CN109298357A - 基于squid三轴磁强计的矢量磁场稳定系统 - Google Patents

基于squid三轴磁强计的矢量磁场稳定系统 Download PDF

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董丙元
王永良
张国峰
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Abstract

本发明提供一种基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，包括：设置于三轴补偿线圈中，用于探测三个轴向磁场的SQUID三轴磁强计；读出SQUID三轴磁强计检测到信号的SQUID读出模块；将SQUID三轴磁强计的检测信号反馈到相应的三轴补偿线圈中的反馈模块；产生与环境磁场波动相反的补偿磁场的三轴补偿线圈；其中，SQUID三轴磁强计与三轴补偿线圈的三个轴向对应设置。本发明使用SQUID三轴模块作为磁探测器进行磁场稳场，可以获得更全面(总场和各矢量场)的磁场稳定效果，灵敏度高，带宽大；可应用于地球磁场或零磁场环境下，适用磁场范围更大。

Description

基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统
技术领域
本发明涉及磁场检测领域，特别是涉及一种基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统。
背景技术
基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁探测器，其中，低温超导SQUID灵敏度可达1fT(1fT＝10-15特斯拉)量级，高温超导SQUID灵敏度也可达10飞特量级，是重要的高端应用磁传感器，广泛应用于生物医疗，地球物理探测，以及基础研究等领域。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。
在磁基准计量领域，为了精确标定高灵敏度的磁传感器性能，需要在地球磁场环境中提供稳定的磁场。目前通常使用光泵等总场探测器，配合反馈电路和线圈系统，进行总场稳场，能达到3-5pT的稳场效果。但是，现有系统只能实现总场稳场，根据磁场总场公式：
可知，在总场稳场过程中，只能确保总场BT不变，假设X方向矢量Bx或者Y方向矢量By有一定程度的波动，将造成Z方向矢量Bz的相应变化，各矢量场相互影响，这是我们所不期望看到的。而且，现有系统的灵敏度也有待提高。
因此，如何在实现总场稳场的情况下，减小各矢量场的相互影响，实现各矢量场的稳场，并提高磁场灵敏度，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基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，用于解决现有技术中各矢量场不稳定，且磁场灵敏度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，所述基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统至少包括：
SQUID三轴磁强计，SQUID读出模块，反馈模块及三轴补偿线圈；
所述SQUID三轴磁强计浸没于制冷液体中，并设置于所述三轴补偿线圈中，所述SQUID三轴磁强计用于探测三个轴向的磁场；
所述SQUID读出模块的输入端连接所述SQUID三轴磁强计的输出端，用于读出所述SQUID三轴磁强计检测到的信号；
所述反馈模块的输入端连接于所述SQUID读出模块的输出端、输出端连接所述三轴补偿线圈，用于将SQUID三轴磁强计检测到的信号反馈到相应的三轴补偿线圈中；
所述三轴补偿线圈产生与环境磁场波动相反的补偿磁场；
其中，所述SQUID三轴磁强计与所述三轴补偿线圈的三个轴向对应设置。
可选地，所述SQUID三轴磁强计包括三个SQUID磁强计，分别设置于三个互相垂直的平面上。
可选地，所述SQUID三轴磁强计为高温超导材料或低温超导材料制成。
可选地，所述反馈模块包括三路比例积分微分电路，各比例积分微分电路的输入端分别连接一个轴向的磁强计检测信号、输出端分别连接对应的补偿线圈。
更可选地，所述比例积分微分电路包括依次连接的比例放大器、积分器及功率放大器。
可选地，所述三轴补偿线圈包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈。
更可选地，所述补偿线圈为正多边形或圆形。
更可选地，各平面均包括两个补偿线圈，任意平面中的两个补偿线圈分别设置于所述SQUID三轴磁强计的两侧。
可选地，所述基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统还包括数据采集模块，连接于所述SQUID读出模块，用于获取所述SQUID读出模块的输出信号并进行处理。
可选地，所述制冷液体容置于无磁杜瓦中，所述制冷液体包括液氮或液氦。
如上所述，本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，具有以下有益效果：
本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统采用三个相互正交的SQUID形成三轴磁强计，再配合反馈模块和三轴补偿线圈，形成矢量稳场，不仅能获得稳定的总场，更能确保三个方向的矢量场均能得到稳定(达到pT级，甚至亚pT级)；同时，本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统可以工作于磁屏蔽环境(零场环境)或者地球磁场环境，具有更大的适用范围。
本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统可以应用于磁基准装置中，可同时获得磁场总场和分量场的稳定，在磁传感器尤其是矢量磁传感器标定过程中获得良好的应用；同时也可以应用于其他需要稳定磁场的场合。
附图说明
图1显示为本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统的结构示意图。
图2显示为本发明的SQUID三轴磁强计的结构示意图。
图3显示为本发明的反馈模块的结构示意图。
图4显示为现有技术与本发明的SQUID读出模块输出的频谱。
图5显示为本发明三轴稳场后SQUID读出模块输出的三个矢量场的实时信号。
元件标号说明
1 基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统
11 SQUID三轴磁强计
11a～11c 第一～第三SQUID磁强计
12 SQUID读出模块
13 反馈模块
131～133 第一～第三比例积分微分电路
1311 比例放大器
1312 积分器
1313 功率放大器
14 三轴补偿线圈
15 数据采集模块
16 无磁杜瓦
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1～图5。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。
如图1所示，本发明提供一种基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统1，所述基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统1包括：
SQUID三轴磁强计11，SQUID读出模块12，反馈模块13、三轴补偿线圈14及数据采集模块15。
如图1所示，所述SQUID三轴磁强计11浸没于制冷液体中，并设置于所述三轴补偿线圈14中，所述SQUID三轴磁强计11用于探测三个轴向的环境磁场波动。
具体地，在本实施例中，所述SQUID三轴磁强计11的数量设定为一个，在实际使用中可根据需要设定为两个或两个以上，不以本实施例为限。如图2所示，所述SQUID三轴磁强计11包括三个SQUID磁强计，在本实施例中，第一SQUID磁强计11a、第二SQUID磁强计11b及第三SQUID磁强计11c分别设置于一正立方体的前表面、上表面及左表面上(三个相互垂直的表面)。各SQUID磁强计为一个圆环，所述SQUID磁强计由超导材料制成，用于将检测到的磁强计信号转换为电压信号。
具体地，所述SQUID三轴磁强计11工作在使其进入超导状态的低温环境中。所述SQUID三轴磁强计11放置于无磁杜瓦16中，所述无磁杜瓦16中盛放有提供低温环境的制冷液体，所述SQUID三轴磁强计11浸没于所述制冷液体中，以确保所述SQUID三轴磁强计11工作于超导状态。若所述SQUID三轴磁强计11由高温超导材料制成，则所述制冷液体为液氮(温度约为77K)；若所述SQUID三轴磁强计11由低温超导材料制成，则所述制冷液体为液氦(温度约为4.2K)。在实际使用中，所述制冷液体可根据需要替换，不以本实施例为限。
如图1所示，所述SQUID读出模块12的输入端连接所述SQUID三轴磁强计11的输出端，用于读出所述SQUID三轴磁强计11检测到的信号。
具体地，所述SQUID读出模块12工作于常温环境中，通过导线与所述SQUID三轴磁强计11相连，采用多通道读出方式调试各SQUID磁强计的工作点，使各SQUID磁强计正常工作，并将所述SQUID三轴磁强计11中的SQUID磁强计检测到的信号进行处理后读出。所述SQUID读出模块12可采用现有技术中的任意一种SQUID读出电路实现，在此不对其结构进行一一阐述。
如图1所示，所述反馈模块13的输入端连接于所述SQUID读出模块12的输出端、输出端连接所述三轴补偿线圈14，用于将所述SQUID三轴磁强计11检测到的信号反馈到相应的三轴补偿线圈中。
具体地，在本实施例中，所述反馈模块13包括第一比例积分微分电路131、第二比例积分微分电路132及第三比例积分微分电路133，各比例积分微分电路的输入端分别连接一个轴向的磁强计检测信号、输出端分别连接对应的补偿线圈。所述第一SQUID磁强计11a检测到的信号输入到所述第一比例积分微分电路131的输入端Ina，经所述第一比例积分微分电路131处理后输出到所述三轴补偿线圈14中与所述第一SQUID磁强计11a所在平面平行的补偿线圈上(在本实施例中，位于与所述第一SQUID磁强计11a所在平面平行的补偿线圈包括两个，所述第一比例积分微分电路131的输出端Outa连接两个补偿线圈，图1为简化仅连接一个补偿线圈)。所述第一比例积分微分电路131包括比例放大器1311，连接于所述比例放大器1311输出端的积分器1312，及连接于所述积分器1312输出端的功率放大器1313。同理，所述第二比例积分微分电路132的输入端Inb、输出端Outb及所述第三比例积分微分电路133的输入端Inc、输出端Outc分别连接对应的输入信号及输出信号，且具体电路结构与所述第一比例积分微分电路131类似，在此不一一赘述。
需要说明的是，各比例积分微分电路的结构包括但不限于本实施例所列举，任意能实现比例积分微分的电路结构均适用于本发明。
如图1所示，所述三轴补偿线圈14连接所述反馈模块13，基于所述反馈模块13的输出信号产生与环境磁场波动相反的补偿磁场，以达到稳定磁场波动的作用。
具体地，所述三轴补偿线圈14包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈，与所述SQUID三轴磁强计11的三个轴向对应。在本实施例中，各补偿线圈为正方形，且同一轴向上设置两个补偿线圈，分别位于所述SQUID三轴磁强计11的两侧(提高磁场均匀性)；同一轴向的两个补偿线圈的中心在与其轴向垂直的平面上重合，所述三轴补偿线圈14的外轮廓为立方体，所述SQUID三轴磁强计11位于该立方体结构的中心。
需要说明的是，所述补偿线圈的形状包括但不限于其他环状结构，为提高磁场均匀性，优选为正多边形或圆形。同一轴向上的补偿线圈的数量至少为一个，可根据需要设定补偿线圈的数量，不以本实施例为限。
如图1所示，所述数据采集模块15连接于所述SQUID读出模块12的输出端，读取所述SQUID读出模块12的输出信号并进行处理。
具体地，在本实施例中，所述数据采集模块15采用计算机实现。
所述基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统1的工作原理如下：
1)将所述SQUID三轴磁强计11置于无磁无磁杜瓦中，工作于低温环境。采用多通道的SQUID读出模块12调试SQUID工作点，使各SQUID磁强计正常工作。
2)将所述SQUID读出模块12的输出接入所述反馈模块13的输入端，所述反馈模块13的输出端接入所述三轴补偿线圈14。将所述SQUID三轴磁强计11放置于所述反馈模块13的中心位置，所述SQUID三轴磁强计11的三轴方向分别与三轴补偿线圈14的三个轴向方向一致，再将整个基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统1置于安静的地球磁场环境中(如图1所示)。
3)开启所述反馈模块13，调节其参数，实现每一方向的磁场稳场，进而获得各矢量场与总场的稳定。
将现有技术中的稳场系统与本发明的稳场系统放置于磁屏蔽室内。如图4所示为现有技术与本发明的SQUID读出模块输出的频谱，由图可知，本发明的总场振幅比现有技术小，稳定性更高。如图5所示为本发明三轴稳场后SQUID读出模块输出的三个矢量场的实时信号(0.04～1Hz滤波)，其中，上方为Z轴向(xoy平面的法线方向)的矢量场，中间为Y轴向(xoz平面的法线方向)的矢量场，下方为X轴向(yoz平面的法线方向)的矢量场，由此可知，本发明的各矢量场基本稳定，相互之间没有影响。
如上所述，本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，具有以下特性：
1、本发明可以获得高度稳定的磁场总场及分量场。
2、相较于现有技术的光泵总场探测器，SQUID具有更大的带宽，可以获得更高带宽的稳场效果，且磁场灵敏度大大提高。
3、本发明的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统既可以在地球磁场下使用，也可以在零磁场环境下使用，具有更大的适用磁场范围。
综上所述，本发明提供一种基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，包括：SQUID三轴磁强计，SQUID读出模块，反馈模块及三轴补偿线圈；所述SQUID三轴磁强计浸没于制冷液体中，并设置于所述三轴补偿线圈中，所述SQUID三轴磁强计用于探测三个轴向的磁场；所述SQUID读出模块的输入端连接所述SQUID三轴磁强计的输出端，用于读出所述SQUID三轴磁强计检测到的信号；所述反馈模块的输入端连接于所述SQUID读出模块的输出端、输出端连接所述三轴补偿线圈，用于将SQUID三轴磁强计检测到的信号反馈到相应的三轴补偿线圈中；所述三轴补偿线圈产生与环境磁场波动相反的补偿磁场；其中，所述SQUID三轴磁强计与所述三轴补偿线圈的三个轴向对应设置。SQUID具有fT级的磁场灵敏度，并且是矢量探测器，采用三个相互正交的SQUID形成三轴磁强计，再配合反馈模块和三轴补偿线圈，形成矢量稳场，能获得稳定的总场，更能确保三个方向的矢量场均能得到稳定(达到pT级，甚至亚pT级)；同时，本稳场系统可以工作于磁屏蔽环境(零场环境)或者地球磁场环境，具有更大的适用范围。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)

1.一种基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于，所述基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统至少包括：
SQUID三轴磁强计，SQUID读出模块，反馈模块及三轴补偿线圈；
所述SQUID三轴磁强计浸没于制冷液体中，并设置于所述三轴补偿线圈中，所述SQUID三轴磁强计用于探测三个轴向的磁场；
所述SQUID读出模块的输入端连接所述SQUID三轴磁强计的输出端，用于读出所述SQUID三轴磁强计检测到的信号；
所述反馈模块的输入端连接于所述SQUID读出模块的输出端、输出端连接所述三轴补偿线圈，用于将SQUID三轴磁强计检测到的信号反馈到相应的三轴补偿线圈中；
所述三轴补偿线圈产生与环境磁场波动相反的补偿磁场；
其中，所述SQUID三轴磁强计与所述三轴补偿线圈的三个轴向对应设置。
2.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述SQUID三轴磁强计包括三个SQUID磁强计，分别设置于三个互相垂直的平面上。
3.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述SQUID三轴磁强计为高温超导材料或低温超导材料制成。
4.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述反馈模块包括三路比例积分微分电路，各比例积分微分电路的输入端分别连接一个轴向的磁强计检测信号、输出端分别连接对应的补偿线圈。
5.根据权利要求4所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述比例积分微分电路包括依次连接的比例放大器、积分器及功率放大器。
6.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述三轴补偿线圈包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈。
7.根据权利要求6所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述补偿线圈为正多边形或圆形。
8.根据权利要求6所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：各轴向均包括两个补偿线圈，任意轴向上的两个补偿线圈分别设置于所述SQUID三轴磁强计的两侧。
9.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统还包括数据采集模块，连接于所述SQUID读出模块，用于获取所述SQUID读出模块的输出信号并进行处理。
10.根据权利要求1所述的基于SQUID三轴磁强计的矢量磁场稳定系统，其特征在于：所述制冷液体容置于无磁杜瓦中，所述制冷液体包括液氮或液氦。
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