CN105738838A - 一种超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法，包括：对称分布、面积相等、绕向相反的磁通耦合面及SQUID耦合线圈；对称分布的SQUID器件；反馈线圈；读出电路；以及对输出信号进行相减实现差模信号检测的减法电路。基于梯度线圈及SQUID耦合线圈得到方向相反的磁通信号；通过SQUID传感器进行磁通?电压的线性转换得到电压信号；将两种电压相间，消除输出信号中的共模信号，实现差模信号检测。本发明可调节消除超导量子干涉器磁梯度计的不平衡误差，达到消除共模信号的能力，无需使用屏蔽筒及额外的三轴磁强计补偿，结构简单，使用方便。

Description

一种超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法

技术领域

本发明涉及微弱磁场探测领域，特别是涉及一种超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法。

背景技术

基于超导量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice,以下简称SQUID)的磁探测器是目前已知的噪声水平最低、最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10^-15特斯拉)量级。在极微弱磁场探测、科学研究中具有很高的科研和应用价值。

如图1所示为传统平面一阶梯度计，包括梯度线圈、SQUID输入线圈、SQUID器件、读出电路及反馈线圈。其中，梯度线圈是一个超导环路，依对称轴扭绞成8字型，形成两个面积相等绕向相反的磁通耦合面S1及S2。两个磁通耦合面S1及S2耦合相同方向的磁场时，两个磁通耦合面S1及S2耦合的磁通量大小相等，方向相互抵消，其产生的感应电流方向相反，因此磁通量是抵消的，这就形成了两个面积耦合磁通相减的检测线圈，也称差模磁场检测线圈。理想的梯度线圈只响应对称轴两边的差模磁场(两边磁场差)，而对均匀磁场(相应称为共模磁场)应该输出为零。梯度线圈将感应的磁通量转换成电流，该电流输入耦合线圈转换成磁通耦合到SQUID器件中，实现磁通-电压转换。这样就实现了梯度信号的检测，实现的传感器称为梯度计。由于梯度线圈要引出到与SQUID耦合的SQUID输入线圈，才能将梯度线圈检测到的差模磁场信号转换成磁通送入SQUID器件中，因此，SQUID输入的引入增加了磁场耦合面积。同时，SQUID器件自身是一个超导环，也能直接响应磁场信号，也相当于一个磁场检测器，引入到SQUID传感器(SQUID器件、读出电路及反馈线圈)中转换的是梯度线圈输入的磁通和SQUID自身感应的磁通。输出信号不是理想的梯度计输出。如图2所示为传统平面二阶梯度计，其同样存在上述问题，在此不一一赘述。

综上所述，实际传统平面梯度计的输出包括了：1.理想梯度线圈耦合差模磁场产生的磁通；2.SQUID输入线圈耦合磁场产生的磁通；3.SQUID器件自身环路耦合磁场产生的磁通。也就是说，实际得到的输出既包括了差模磁场信号，也含有共模磁场信号，如果不将共模磁场信号分离，就无法获得实际被测的差模信号，这样的SQUID传感器共模抑制比不足，在无屏蔽环境下进行微弱信号检测，信噪比低，难以提取微弱被测信号，还需要借助额外的正交三轴磁强计进行辅助处理，系统复杂，成本高，可靠性低。

为了获得实际差模信号，在SQUID磁传感器设计相关文献中使用的方法是，应用一个超导磁屏蔽筒，将SQUID器件和SQUID输入线圈放置在超导磁屏蔽筒中，避免其对外界磁场的响应。但是，由于磁屏蔽筒抗磁响应，会将其周围的磁场分布改变，额外引入梯度磁场到梯度线圈中，加重了梯度计的检测误差。若将屏蔽筒在空间上远离梯度线圈，那么梯度线圈与SQUID输入线圈的引线因此变长，也增加了引线暴露在磁场中的面积，引入共模磁通。因此传统方案难以实现理想的梯度计设计。

因此，如何消除传统平面梯度计中器件引入的共模磁通信号，解决传统平面梯度计的共模信号抑制的问题，提高信号检测的信噪比，实现高共模抑制性能的理想梯度计已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

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器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法，用于解决传统平面梯度计的共模信号抑制的问题。

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器磁梯度计，所述超导量子干涉器磁梯度计至少包括：

梯度线圈，包括对称分布、面积相等、绕向相反的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面；

分别与环境磁通耦合面和被测磁通耦合面串联的SQUID耦合线圈，对称分布、面积相等、绕向相反；

分别与各SQUID耦合线圈耦合且对称分布的SQUID器件；

分别与各SQUID器件耦合且对称分布的反馈线圈；

用于读出各SQUID器件输出信号的读出电路；

连接于各读出电路输出端的减法电路，用于将环境磁通耦合面和被测磁通耦合面对应的读出电路输出电压相减，以消除被测信号中引入的共模磁通信号。

优选地，所述梯度线圈为平面一阶梯度线圈，超导线依第一对称轴走线，所述第一对称轴两侧包围的环境磁场平衡区和被测信号感应区的面积相等且对称分布，所述第一对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在所述第一对称轴处引出。

优选地，所述梯度线圈为平面二阶梯度线圈，超导线依第二对称轴及第三对称轴走线，所述第二对称轴与所述第三对称轴垂直分布，所述第二对称轴及所述第三对称轴形成的4个区域中的两个环境磁场平衡区和两个被测信号感应区面积相等、交替分布且相互对称，所述第二对称轴及所述第三对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在所述第二对称轴和所述第三对称轴的交汇处引出

优选地，所述梯度线圈采用微加工工艺制备。

优选地，所述梯度线圈的两个磁通耦合面中还对称地设置有高磁导率材料，所述高磁导率材料的相对磁导率不小于10。

优选地，各SQUID器件的参数一致；各反馈线圈的参数一致。

优选地，还包括一系数调节电路，连接于环境磁通耦合面或被测磁通耦合面对应的读出电路的输出端，通过调节读出电路的输出电压幅度消除因加工误差引入的共模磁通。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种高度平衡的磁场探测方法，采用上述超导量子干涉器磁梯度计，所述高度平衡的磁场探测方法至少包括：

基于一梯度线圈的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面检测被测磁场，通过各SQUID耦合线圈得到对应的磁通信号，并将各磁通信号耦合至对应的SQUID器件；SQUID器件对磁通信号进行感应，并分别通过对应的读出电路进行磁通-电压的线性转换得到输出电压；将环境磁通耦合面和被测磁通耦合面对应的读出电路的输出电压进行减法运算，消除输出信号中的共模信号，实现差模信号检测。

优选地，所述环境磁通耦合面和所述被测磁通耦合面所对应的磁通信号的磁通量大小相等，方向相反。

优选地，通过调节环境磁通耦合面或被测磁通耦合面对应的读出电路的输出电压幅度的系数消除因加工误差引入的共模磁通，满足如下关系：

$k=\frac{S_0+\mathrm{\Δ}S}{S_0-\mathrm{\Δ}S},$

其中，S₀为SQUID器件本身的环路面积，ΔS为所述梯度线圈对称的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面的面积差。

如上所述，本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法，具有以下有益效果：

1、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法采用对称结构，并通过减法运算抵消了由SQUID输入线圈耦合磁场产生的磁通和SQUID器件自身环路耦合磁场产生的磁通所引入的共模磁场信号。

2、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法通过对输出电压幅度的系数调节，可消除加工误差引入的共模磁场信号，实现高度平衡。

3、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法采用一集成芯片，无需使用屏蔽筒。

4、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法无需使用额外的X、Y、Z三轴磁强计的信号作为参考信号，来消除传统梯度计引入的共模磁通信号，结构简单，使用方便。

附图说明

图1显示为现有技术中的传统平面一阶梯度计的结构示意图。

图2显示为现有技术中的传统平面二阶梯度计的结构示意图。

图3显示为本发明的超导量子干涉器磁梯度计的平面结构示意图。

图4显示为本发明的超导量子干涉器磁梯度计的一种具体实施方式。

图5显示为本发明的超导量子干涉器磁梯度计的局部立体结构示意图。

图6显示为本发明的超导量子干涉器磁梯度计的另一实施方式的平面结构示意图。

元件标号说明

1超导量子干涉器磁梯度计

111第一磁通耦合面

112第二磁通耦合面

121第一SQUID耦合线圈

122第二SQUID耦合线圈

131第一读出电路

132第二读出电路

14系数调节电路

15减法电路

SQ1第一SQUID器件

SQ2第二SQUID器件

L1第一反馈线圈

L2第二反馈线圈

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。

请参阅图3～图6。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。

实施例一

如图3～图5所示，本发明提供一种超导量子干涉器磁梯度计1，所述超导量子干涉器磁梯度计1至少包括：

梯度线圈、第一SQUID耦合线圈、第二SQUID耦合线圈、第一SQUID器件、第二SQUID器件、第一反馈线圈、第二反馈线圈、第一读出电路、第二读出电路、系数调节电路及减法电路。

具体地，如图3～图4所示，所述梯度线圈为平面一阶梯度线圈，超导线依第一对称轴绕制，包括对称分布、面积相等、绕向相反的两个磁通耦合面，分别记为第一磁通耦合面111及第二磁通耦合面112，其中所述第一磁通耦合面111定义为环境磁通耦合面、所述第二磁通耦合面112定义为被测磁通耦合面。在本实施例中，所述对称轴为平面内平行于X轴的一直线，所述对称轴可任意设定，各器件依所述对称轴对称分布即可，不以本实施例为限。更具体地，所述梯度线圈为平面线圈，超导线依所述第一对称轴走线，所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112的面积相等且对称分布，在本实施例中，所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112分别呈对称的五边形，在实际使用中，所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112的形状不限，两者对称分布、形状相同、面积相等即可。超导线在所述第一对称轴处交叉分层走线使得所述第一对称轴两侧超导线的绕线方向相反，所述第一对称轴两侧的超导线分别在外侧引出输出端，且两个输出端相对于所述第一对称轴对称分布。

更具体地，为了增强被测信号的强度，所述梯度线圈的两个磁通耦合面中还对称地设置有高磁导率材料，通过高磁导率材料提升了被测信号的磁感应强度，使得耦合的被测信号的磁通呈数量级的增强。磁导率(magneticpermeability)是表征磁介质磁性的物理量，表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力。磁导率的公式为μ＝B/H，其中H为磁场强度、B为磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。本发明中所说的磁导率是指相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比，即μr＝μ/μ0。一般而言：空气或者非磁性材料的相对磁导率是1，铁磁性等顺磁性的材料的磁导率>1，本发明中的高磁导率材料指相对磁导率μr不小于10的导磁材料。常见的高磁导率材料为铁磁性材料，如软铁，铁氧体等，其中，铸铁为200～400；硅钢片为7000～10000；镍锌铁氧体为10～1000。由于软铁等金属材料有导电性，容易引起涡流，不作为首选材料，因此，在本实施例中，以铁氧体作为高磁导率材料的首选，常见的如镍锌铁氧体材料或锰锌铁氧体材料。

具体地，如图3所示，所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122分别与所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112串联，形成一完整的闭合线圈。所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122沿所述第一对称轴对称分布，面积相等，绕向相反，即所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112产生的感应电流从所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122的非同名端输入，图3中“*”所示端口为线圈的同名端。如图4所示，在本实施例中，所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122为矩形结构，呈漩涡型绕线，在具体使用中，所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122的形状不限，绕线方式不限，两者形状及绕线方式保持一致即可，不以本实施例为限。

梯度线圈、所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122作为一个整体完全依所述第一对称轴对称设计，绕制图形完全轴对称，使得所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112完全对称、所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122完全对称。所述第一对称轴两侧的磁通耦合面及SQUID耦合线圈构成的环路绕制方向完全轴对称，响应磁场产生的电流则相反，因此形成对称的差模磁场检测功能。

所述第一SQUID器件SQ1、所述第一读出电路131及所述第一反馈线圈L1构成第一SQUID传感器。所述第二SQUID器件SQ2、所述第二读出电路132及所述第二反馈线圈L2构成第二SQUID传感器。所述第一SQUID传感器及所述第二SQUID传感器将检测到的磁通信号进行磁通-电压的线性转换。

具体地，如图3～图4所示，所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2分别与所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122耦合，用于将磁通信号转换为电信号。所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2沿所述第一对称轴对称分布，如图5所示，在本实施例中，所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2位于所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122的下方。此外，所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2的参数保持一致，包括耦合面积、器件结构、制备方式以及采用的材料等，减小误差信号的引入。

具体地，如图3所示，所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2沿所述第一对称轴对称分布，所述第一读出电路131及所述第二读出电路132输出的反馈电流从所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2的同名端流入，产生相同方向的磁场。如图5所示，在本实施例中，所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2分别位于所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2的下方。此外，所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2的参数保持一致，包括耦合面积、器件结构、制备方式以及采用的材料等，减小误差信号的引入。

具体地，如图3～图4所示，所述第一读出电路131的输入端连接所述第一SQUID器件SQ1的输出端，其输出端连接所述第一反馈线圈L1。所述第二读出电路132的输入端连接所述第二SQUID器件SQ2的输出端，其输出端连接所述第二反馈线圈L2。

具体地，如图3～图4所示，所述系数调节电路14连接于所述第二读出电路132的输出端，对所述第二读出电路132输出的电压信号的幅度进行调节，以实现因加工误差引入的共模信号的抑制。

具体地，如图3～图4所示，所述减法电路15连接所述第一读出电路131及所述系数调节电路14的输出端，减法电路15输出信号中消除了被测信号中引入的共模磁通信号，实现理想梯度计输出。

由于所述第一磁通耦合面111及所述第二磁通耦合面112的绕制方向是轴对称的，因此梯度线圈中耦合到差模磁通后产生的感应电流流向也是对称相反的，输入到所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122后产生的耦合到所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2中的磁场是相反的。所述第一SQUID传感器及所述第二SQUID传感器检测输出的信号相位相反，相减后输出的就是对称梯度线圈耦合的差模磁通信号。

所述梯度线圈、所述第一SQUID耦合线圈121、所述第二SQUID耦合线圈122、所述第一SQUID器件SQ1、第二SQUID器件SQ2、所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2可以采用目前典型的低温超导线圈和SQUID器件加工工艺来实现。在本实施例中，采用微电子加工工艺制备，具体地，选用硅片作为基板；采用铌Nb或者NbN(氮化铌)薄膜通过版图刻蚀成轴对称的所述梯度线圈、所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122，由于刻蚀精度越高，可将误差面积大大降低，其中所述梯度线圈的交叉部分采用过孔通过另一层的超导线条连接(图中灰色交叉线)；采用典型的如(铌Nb-铝AL-铌Nb)实现约瑟夫森结，制作低温SQUID器件。对于高温(77k液氮)超导器件或其他温器的超导量子干涉器件，只要加工工艺满足本方案的要求，上述方案都可适用。

实施路二

如图6所示，本实施例提供一种超导量子干涉器磁梯度计，本实施例的超导量子干涉器磁梯度计与实施例一的不同之处在于，所述梯度线圈为平面二阶梯度线圈。

具体地，如图6所示，所述梯度线圈为平面二阶梯度线圈，超导线依第二对称轴及第三对称轴走线，所述第二对称轴与所述第三对称轴相互垂直，在本实施例中，所述第二对称轴为x轴方向的直线，所述第三对称轴为y轴方向的直线，所述平面二阶梯度线圈沿所述第二对称轴及所述第三对称轴上下、左右分别对称。所述第二对称轴及所述第三对称轴将平面划分为4个区域，这4个区域中线圈包围的区域分别定义为环境磁通耦合面和被测磁通耦合面，交替分布、面积相等且相互对称。在本实施例中，左下角、右上角区域定义为环境磁通耦合面，左上角、右下角区域定义为被测磁通耦合面，环境磁通耦合面和被测磁通耦合面的形状为五边形，其他各种形状均适用于本发明的剃度计，不以本实施例为限。所述第二对称轴及所述第三对称轴两侧超导线的绕线方向相反。如图6所示，在本实施例中，电流从左下侧线圈顺时针流入，然后顺时针流入右上侧线圈，再逆时针流入右下侧线圈，最后从左上侧线圈逆时针流出。超导线的线端在所述第二对称轴和所述第三对称轴的交汇处引出。

接入SQUID传感器，实现信号的检测。所述平面二阶梯度线圈与所述平面一阶梯度线圈的工作原理相同，在此不一一赘述。

相应地，如图6所示，在本实施例中，包括4个SQUID耦合线圈，分别与2个环境磁通耦合面和2个被测磁通耦合面串联，形成一完整的闭合线圈。且4个SQUID耦合线圈相对于所述第二对称轴及所述第三对称轴上下左右对称，4个SQUID耦合线圈面积相等、绕向相反。

相应地，如图6所示，在本实施例中，包括4个SQUID器件，分别与4个SQUID耦合线圈耦合，4个SQUID器件相对于所述第二对称轴及所述第三对称轴上下左右对称，且各参数一致。

相应地，如图6所示，在本实施例中，包括4个反馈线圈，相对于所述第二对称轴及所述第三对称轴上下左右对称分布，且各参数一致。

相应地，如图6所示，在本实施例中，包括4个读出电路，分别连接各自对应的SQUID器件及反馈线圈。

相应地，如图6所示，4个读出电路中的两个输出与环境磁通耦合面对应的电压V1’、V3’，两个输出与被测磁通耦合面对应的电压V2’、V4’，两者通过减法电路相减后消除了被测信号中引入的共模磁通信号，实现理想梯度计输出。

同样地，还可在输出与环境磁通耦合面对应的电压V1’、V3’的读出电路或输出与被测磁通耦合面对应的电压V2’、V4’的读出电路的输出端连接系数调节电路14，以实现因加工误差引入的共模信号的抑制。

其它结构和具体工作原理与实施例一一致，在此不一一赘述。

实施例三

本发明还提供一种高度平衡的磁场探测方法，在本实施例中，基于所述超导量子干涉器磁梯度计1实现，其中梯度线圈为平面一阶梯度线圈，所述高度平衡的磁场探测方法至少包括：

基于平面一阶梯度线圈的两个磁通耦合面检测被测磁场，通过第一SQUID耦合线圈121及第二SQUID耦合线圈122得到第一磁通信号和第二磁通信号，并将所述第一磁通信号及所述第二磁通信号耦合至第一SQUID器件SQ1及第二SQUID器件SQ2。

具体地，如图3～图5所示，所述梯度线圈的第一磁通耦合面111及第二磁通耦合面112对称分布，绕制方向相反。因此，所述梯度线圈不响应均匀磁场，仅对非均匀磁场进行响应，具体地，在均匀磁场下，所述梯度线圈对称轴两侧的第一磁通耦合面111和第二磁通耦合面112耦合的磁通大小相同，产生的感应电流的大小相等、流向相反，相互抵消；在非均匀磁场下，所述梯度线圈对称轴两侧的第一磁通耦合面111和第二磁通耦合面112耦合的磁通量不相同，产生的感应电流的大小不相等，在所述梯度线圈中流过差模电流。差模电流分别流至所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122，所述第一SQUID耦合线圈121及所述第二SQUID耦合线圈122将差模电流转化为磁通量大小相等，方向相反的第一磁通信号及第二磁通信号，并耦合至第一SQUID器件SQ1及第二SQUID器件SQ2。

所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2分别对所述第一磁通信号及所述第二磁通信号进行感应，并分别通过第一读出电路131及第二读出电路132进行磁通-电压的线性转换得到第一电压V1及第二电压V2。

具体地，如图3所示，所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2输入磁通量大小相等，方向相互抵消的第一磁通信号及第二磁通信号，经过所述第一SQUID传感器以及所述第二SQUID传感器的回路得到大小相等、相位相反的第一电压V1及第二电压V2。

所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2分别将所述第一读出电路131及所述第二读出电路132输出的方向相反的读出电流转化为磁场方向相同的磁通，并分别耦合到所述第一SQUID器件SQ1及所述第二SQUID器件SQ2中，用于维持所述第一SQUID传感器以及所述第二SQUID传感器的工作。

将所述第一电压V1与所述第二电压V2进行减法运算，实现差模信号检测，输出信号为V1-V2。由于所述第一磁通耦合面111和所述第二磁通耦合面112、所述第一SQUID耦合线圈121和所述第二SQUID耦合线圈122、所述第一SQUID器件SQ1和所述第二SQUID器件SQ2、所述第一反馈线圈L1及所述第二反馈线圈L2均相对于对称轴对称分布，因此可通过对称的线圈抵消输出信号中的共模信号，包括由SQUID耦合线圈耦合磁场产生的磁通及SQUID器件自身环路耦合磁场产生的磁通所引入的共模信号，大大提高信噪比。

进一步，还可对所述第二电压V2的幅度进行调整，得到系数为K的输出电压，以消除因加工误差引入的共模磁通，最终输出信号为V1-kV2。此时既可消除由SQUID耦合线圈耦合磁场产生的磁通及SQUID器件自身环路耦合磁场产生的磁通所引入的共模信号，也可以消除因加工误差引入的共模磁通。具体地，因加工工艺误差，使得所述第一磁通耦合面111及所述第一磁通耦合面112存在面积误差ΔS，导致引入共模磁通信号。

参数k的调节方法如下：参数k的选用是为了消除梯度计输出信号Vo中共模信号来设计的，可通过标定获得。

即，假定梯度线圈由于加工工艺误差的存在，所述第一磁通耦合面111及所述第一磁通耦合面112存在面积差为ΔS，因此会对环境均匀磁场(共模磁场)产生耦合，在只有均匀磁场的情况下，梯度线圈耦合到所述第一SQUID器件SQ1和所述第二SQUID器件SQ2的共模磁通Φ_c＝B·ΔS。所述第一SQUID器件SQ1和所述第二SQUID器件SQ2的自身环路面积为S0，其在均匀磁场中耦合的共模磁通量为Φ_s＝B·S₀。因此所述第一SQUID器件SQ1和所述第二SQUID器件SQ2通过读出电路转换输出的电压V1和V2分别如下：

V₁＝V_Φ·(B·ΔS+B·S₀)

V₂＝V_Φ·(-B·ΔS+B·S₀)

因此，在只有均匀磁场的情况下，本发明的传感器输出V0为：

V_O＝V₁-k·V₂＝V_Φ·B·((1+K)·ΔS+(1-k)·S₀)

只要调节合适的系数K，使得在均匀磁场下整个梯度计输出V0为零即可。即：

(1+K)·ΔS+(1-k)·S₀＝0

因此，系数k满足如下关系：

$k=\frac{S_0+\mathrm{\Δ}S}{S_0-\mathrm{\Δ}S}.$

通过调节比例系数k，即可消除整个梯度传感器对均匀磁场的共模响应。从而实现高平衡度的梯度计输出。

实施例四

本实施例与实施例三的不同之处在于，所述梯度线圈为平面二阶梯度线圈，所述高度平衡的磁场探测方法至少包括：

基于平面二阶梯度线圈的两个环境磁通耦合面和两个被测磁通耦合面检测被测磁场，通过4个SQUID耦合线圈得到4个磁通信号，并将4个磁通信号耦合至对应的SQUID器件。

4个SQUID器件分别对4个磁通信号进行感应，并分别通过4个读出电路进行磁通-电压的线性转换得到与环境磁通耦合面对应的电压V1’+V3’、与被测磁通耦合面对应的电压V2’+V4’。将与环境磁通耦合面对应的电压V1’+V3’和与被测磁通耦合面对应的电压V2’+V4’进行减法运算，实现差模信号检测，输出信号为V0’＝(V1’+V3’)-(V2’+V4’)。

本实施例的高度平衡的磁场探测方法的原理与实施例三一致，在此不一一赘述。

如上所述，本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法，具有以下有益效果：

1、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法采用对称结构，并通过减法运算抵消了由SQUID输入线圈耦合磁场产生的磁通和SQUID器件自身环路耦合磁场产生的磁通所引入的共模磁场信号。

2、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法通过对电压幅度的系数调节，可消除加工误差引入的共模磁场信号，实现高度平衡。

3、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法采用一集成芯片，无需使用屏蔽筒。

4、本发明的超导量子干涉器磁梯度计及高度平衡的磁场探测方法无需使用额外的X、Y、Z三轴磁强计的信号作为参考信号，来消除传统梯度计引入的共模磁通信号，结构简单，使用方便。

综上所述，本发明提供一种超导量子干涉器磁梯度计，包括：梯度线圈，包括对称分布、面积相等、绕向相反的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面；分别与环境磁通耦合面和被测磁通耦合面串联的SQUID耦合线圈，对称分布、面积相等、绕向相反；分别与各SQUID耦合线圈耦合且对称分布的SQUID器件；分别与各SQUID器件耦合且对称分布的反馈线圈；用于读出各SQUID器件输出信号的读出电路；连接于各读出电路输出端的减法电路，用于将环境磁通耦合面和被测磁通耦合面对应的读出电路输出电压相减，以消除被测信号中引入的共模磁通信号。还提供一种高度平衡的磁场探测方法，包括基于一梯度线圈的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面检测被测磁场，通过各SQUID耦合线圈得到对应的磁通信号，并将各磁通信号耦合至对应的SQUID器件；SQUID器件对磁通信号进行感应，并分别通过对应的读出电路进行磁通-电压的线性转换得到输出电压；将环境磁通耦合面和被测磁通耦合面对应的读出电路的输出电压进行减法运算，消除输出信号中的共模信号，实现差模信号检测。本发明采用对称结构，并通过减法运算抵消了由SQUID输入线圈耦合磁场产生的磁通和SQUID器件自身环路耦合磁场产生的磁通所引入的共模磁场信号；通过对电压幅度的系数调节，可消除加工误差引入的共模磁场信号，实现高度平衡；采用一集成芯片，无需使用屏蔽筒；无需使用额外的X、Y、Z三轴磁强计的信号作为参考信号，来消除传统梯度计引入的共模磁通信号，结构简单，使用方便。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 (10)

1.一种超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于，所述超导量子干涉器磁梯度计至少包括：

梯度线圈，包括对称分布、面积相等、绕向相反的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面；

分别与环境磁通耦合面和被测磁通耦合面串联的SQUID耦合线圈，对称分布、面积相等、绕向相反；

分别与各SQUID耦合线圈耦合且对称分布的SQUID器件；

分别与各SQUID器件耦合且对称分布的反馈线圈；

用于读出各SQUID器件输出信号的读出电路；

连接于各读出电路输出端的减法电路，用于将环境磁通耦合面和被测磁通耦合面对应的读出电路输出电压相减，以消除被测信号中引入的共模磁通信号。

2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于：所述梯度线圈为平面一阶梯度线圈，超导线依第一对称轴走线，所述第一对称轴两侧包围的环境磁场平衡区和被测信号感应区的面积相等且对称分布，所述第一对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在所述第一对称轴处引出。

3.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于：所述梯度线圈为平面二阶梯度线圈，超导线依第二对称轴及第三对称轴走线，所述第二对称轴与所述第三对称轴垂直分布，所述第二对称轴及所述第三对称轴形成的4个区域中的两个环境磁场平衡区和两个被测信号感应区面积相等、交替分布且相互对称，所述第二对称轴及所述第三对称轴两侧超导线的绕线方向相反，超导线的线端在所述第二对称轴和所述第三对称轴的交汇处引出。

4.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于：所述梯度线圈采用微加工工艺制备。

5.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于：所述梯度线圈的两个磁通耦合面中还对称地设置有高磁导率材料，所述高磁导率材料的相对磁导率不小于10。

6.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于：各SQUID器件的参数一致；各反馈线圈的参数一致。

7.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁梯度计，其特征在于：还包括一系数调节电路，连接于环境磁通耦合面或被测磁通耦合面对应的读出电路的输出端，通过调节读出电路的输出电压幅度消除因加工误差引入的共模磁通。

8.一种高度平衡的磁场探测方法，其特征在于，采用如权利要求1～7任意一项所述的超导量子干涉器磁梯度计，所述高度平衡的磁场探测方法至少包括：

基于一梯度线圈的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面检测被测磁场，通过各SQUID耦合线圈得到对应的磁通信号，并将各磁通信号耦合至对应的SQUID器件；SQUID器件对磁通信号进行感应，并分别通过对应的读出电路进行磁通-电压的线性转换得到输出电压；将环境磁通耦合面和被测磁通耦合面对应的读出电路的输出电压进行减法运算，消除输出信号中的共模信号，实现差模信号检测。

9.根据权利要求8所述的高度平衡的磁场探测方法，其特征在于：所述环境磁通耦合面和所述被测磁通耦合面所对应的磁通信号的磁通量大小相等，方向相反。

10.根据权利要求8所述的高度平衡的磁场探测方法，其特征在于：通过调节环境磁通耦合面或被测磁通耦合面对应的读出电路的输出电压幅度的系数消除因加工误差引入的共模磁通，满足如下关系：

$k=\frac{S_0+\mathrm{\Δ}S}{S_0-\mathrm{\Δ}S},$

其中，S₀为SQUID器件本身的环路面积，ΔS为所述梯度线圈对称的环境磁通耦合面和被测磁通耦合面的面积差。