CN109307849A - 基于气压稳定的squid测量系统及稳定气压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法，包括：设置于SQUID检测模块的杜瓦中的气压传感器，对杜瓦中的气压进行检测；连接气压传感器的控制电路，基于气压检测信号产生控制信号；通过气路与杜瓦连接的气压调节模块，杜瓦中的气压进行增压或减压。监测杜瓦内的气压，当杜瓦内的气压小于第一预设气压时，增大杜瓦内的气压；当杜瓦内的气压大于第一预设气压时，减小杜瓦内的气压；使杜瓦中的气压维持在第一预设气压，进而使得制冷液体的温度稳定。本发明通过气压传感器监测杜瓦内气压的变化，再对该变化进行调理，以达到稳定气压进而稳定低温液体温度及SQUID工作点的目的；可有效抑制气压波动引起的SQUID输出波动，且系统简单，方法可靠。

Description

基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法

技术领域

本发明涉及磁检测领域，特别是涉及一种基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法。

背景技术

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下简称SQUID)是目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导SQUID灵敏度可优于1fT/Hz^1/2。是重要的高端应用传感器，广泛应用于生物医疗，地球物理探测，以及基础研究等领域。

为了保证SQUID器件正常工作，通常将SQUID浸泡在低温液体中(低温超导SQUID浸泡在液氦中，而高温超导SQUID浸泡在液氮中)。在静态工作情况下，SQUID系统可以很好地满足应用需求。但是在运动情况下，尤其是在航空应用过程中，系统所在的海拔高度将发生较大变化(可达千米级)，如此大的海拔变化将引起气压的较大变化，影响低温液体(液氦或液氮)的沸点，从而影响SQUID的输出漂移，引入额外的误差，给SQUID应用带来困难。

因此，如何克服气压变化引入的SQUID输出误差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气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法，用于解决现有技术中气压变化引入的误差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于气压稳定的SQUID测量系统，所述基于气压稳定的SQUID测量系统至少包括：

SQUID检测模块、气压传感器、控制电路以及气压调节模块；

所述气压传感器设置于所述SQUID检测模块的杜瓦中，对所述杜瓦中的气压进行检测；

所述控制电路连接于所述气压传感器的输出端，基于所述气压传感器检测到的信号产生控制信号；

所述气压调节模块通过气路与所述杜瓦连接，并受所述控制电路的控制对所述杜瓦中的气压进行增压或减压。

可选地，所述SQUID检测模块包括杜瓦，SQUID器件及读出电路；所述SQUID器件浸泡于所述杜瓦中的制冷液体中；所述读出电路设置于所述杜瓦外部，且通过导线与所述SQUID器件连接。

更可选地，所述SQUID检测模块还包括浸泡在所述制冷液体中的温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述读出电路连接，用于检测所述制冷液体的温度。

更可选地，所述制冷液体包括液氦或液氮。

更可选地，所述杜瓦包括无磁杜瓦。

可选地，所述气压调节模块包括阀门，高压单元及第一低压单元；所述阀门的控制端连接所述控制电路，第一端口连接所述杜瓦，第二端口连接所述高压单元，第三端口连接所述第一低压单元；其中，所述高压单元中的气压大于第一预设气压，所述第一低压单元中的气压小于所述第一预设气压。

更可选地，所述阀门包括压电阀。

更可选地，所述高压单元包括存储有高压氦气或氮气的气瓶。

更可选地，所述低压单元包括大气。

更可选地，所述杜瓦的侧壁上还设置有安全阀，当所述杜瓦中气压大于第二设定气压时，所述安全阀将所述杜瓦的腔室与第二低压单元连通；其中，所述第二低压单元中的气压小于所述第二预设气压。

更可选地，所述第二低压单元包括大气。

可选地，所述基于气压稳定的SQUID测量系统还包括采集模块，所述采集模块连接所述SQUID检测模块及所述气压传感器，用于采集所述述SQUID检测模块及所述气压传感器检测到的信号。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述基于气压稳定的SQUID测量系统的稳定气压的方法，所述稳定气压的方法至少包括：

监测杜瓦内的气压，当所述杜瓦内的气压小于第一预设气压时，向所述杜瓦内注入高气压气体，以增大所述杜瓦内的气压；

当所述杜瓦内的气压大于所述第一预设气压时，将所述杜瓦内的气体释放到低气压气体中，以减小所述杜瓦内的气压；

通过对所述杜瓦中气压的动态调整使所述杜瓦中的气压维持在所述第一预设气压，进而使得所述杜瓦内制冷液体的温度稳定。

可选地，所述稳定气压的方法还包括：当所述杜瓦内的气压大于第二预设气压时，直接将所述杜瓦内的气体释放到大气中，快速降低所述杜瓦内的气压。

可选地，所述高气压气体包括高气压的氦气或氮气。

可选地，所述低气压气体包括大气。

如上所述，本发明的基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法，具有以下有益效果：

本发明通过气压传感器监测杜瓦内气压的变化，再通过与预设的气压阈值相比较，采用特制的气路对该变化进行调理，以达到稳定气压进而稳定低温液体温度及SQUID工作点的目的。本发明可以精确地稳定SQUID所处的低温液体的温度，规避由此引入的额外误差，有效抑制由于气压波动引起的SQUID输出波动；且系统简单，方法可靠。

附图说明

图1显示为本发明的基于气压稳定的SQUID测量系统的结构示意图。

元件标号说明

1 基于气压稳定的SQUID测量系统

111 杜瓦

112 SQUID器件

113 读出电路

12 气压传感器

13 控制电路

14 气压调节模块

141 阀门

142 高压单元

143 第一低压单元

144a～144c 第一～第三气路

15 安全阀

16 温度传感器

17 采集模块

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。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1所示，本发明提供一种基于气压稳定的SQUID测量系统1，所述基于气压稳定的SQUID测量系统1包括：

SQUID检测模块、气压传感器12、控制电路13、气压调节模块14、安全阀15、温度传感器16及采集模块17。

如图1所示，所述SQUID检测模块用于进行磁检测，并输出检测结果。

具体地，所述SQUID检测模块包括杜瓦111、SQUID器件112及读出电路113。

更具体地，所述杜瓦111为一密闭的罐体，用于储存、运输低温液态气体。在本实施例中，所述杜瓦111中容置制冷液体，包括但不限于液氮及液氦。为了避免所述杜瓦罐体材料的磁性对磁场检测的影响，在本实施例中，所述杜瓦111优选为无磁杜瓦。

更具体地，所述SQUID器件112浸泡于所述杜瓦111中的制冷液体中，在本实施例中，所述SQUID器件112为SQUID三轴磁强计，用于探测三个轴向的环境磁场波动，如图1所示，所述SQUID器件112包括三个SQUID磁强计，各SQUID磁强计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。在实际应用中，任意可实现磁检测的SQUID器件均适用于本实施例。

更具体地，所述读出电路113设置于所述杜瓦111外部，所述读出电路113的输入端通过导线连接所述SQUID器件112的输出端，用于读出所述SQUID器件112检测到的信号。任意可实现SQUID器件信号读出的电路均适用于本实施例，在此不一一列举。

如图1所示，所述气压传感器12设置于所述杜瓦111中，对所述杜瓦111中的气压进行检测。

具体的，在本实施例中，所述气压传感器12设置于所述杜瓦111容纳制冷液体的空腔中，且位于所述制冷液体上方。

如图1所示，所述控制电路13连接于所述气压传感器12的输出端，基于所述气压传感器12检测到的信号产生控制信号。

具体地，所述控制电路13读取所述气压传感器12的检测信号，并将检测到的信号与第一预设气压进行比较，根据比较结果输出不同的控制信号。所述控制电路13的硬件实现方式灵活多用，任意可实现上述逻辑的电路均适用于本实施例的控制电路13，在此不一一赘述。

如图1所示，所述气压调节模块14通过气路与所述杜瓦111连接，并受所述控制电路13的控制对所述杜瓦111中的气压进行增压或减压。

具体地，在本实施例中，所述气压调节模块14包括阀门141，高压单元142及第一低压单元143。

更具体地，所述阀门141的控制端连接所述控制电路13，受所述控制电路13的控制切换不同的端口导通。在本实施例中，所述阀门141为三通阀，其中，第一端口通过第一气路144a连接所述杜瓦111，第二端口通过第二气路144b连接所述高压单元142，第三端口通过第三气路144c连接第一低压单元143。当所述第一端口与所述第二端口连通时，所述高压单元142向所述杜瓦111中注入高压气体，所述杜瓦111中的气压被抬高；当第一端口与所述第三端口连通时，所述杜瓦111中气体排入所述低压单元143中，所述杜瓦111中的气压被降低。在本实施例中，所述阀门141优选为压电阀，可有效提高工作效率及操作灵敏度。

更具体地，在本实施例中，所述高压单元142为存储有高压液氦或液氮的气瓶，且所述高压单元142中的气压大于所述第一预设气压。

更具体地，所述低压单元143中的气压小于所述第一预设气压，在本实施例中，为了降低成本，简化结构，所述低压单元143为大气。所述低压单元143也可设置为存储低压液氦或液氮的气瓶，在此不一一赘述。

如图1所示，所述安全阀15设置于所述杜瓦111的侧壁上，用于对所述杜瓦111中的气压进行快速下调。

具体地，在本实施例中，所述安全阀15安装于所述杜瓦111的外侧壁上，且安装位置高于所述制冷液体的液面。所述安全阀15的启闭件受外力作用下处于常闭状态，当所述杜瓦111内部腔室的气压升高超过第二预设气压时，通过向第二低压单元排放气体来防止所述杜瓦111内气压超过所述第二预设气压。所述安全阀15为自动阀类，无需单独设置控制信号。

需要说明的是，所述第二低压单元中的气压小于所述第二预设气压，具体数值可根据需要设定。在本实施例中，所述第二低压单元为大气，其它气压低于所述第二预设气压的环境也同样适用于本实施例，在此不一一赘述。

需要说明的是，在本实施例中，所述第二预设气压大于所述第一预设气压，当所述杜瓦111中气压大于所述第二预设气压时，启用所述安全阀15对所述杜瓦111放气，以快速减小所述杜瓦111内气压，以避免所述杜瓦111内气压急剧增大(气压增大的速度大于通过阀门141减小的速度)，带来的安全隐患；当所述杜瓦111中气压介于所述第二预设气压与所述第一预设气压质之间时，启用所述阀门141对所述杜瓦111中气体缓慢放气，以精细调整所述杜瓦111内气压。

如图1所示，所述温度传感器16浸泡在所述制冷液体中，用于对所述制冷液体的温度进行检测。

具体地，所述温度传感器16的输出端与所述读出电路113连接，通过所述读出电路113将检测到的温度信号读出。

如图1所示，所述采集模块17连接所述SQUID检测模块及所述气压传感器12，用于采集所述SQUID检测模块及所述气压传感器12检测到的信号。

具体地，所述采集模块17的输入端连接于所述读出电路113及所述气压传感器12的输出端，采集所述读出电路113及所述气压传感器12的输出信号，用于后续计算或便于直观显示检测结果。

需要说明的是，所述安全阀15、所述温度传感器16及采集模块17可去除，本实施例的基于气压稳定的SQUID测量系统仍能在稳定气压下检测磁场，误差小，准确性高。

实施例二

如图1所示，本实施例提供一种基于气压稳定的SQUID测量系统的稳定气压的方法，在本实施例中，所述稳定气压的方法基于所述基于气压稳定的SQUID测量系统1实现，在实际应用中，任意可实现本方法的电路结构均适用于本实施例。

如图1所示，将所述SQUID器件112、所述气压传感器12及所述温度传感器16正确连接，并置于所述杜瓦111内部，其中，所述SQUID器件112及所述温度传感器16浸泡在制冷液体(液氦或液氮)中，所述气压传感器12置于液体上方。然后将所述杜瓦111密封，采用一气管将所述杜瓦111与所述压电阀连通，所述压电阀另一端口连接至一储存高压气体(氦气或氮气)的气瓶。

系统搭建完成后，检测磁场并稳定气压，所述稳定气压的方法包括：

如图1所示，基于所述气压传感器12监测所述杜瓦111内的气压，并将检测到的气压检测信号传输给所述控制电路13。

如图1所示，所述控制电路13将所述气压检测信号与设定阈值进行比较。

具体地，当所述杜瓦111内的气压小于所述第一预设气压时，所述控制电路13将所述阀门141的第一端口与第二端口连通，则所述高压单元142中的高压气体(氦气或氮气)注入所述杜瓦111中，所述杜瓦111中的气压被抬高，其中，所述高压气体起到压力开关及气源的作用起到压力开关及气源的作用；同时所述气压传感器12实时监测所述杜瓦111内的气压，当所述杜瓦111内的气压达到所述第一预设气压时，所述控制电路13将所述阀门141的第一端口及第二端口阻断，所述杜瓦111内的气压不再增加。

具体地，当所述杜瓦111内的气压大于所述第一预设气压时，所述控制电路13将所述阀门141的第一端口与第三端口连通，则所述杜瓦111中的气体被释放到所述第一低压单元143中，本实施例中，直接释放到大气中，所述杜瓦111中的气压降低；同时所述气压传感器12实时监测所述杜瓦111内的气压，当所述杜瓦111内的气压达到所述第一预设气压时，所述控制电路13将所述阀门141的第一端口及第三端口阻断，所述杜瓦111内的气压不再降低。

所述杜瓦111内气压维持一个动态平衡，稳定在所述第一预设气压，以此使得所述杜瓦111中的制冷液体温度稳定。

如图1所示，所述SQUID器件112在稳定的气压环境中进行磁场检测，输出的检测信号波动小、噪声少。

需要说明的是，此外，为了安全起见，当所述杜瓦111中气压大于第二预设气压(大于所述第一预设气压)时，所述杜瓦111通过所述安全阀15直接与大气连通，向大气中排放气体(氦气或氮气)，以避免气压过大引起的安全隐患。

本发明的基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法形成一套气压反馈及稳定装置。工作时将杜瓦密封，通过一气路将杜瓦内气压与一压电阀连接，通过气压传感器检测杜瓦内气压，并与控制电路内的设定气压值对比，控制压电阀的开关状态，实现杜瓦内气压的稳定，从而保证了SQUID工作点的稳定。

综上所述，本发明提供一种基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法，包括：SQUID检测模块、气压传感器、控制电路以及气压调节模块；所述气压传感器设置于所述SQUID检测模块的杜瓦中，对所述杜瓦中的气压进行检测；所述控制电路连接于所述气压传感器的输出端，基于所述气压传感器检测到的信号产生控制信号；所述气压调节模块通过气路与所述杜瓦连接，并受所述控制电路的控制对所述杜瓦中的气压进行增压或减压。监测杜瓦内的气压，当所述杜瓦内的气压小于第一预设气压时，向所述杜瓦内注入高气压气体，以增大所述杜瓦内的气压；当所述杜瓦内的气压大于所述第一预设气压时，将所述杜瓦内的气体释放到低气压气体中，以减小所述杜瓦内的气压；通过对所述杜瓦中气压的动态调整使所述杜瓦中的气压维持在所述第一预设气压，进而使得所述杜瓦内制冷液体的温度稳定。本发明将提出一种采用气压稳定装置来确保SQUID系统中低温液体温度恒定的新技术，本发明的基于气压稳定的SQUID测量系统及稳定气压的方法采用一个气压探测器监测杜瓦内部气压，并实时与设定的气压阈值进行比较，通过气路调节，确保杜瓦内气压维持在某一特定值，从而稳定SQUID的工作点，为SQUID在运动平台下工作提供了一个稳定的温度环境。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 (16)

1.一种基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于，所述基于气压稳定的SQUID测量系统至少包括：

SQUID检测模块、气压传感器、控制电路以及气压调节模块；

所述气压传感器设置于所述SQUID检测模块的杜瓦中，对所述杜瓦中的气压进行检测；

所述控制电路连接于所述气压传感器的输出端，基于所述气压传感器检测到的信号产生控制信号；

所述气压调节模块通过气路与所述杜瓦连接，并受所述控制电路的控制对所述杜瓦中的气压进行增压或减压。

2.根据权利要求1所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述SQUID检测模块包括杜瓦，SQUID器件及读出电路；所述SQUID器件浸泡于所述杜瓦中的制冷液体中；所述读出电路设置于所述杜瓦外部，且通过导线与所述SQUID器件连接。

3.根据权利要求2所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述SQUID检测模块还包括浸泡在所述制冷液体中的温度传感器，所述温度传感器的输出端与所述读出电路连接，用于检测所述制冷液体的温度。

4.根据权利要求2～3任意一项所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述制冷液体包括液氦或液氮。

5.根据权利要求2～3任意一项所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述杜瓦包括无磁杜瓦。

6.根据权利要求1所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述气压调节模块包括阀门，高压单元及第一低压单元；所述阀门的控制端连接所述控制电路，第一端口连接所述杜瓦，第二端口连接所述高压单元，第三端口连接所述第一低压单元；其中，所述高压单元中的气压大于第一预设气压，所述第一低压单元中的气压小于所述第一预设气压。

7.根据权利要求6所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述阀门包括压电阀。

8.根据权利要求6所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述高压单元包括存储有高压氦气或氮气的气瓶。

9.根据权利要求6所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述低压单元包括大气。

10.根据权利要求6～9任意一项所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述杜瓦的侧壁上还设置有安全阀，当所述杜瓦中气压大于第二设定气压时，所述安全阀将所述杜瓦的腔室与第二低压单元连通；其中，所述第二低压单元中的气压小于所述第二预设气压。

11.根据权利要求10所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述第二低压单元包括大气。

12.根据权利要求1所述的基于气压稳定的SQUID测量系统，其特征在于：所述基于气压稳定的SQUID测量系统还包括采集模块，所述采集模块连接所述SQUID检测模块及所述气压传感器，用于采集所述SQUID检测模块及所述气压传感器检测到的信号。

13.一种如权利要求1～12任意一项所述的基于气压稳定的SQUID测量系统的稳定气压的方法，其特征在于，所述稳定气压的方法至少包括：

监测杜瓦内的气压，当所述杜瓦内的气压小于第一预设气压时，向所述杜瓦内注入高气压气体，以增大所述杜瓦内的气压；

当所述杜瓦内的气压大于所述第一预设气压时，将所述杜瓦内的气体释放到低气压气体中，以减小所述杜瓦内的气压；

通过对所述杜瓦中气压的动态调整使所述杜瓦中的气压维持在所述第一预设气压，进而使得所述杜瓦内制冷液体的温度稳定。

14.根据权利要求13所述的稳定气压的方法，其特征在于：所述稳定气压的方法还包括：当所述杜瓦内的气压大于第二预设气压时，直接将所述杜瓦内的气体释放到大气中，快速降低所述杜瓦内的气压。

15.根据权利要求13所述的稳定气压的方法，其特征在于：所述高气压气体包括高气压的氦气或氮气。

16.根据权利要求13所述的稳定气压的方法，其特征在于：所述低气压气体包括大气。