
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: CN104345195A

Abstract

本发明提供一种可复位的增量磁场消除装置，其至少包括依次相连的磁传感器、放大调理电路、零点可重置的积分电路、驱动电路及反馈线圈，其中，所述磁传感器放置在所述反馈线圈产生均匀磁场的中心局域；所述反馈线圈在其中心区域产生磁场的方向与所述磁传感器检测到的磁场的方向相同；所述零点可重置的积分电路采用外部的控制输入信号来控制其复位和启动。本发明的可复位的增量磁场消除装置避免在复位后积分器重新为0建立平衡的时间，从而快速实现环境磁场的稳定，其可配合需要复位的SQUID微弱磁信号检测系统同时工作，实现SQUID探测器运行环境磁磁场的平稳，确保SQUID传感器以最大灵敏度测量，且不造成溢出。

Description

可复位的增量磁场消除装置

技术领域

本发明涉及磁场消除的技术领域，特别是涉及一种可复位的增量磁场消除装置。

背景技术

超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）是目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导SQUID的灵敏度优于10飞特，高温超导SQUID的灵敏度优于100飞特。因此，SQUID是一种重要的高端应用传感器，其广泛应用于生物磁、地球物理探测、极低场核磁共振仪器等设备中。

由于SQUID的灵敏度很高，在无屏蔽环境下工作时，使用SQUID的弱磁探测系统易受到外部环境磁场的干扰，而造成传感器溢出，导致系统无法正常工作。因此需要使用环境磁场消除装置来消除外部磁场的干扰，保持SQUID传感器探头所在区域环境磁场平稳，使系统稳定工作，避免因磁场波动太大以至于超出传感器测量量程。

目前抑制环境干扰的方法包括采用屏蔽室和采用主动磁场消除装置。屏蔽室采用反磁性的坡莫合金来抵消外部磁场，该方案需要建造一个大型装置，形成一个封闭空间，在该空间内磁场得到抑制。但是该方案造价昂贵，移动性和灵活性差，难以在一般应用中推广。

采用主动磁场消除装置来抑制环境场干扰的方案是基于积分负反馈原理实现的。通过磁传感器检测所在区域的磁场，磁传感器的输出电压输入放大调理电路再接入积分器；如果积分器的输出端不为零，则积分器开始积分，积分器的输出随着积分开始调整变化。积分器的输出再驱动反馈线圈来产生抵消磁传感器所在区域磁场，使得磁传感器输出经放大调理后送入积分器的输入为零。此时积分器停止积分，整个反馈电路达到平衡，传感器所在区域的磁场平稳。因此基于积分负反馈原理的磁场消除装置通过磁场检测、放大、积分、和磁场负反馈路径，构成一个负反馈环路，来抵消的环境磁场的波动。

通过上述原理，实现了磁传感器所在区域环境磁场的平稳，在该区域放置SQUID磁探测系统，可使SQUID探测器在平稳的环境磁场下工作，可提供SQUID传感器的灵敏度，避免溢出。该方案简单、造价低、经济适用，成为抑制环境干扰的首选方案。

上述通过负反馈原理实现的环境磁场消除装置由磁传感器、放大调理电路、积分电路和反馈线圈驱动电路构成。其中积分电路是磁场消除装置的运算电路，其工作原理是，磁传感器的输出电压经放大器放大后接入积分器，积分器根据输入电压进行随时间的积分，来调整其输出电压，从而驱动反馈线圈来调整传感器所在区域的磁场，实现环境磁场的消除。因此整个环境磁场消除装置是基于磁场负反馈原理，通过积分器不断产生抵消磁场，直到输入积分器的电压为0。基于反馈原理的环境磁场消除装置会始终将磁场消除到零或某个设定的磁场强度，使得反馈装置中积分器的输入端为0，积分器输入为0时的状态称为磁场消除装置的稳定工作点。环境磁场消除装置工作后，始终将磁场稳定在设定的工作点下。

从上述磁场消除装置的工作原理可知，由于地球磁场的存在，补偿装置的磁传感器所在位置的磁场不为零，因此上述反馈补偿电路，在反馈补偿电路闭环工作后，由于传感器所在区域磁场不为工作点要求的零或某个设定值，因此传感器信号送入到积分器输入端不为零。那么上述反馈补偿电路，首先要驱动积分器积分，积分器输出电压驱动反馈线圈，产生反向磁场对这部分地球环境磁场进行抵消，直到积分器输入端回到零点，建立平衡。因此该反馈电路每次重新启动反馈补偿时，电路需要经过一段过渡时间，通过积分器产生抵消地球磁场的反向磁场，将地球磁场抵消掉，之后上述磁场消除反馈回路，通过积分器对工作点附近的小波动积分，产生环境场波动抵消磁场。保持磁传感器所在区域的磁场为零，消除环境场的波动。

上述的磁场主动抵消装置，由于环境磁场的存在，使得启动后积分器输入端不为零，即不在工作点上。因此在启动后首先要先抵消地球磁场这种已经存在的磁场，进行工作点重建。积分器输出电压驱动线圈产生的磁场抵消了固有的环境磁场，使得积分器输入为零后，才能使环境场抵消装置回到工作点上，并在工作点上，通过负反馈回路消除磁传感器所在区域磁场的波动，再建立稳定的平衡。上述过程是现有磁场消除装置在启动后必须要经历的工作点恢复的过程。由于受积分器积分时间常数的限制，磁场消除装置恢复工作点需要一段时间，且该时间受启动前环境磁场与工作点设定的磁场的偏差影响，因此启动时间不确定。

在一些SQUID系统应用中，如低场核磁共振检测系统，由于要加载对磁传感器有影响的极化磁场，因此要求在极化磁场开启时，所有的磁传感器系统暂时复位不工作，而是在极化磁场撤除后与SQUID磁探测器同时工作，启动样品核磁共振信号的测量。因此在极低场磁共振系统中，应用磁场消除装置，要求复位解除后，立即启动环境磁场抑制，消除环境磁场的波动。因此上述传统环境磁场消除装置，由于启动过程存在，无法使磁场立刻平稳，

在这类需要先激励后测量的应用中，由于激励磁场会对磁场消除装置的稳定工作造成破坏，在极化期间，要复位磁场消除装置的积分器，使积分器输出保持为零，以避免对极化磁场做出响应。极化磁场撤除后，磁场消除装置的积分器启动工作，受积分器时间常数限制，需要经过一段时间，磁场消除装置才能重新回到工作点上。在重新稳定工作的这段时间内，浪费了样品信号检测的时机，同时由于被测样品的磁场没有稳定，也对样品的核磁共振信号产生破坏。

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可复位的增量磁场消除装置，用于解决现有磁场消除装置在先激励后检测的SQUID弱磁探测系统中磁场消除应用的缺陷，提供一种可复位的可复位的增量磁场消除装置，其在外部控制输入信号的控制下，复位时输出为零，积分器不工作；启动后可立即消除启动时刻起环境磁场变化量，即消除增量磁场。

其中，可复位是指和超导量子干涉器SQUID磁探测系统一同在复位命令的控制下，输出归零，积分器不工作，躲避激励磁场对系统的干扰。增量电压积分是指在积分器复位控制解除后，积分器只对输入电压与解除时刻电压值的差值，即增量电压进行积分。积分器从零开始输出增量积分的电压，并通过反馈线圈形成的负反馈磁场消除装置实现了从复位解除时刻起的增量磁场的消除和抑制。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可复位的增量磁场消除装置，其至少包括依次相连的磁传感器、放大调理电路、零点可重置的积分电路、驱动电路及反馈线圈，

其中，所述磁传感器放置在所述反馈线圈产生均匀磁场的中心局域；所述反馈线圈在其中心区域产生磁场的方向与所述磁传感器检测到的磁场的方向相同；

所述零点可重置的积分电路采用外部的控制输入信号来控制其复位和启动；通过控制所述控制输入信号，所述零点可重置的积分电路在复位期间不工作，在复位结束后启动积分功能，且只对复位结束时刻的输入电压的增量进行积分。

根据上述的可复位的增量磁场消除装置，其中：所述反馈线圈为亥姆霍兹线圈。

根据上述的可复位的增量磁场消除装置，其中：所述零点可重置的积分电路包括减法器、采样/保持器和积分器，其中，所述减法器正输入端和采样/保持器的输入端均与所述放大调理电路的输出端相连；所述采样/保持器的输出端接入减法器的负输入端；所述减法器的输出端再接入所述积分器；所述采样/保持器通过所述控制输入信号实现采样和保持的切换。

进一步地，根据上述的可复位的增量磁场消除装置，其中：所述控制输入信号为高电平时，所述采样/保持器工作在采样模式下，所述积分器不工作，进入复位状态；所述控制输入信号为低电平时，所述采样/保持器工作在保持模式下，所述减法器输出为保持时刻的输入电压的增量，所述增量进入所述积分器积分，所述积分器进入启动增量电压积分状态。

根据上述的可复位的增量磁场消除装置，其中：所述零点可重置的积分电路包括加法器、采样/保持器、运算放大器和积分器，其中，所述放大调理电路的输出端接入所述加法器的一个输入端；所述加法器的输出端接入所述运算放大器的负输入端和所述积分器，所述运算放大器的正输入端接地，所述运算放大器的输出端接入所述采样/保持器的输入端，所述采样/保持器的输出端接入所述加法器的另一端；所述采样/保持器通过所述控制输入信号实现采样和保持的切换。

进一步地，根据上述的可复位的增量磁场消除装置，其中：所述控制输入信号为高电平时，所述采样/保持器工作在采样模式下，所述积分器不工作，进入复位状态；所述控制输入信号为低电平时，所述采样/保持器工作在保持模式下，所述加法器的输出为保持时刻的输入电压的增量，所述增量进入积分器积分，所述积分器进入启动增量电压积分状态。

根据上述的可复位的增量磁场消除装置，其中：所述磁传感器为磁电阻传感器或磁通门传感器或者是置于磁场消除区域的采用超导量子干涉器件的磁强计。

如上所述，本发明的可复位的增量磁场消除装置，具有以下有益效果：

（1）该磁场消除装置可复位，与带有射频或强场激励的SQUID高灵敏度磁信号检测装置配合工作时，可通过与SQUID传感器同步复位的控制，避开激励磁场对系统干扰；

（2）本发明在传统的基于反馈原理的磁场消除装置基础上，开发了一种零点可任意重置的积分电路，即以复位解除时刻的环境磁场为工作零点，积分器从零开始积分，消除从此刻起环境磁场的增量。由于零点可重置积分电路启动后，立即获得零点重置的工作点，快速启动环境场波动抵消功能，因此启用速度快，最大限度地保留了SQUID探测信号的时机，克服了传统磁场消除装置受固定工作点限制，而造成启动时间长、浪费信号探测时机、破坏信号质量的缺陷，完全能满足基于SQUID的微弱磁探测系统的应用需求；

（3）该可复位的增量磁场消除装置保持被测样品区域的环境磁场稳定，消除环境磁场的波动，避免SQUID探测器输出的溢出，同时不对样品信号造化影响。

附图说明

图1显示为本发明的可复位的增量磁场消除装置的结构示意图；

图2显示为本发明的零点可重置的积分电路的第一优选实施例的结构示意图；

图3显示为本发明的零点可重置的积分电路的第一优选实施例的电路结构图；

图4显示为本发明的零点可重置的积分电路的第二优选实施例的结构示意图；

图5显示为本发明的零点可重置的积分电路的第二优选实施例的电路结构图。

元件标号说明

1 磁传感器

2 放大调理电路

3 零点可重置的积分电路

4 驱动电路

5 反馈线圈

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员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与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1是本发明的可复位的增量磁场消除装置的系统结构示意图。由图可知，其包括依次相连的磁传感器1、放大调理电路2、零点可重置的积分电路3、驱动电路4及反馈线圈5。磁传感器1放置在反馈线圈5产生均匀磁场的中心局域；反馈线圈5在其中心区域产生磁场的方向与磁传感器1检测到的磁场的方向相同

其中，磁传感器1采用采用矢量磁敏传感器，如磁电阻传感器或磁通门传感器，或者是置于磁场消除区域的采用超导量子干涉器件的磁强计。

放大调理电路2用于对磁传感器1输出的信号进行放大。

本发明中的积分器利用电容充放电原理，对输入的电压信号进行积分，积分输出接驱动电路4。

驱动电路4将输入的电压同比例的转换成驱动线圈的电流，使得线圈产生和输入电压成比例的磁场。

本发明中的反馈线圈5采用的是亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈为两个完全相同的线圈，彼此平行且法向中心轴重合。根据亥姆霍兹线圈的原理，两个线圈通同方向等值的电流，将在两线圈的中心区域产生均匀磁场。磁传感器1放置在亥姆霍兹线圈的产生均匀磁场的中心局域，磁传感器探头检测到的磁场向量和亥姆霍兹线圈在其中心区域产生的磁场方向保持一致，这样亥姆霍兹线圈产生的磁场才能产生抵消磁传感器测量的磁场，实现磁场抵消。

将磁传感器1放置在要进行环境磁场消除的空间中，磁传感器1将检测到的磁场转换成电压信号并输入放大调理电路2进行放大。放大后的磁传感器电压信号接入积分电路3，积分电路3的输出为积分器的输入电压随时间的积分。积分器3的输出电压接入驱动电路4，驱动采用亥姆霍兹线圈构成的反馈线圈5，从而产生反馈磁场。该反馈磁场将抵消在磁传感器1附近的环境磁场，使得磁传感器1输出的电压减小，直到输入积分器的电压为零，积分器停止积分。此时本发明的可复位的增量磁场消除装置实现磁场抵消。

特别地，本发明中的零点可重置的积分电路能够使积分器只对从复位解除时刻起的增量电压进行积分，从而只消除从复位解除时刻起变化的环境磁场，而不消除已存在的环境磁场，可快速实现建立反馈平衡。

如图2所示，本发明的零点可重置的积分电路的第一优选实施例中，将放大后的磁传感器电压信号V_i分为两路，一路接入减法器的正输入端，另一路接入采样/保持器的输入端；采样/保持器的输出端接入减法器的负输入端；减法器的输出端再接入积分器，从而得到积分后的电压信号Vo。

其中，采样/保持器通过外部的控制输入信号来实现采样和保持的切换。定义控制输入信号为高电平时，采样/保持器工作在采样模式下，此时采样/保持器输出同输入端，等同于跟随器。此时减法器输出为零，积分器不工作，进入复位状态。控制输入信号为低电平时，采样/保持器工作在保持模式下，其输出为采样跳变为保持时刻的电压。此时减法器输出为保持时刻的输入电压V_i的增量，该增量送入积分器开始积分，积分器进入启动增量电压积分状态。

图3即为上述零点可重置的积分电路的具体电路结构。如图所示，输入电压V_i分为两路，一路接电阻R₁，R₁另一端接运算放大器U1的负输入端。电容C₁为积分电容，一端接入运算放大器U1的负输入端，另一端接入运算放大器U1的输出端。电阻R₂一端接入运算放大器的负输入端，另一端接入单刀双掷开关SW1的定点。SW1常闭触点1接地，常开触点2接入运算放大器U1的输出端。SW1由控制输入信号控制，当控制输入信号为高电平时，SW1切换到触点2，电阻R₂与运算放大器U1的输出端连接，构成反比例放大器；当控制输入信号为低电平时，SW1切换到触点1，电阻R₂接地。输入电压V_i的另一路接入采样/保持器，采样/保持器的控制输入信号与SW1的控制输入信号为同一个控制输入信号。在控制输入信号为高电平时，采样/保持器工作在采样模式；控制输入信号为低电平时，采样/保持器工作在保持模式。采样/保持器的输出端接入电阻R₃，电阻R₃另一端接入运算放大器U1的正输入端，运算放大器U1的输出端接积分电路的输出端。同时，运算放大器U1的正输入端接入电阻R₄和电容C₂，电阻R₄和电容C₂另一端都接地。电容C₂和积分电容C₁的取值相同。电阻R₁、R₂、R₃和R₄的取值相同，通常取1k～10k。

在上述电路中，在控制输入信号为高电平时，采样/保持器工作在采样模式下。输入电压V_i分两路接入运算放大器正负输入端，运算放大器U1的输出为0，因此积分电路不工作，保持零输出。当控制输入信号为低电平时，采样/保持器工作在保持模式下，同时，SW1切换到与触点1接通模式，此时运算放大器U1工作在积分器模式下，积分器输出为输入电压跳变为保持时刻的电压增量对时间的积分。

如图4所示，本发明的零点可重置的积分电路的第二优选实施例中，放大后的磁传感器电压信号V_i接入加法器的一个输入端，加法器输出端接入运算放大器的负输入端。运算放大器的正输入端接地，运算放大器的输出端接入采样/保持器的输入端，采样/保持器的输出端接入加法器的另一输入端。同时，加法器的输出端再接入积分器，从而得到积分后的电压信号Vo。

采样/保持器通过外部的控制输入信号来实现采样和保持的切换。定义控制输入信号为高电平时，采样/保持器工作在采样模式下。加法器和运算放大器构成反比例放大器，采样/保持器的输出正好为-V_i，则加法器的输出为零，积分器不工作，进入复位状态。控制输入信号为低电平时，采样/保持器工作在保持模式下。加法器的输出为保持时刻的输入电压增量，该增量送入积分器开始积分。

图5即为上述零点可重置的积分电路的具体电路结构。如图所示，磁传感器放大后的电压信号V_i输入到图5中的电阻R₁，R₁的另一端接入运算放大器U1的负输入端，运算放大器U1的正输入端接地。电阻R₂一端接运算放大器U1的负输入端，另一端接采样/保持器的输出端。采样/保持器由外部的控制输入信号进行采样保持模式的控制，当控制输入信号为高电平时，采样/保持器工作在采样模式；当控制输入信号为低电平时，采样/保持器工作在保持模式。采样/保持器的输入端连接运算放大器U1的输出端。电容C₁为积分电容，电容C₁的一端接运算放大器的负输入端，另一端接积分电路的输出端。电阻R₃一端接积分电路的输出端，另一端接地，用于对积分电容C₁的放电。单刀单掷开关SW1的一端连接运算放大器U1的输出端，另一端连接积分电路的输出端。SW1的控制输入信号与采样/保持器的控制输入信号为同一个控制输入信号。控制输入信号为高电平时，SW1断开；控制输入信号为低电平时，SW1接通。

当控制输入信号为高电平时，采样/保持器工作在采样模式下，即输出等同于输入（1:1跟随）。此时运算放大器U1工作在反比例放大的模式下，即运算放大器U1的输出电压为输入电压V_i的-R₂/R₁倍。根据运算放大器正负输入端虚短的工作原理，运算放大器U1的负输入端与正输入端电压是相同的，都为零电压。同时SW1断开，即积分电路的输出端Vo与运算放大器U1的输出端断开。积分电路的输出通过电阻R₃接地，其输出为零。当控制输入信号为低电平时，采样/保持器处于保持状态，输出锁定保持时刻的运算放大器U1的输出电压，并保持不变，同时SW1闭合，积分电容C₁跨接在运算放大器U1的输出端和负输入端之间，与电阻R₁构成一个积分器电路。此时积分电路的输出Vo与运算放大器U1的输出端连通，运算放大器U1输出V_i从保持时刻起的增量电压随时间的积分。

综上所述，在传统的采用普通积分器的磁场消除装置中，加入本发明设计的零点可重置的积分电路，并使用外部复位信号作为积分电路的控制输入信号，即可实现在复位期间磁场消除装置不输出，不受干扰；而复位结束后，零点可重置的积分电路只对复位结束时刻起增量的电压进行积分，从而实现快速、即时的增量磁场反馈消除。本发明的可复位的增量磁场消除装置配合SQUID微弱磁信号检测系统同时工作，实现SQUID探测器运行环境磁场的平稳，确保SQUID传感器以最大灵敏度测量，且不造成溢出。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

1.一种可复位的增量磁场消除装置，其特征在于，所述可复位的增量磁场消除装置至少包括依次相连的磁传感器、放大调理电路、积分电路、驱动电路及反馈线圈，

所述积分电路采用外部的控制输入信号来控制其复位和启动；通过控制所述控制输入信号，所述积分电路在复位期间不工作，在复位结束后启动积分功能，且只对复位结束时刻的输入电压的增量进行积分；

所述积分电路包括减法器、采样/保持器和积分器，其中，所述减法器正输入端和采样/保持器的输入端均与所述放大调理电路的输出端相连；所述采样/保持器的输出端接入减法器的负输入端；所述减法器的输出端再接入所述积分器；所述采样/保持器通过所述控制输入信号实现采样和保持的切换；

或所述积分电路包括加法器、采样/保持器、运算放大器和积分器，其中，所述放大调理电路的输出端接入所述加法器的一个输入端；所述加法器的输出端接入所述运算放大器的负输入端和所述积分器，所述运算放大器的正输入端接地，所述运算放大器的输出端接入所述采样/保持器的输入端，所述采样/保持器的输出端接入所述加法器的另一输入端；所述采样/保持器通过所述控制输入信号实现采样和保持的切换。

2.根据权利要求1所述的可复位的增量磁场消除装置，其特征在于：所述反馈线圈为亥姆霍兹线圈。

3.根据权利要求1所述的可复位的增量磁场消除装置，其特征在于：所述积分电路包括减法器、采样/保持器和积分器时，所述控制输入信号为高电平时，所述采样/保持器工作在采样模式下，所述积分器不工作，进入复位状态；所述控制输入信号为低电平时，所述采样/保持器工作在保持模式下，所述减法器输出为保持时刻的输入电压的增量，所述增量进入所述积分器积分，所述积分器进入启动增量电压积分状态。

4.根据权利要求1所述的可复位的增量磁场消除装置，其特征在于：所述积分电路包括加法器、采样/保持器、运算放大器和积分器时，所述控制输入信号为高电平时，所述采样/保持器工作在采样模式下，所述积分器不工作，进入复位状态；所述控制输入信号为低电平时，所述采样/保持器工作在保持模式下，所述加法器的输出为保持时刻的输入电压的增量，所述增量进入积分器积分，所述积分器进入启动增量电压积分状态。

5.根据权利要求1所述的可复位的增量磁场消除装置，其特征在于：所述磁传感器为磁电阻传感器或磁通门传感器或者是置于磁场消除区域的采用超导量子干涉器件的磁强计。