CN113705050B - 一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，由LabVIEW搭建，包括样品模块、面板模块和SQUID模块，样品模块提供励磁电流参数、环境温度参数、环境磁场参数，提供样品损伤图样集；面板模块用于调节励磁电流参数、环境温度参数、环境磁场参数，并且显示干路电流、极值数和磁感应强度；SQUID模块包括直流电路模块、约瑟夫森结、超导回路、敏感电流计，利用所述平台实现磁滞回线测量实验、居里温度点实验和无损探伤实验。本发明可以降低实验成本，提高实验的可实施性，保证实验安全性；仿真实验可以形象地展示仪器工作的微观过程，让学生更清楚地了解仪器的机理。
Description
技术领域
本发明属于大学物理实验教学用具涉及领域，具体涉及一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，特别是一种基于LabVIEW的超导量子干涉仪教学虚拟实验平台。
背景技术
1962年，约瑟夫森预言了超导体中的超电流通过势垒时的行为，称为约瑟夫森效应。如图1所示，当左右两段超导体被一段很薄的器件(可以是其它超导体、普通导体或绝缘体) 分隔开时，通过器件的电流为
I＝I0 sinδ
其中分两种情况，首先是结中流过的电流不超过临界电流，其结上电压为零，则左右超导的相位差为常数。这称作直流约瑟夫森效应。
而若结上电压不为零，超导两端的相位差δ随时间变化，其变化满足方程
若结上电压为零，则两端相位差恒定，这称作直流约瑟夫森效应。
将两个约瑟夫森结并联形成一个超导环，这就是一个SQUID元件，如图2所示
根据直流约瑟夫森效应，当施加直流电压，结中电流不超过临界电流时，左右超导的相位差为定值。且干路流过的电流为
若对环内施加垂直纸面的磁场，根据A-B效应，空间中电子波函数会收到磁矢势的影响。可以直接得出其相位差和通过环中磁通的关系
可以看到左右超导的相位差和环内磁通成正比，将上式改写
这里令得知若环内磁通Φ为Φ0的整数倍时，上下两电子的波函数相位差为2π的整数倍，此时两电子相干加强，可以直接把干涉的表达式写出
其中通过调节超导环的几何形状来调节。例如，当/>时
磁滞回线是铁磁性物质和亚铁磁性物质特有的现象，因为此类物质的固有磁矩较强，微粒间产生了较强的相互作用，形成了长程有序的结构。我们称这个为自发磁化，物质自发磁化后会形成很多个磁矩方向相同的小区域，这便是磁畴结构。相较于顺磁性和逆磁性的小相对磁化率、线性磁化，铁磁性物质的相对磁化率大，为非线性磁化。把铁磁质进行周期性磁化，即可观测到磁滞回线。
J-A模型Jiles和Atherton提出，定量地描述了铁磁性物质的磁化过程，首先可以将无磁滞的磁化强度Man写出
Man＝Mslangevein(He/a)
其中，Ms为饱和磁化强度，He为有效磁场强度，a为有效磁畴密度，而有效磁场强度可以被写成这样的形式
He＝H+αM
这里H是的施加的外场，αM是磁畴内磁矩的相互作用。J-A模型认为磁化强度为可逆磁化强度Mrev和不可逆磁化强度Mirrs的叠加
无损探伤一般运用于飞机机翼的损伤探测，建筑的损伤检测、集成电路的检测。飞机机翼或建筑可能会受到外部的循环作用力，此时其内部刚性结构就会发生疲劳损伤，简单来说就是其材料出现了细微的裂缝，对于这些裂缝可能短时间不会出现问题，但随着疲劳积累，剧烈的破坏可能发生，为了避免这一情况，人们使用SQUID对机翼内的合金，建筑中的钢筋结构进行损伤检测，依据检测出的磁异常来判断损伤。
涡流检测是常用的方法。涡流检测是把导体接近通有交流电的线圈，由线圈建立交变磁场，该交变磁场通过导体，并与之发生电磁感应作用，在导体内建立涡流。导体中的涡流也会产生自己的磁场，涡流磁场的作用改变了原磁场的强弱，进而导致线圈电压和阻抗的改变。当导体表面或近表面出现缺陷时，将影响到涡流的强度和分布。
对于机翼的无损探伤，一个较为普遍的方案是外加涡流。当电磁波在导体中传播时导体中将产生涡旋电流，涡旋电流的分布及大小与导体的导电特性有关。如果导体中存在缺陷，该缺陷将会严重影响导体的导电性能。例如导体块中如果存在裂缝，涡电流在导体中流动时会绕过裂缝而重新分布，通过检测重新分布的涡流所产生的磁场，就可得到有关缺陷的信息。
对非铁磁性导体施加均匀的交流磁场，在没有损伤的区域中会分布均匀的涡电流，而在含有裂缝的区域，因其导电性能差，涡电流在上面分布较少。可以使用SQUID通过测量涡电流产生的磁感应强度来判断损伤的大小和形状。
测量出的磁场分布，可以通过由格林函数推导出的体积积分方法(VIM法)来逆向推测出损伤情况。而可以通过求解麦克斯韦方程组根据损伤情况求出涡流分布情况。
labVIEW作为一种由美国国家仪器(NI)公司研制开发的程序开发环境，使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。labVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。有如下优点：1、尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2、可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3、用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
虚拟仿真实验是目前新兴的一种通过构建虚拟实验场景，实验内容，操作对象，以及交互环境，使学生可以在线上，不受时空限制，完成和实验室相同的实验内容的在线实验室，是一种新兴的教学模式。虚拟仿真实验教学中心的工作重点是“信息化教学资源建设”，核心是实现“优质教学资源共享”。虚拟仿真教学实验系统具有开放性，交互性，形象性及情境性的特点，可以增强学生的趣味性和主动性。在实验教学中，虚拟仿真实验可以规避某些真实物理实验环境中潜在的实验风险，提升学生的主动性和创新性。虚拟仿真实验作为线上教学的一种手段被广泛的应用于各大高校，也为基础物理实验改革注入了新的血液，有着极其广阔的发展前景与极大的应用价值。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，相比于实际的实验，具有更高的实验安全性，降低成本，提高实验的可实施性，可以形象地展示仪器工作的微观过程，让学生更清楚地了解仪器的机理。
为解决上述技术问题，本发明的一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，由LabVIEW搭建，包括样品模块、面板模块和SQUID模块，样品模块提供励磁电流参数、环境温度参数、环境磁场参数，提供样品损伤图样集，根据样品损伤图样的磁化过程和励磁电流确定样品激发磁场的磁感应强度；面板模块用于调节励磁电流参数、环境温度参数、环境磁场参数，并且显示干路电流、极值数和磁感应强度，极值数根据干路电流计算确定，磁感应强度根据极值数计算确定；SQUID模块包括直流电路模块、约瑟夫森结、超导回路、敏感电流计，直流电路提供约瑟夫森结两端偏置电压参量，约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，加入噪声后的干路电流传递至面板模块；利用平台实现磁滞回线测量实验、居里温度点实验和无损探伤实验。
本发明还包括：
1.磁化过程包括顺磁质磁化、抗磁质磁化或是铁磁质磁化；
顺磁质磁化和抗磁质磁化过程，磁感应强度满足：
B＝μ0(H+M)＝μ0(1+χ)H
其中，H为磁场强度，M为磁化强度；
铁磁质磁化过程，磁感应强度满足：
当温度T＜Tc：
B＝μ0(H+M)
其中，Mirr不可逆磁化强度，Man为无磁滞的磁化强度，He为有效磁场强度，k为磁滞损耗参数，δ为方向系数，当dH/dt＞0时，δ＝1；当dH/dt＜0时，δ＝-1，c为可逆磁化参数，α为磁耦合场参数；
当温度T＞Tc，铁磁质磁化变为顺磁质磁化。
2.极值数根据干路电流计算确定具体为：将干路电流的数值均存入数组，计算数组的零点数目：对数组中每一个值都执行I＜ε的判断，ε为给定值，对于满足该条件的值都为零点，但是相邻的零点只被记录一次，最终零点数目即为极值数。
3.噪声包括热噪声和散粒噪声；
热噪声具体为：其中，k为玻尔兹曼常数,T为电路的温度参量，R为电路的电等效阻参量；
散粒噪声具体为：满足正态分布，方差均值为零的随机数，其中IDC为干路的直流电流，Δf为测量的带宽，IDC和Δf均为定值。
4.利用平台实现磁滞回线测量实验具体为：
选择测量磁滞回线实验，通过面板模块上调节磁场强度大小按钮调用面板模块的参数调节功能改变励磁电流，损伤图样为铁磁质，根据样品损伤图样的磁化过程和励磁电流确定样品激发磁场的磁感应强度；约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，加入噪声后的干路电流传递至面板模块进行显示，根据干路电流计算确定极值数，根据极值数计算确定磁感应强度；极值数和磁感应强度由面板模块进行显示；磁滞回线图像绘制区域通过实时记录磁场强度大小和测量磁感应强度大小，将点在平面图上绘制出。
5.利用平台实现居里温度点实验具体为：
选择测量居里温度点实验，在“初始磁感应强度”输入框输入初始磁感应强度，通过开始升温按钮调用面板模块的参数调节功能改变环境温度，损伤图样为铁磁质，根据样品损伤图样的磁化过程和励磁电流确定样品激发磁场的磁感应强度，约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，根据干路电流计算确定极值数，根据极值数计算确定磁感应强度；磁感应强度由面板模块进行显示，示波器显示区显示磁感应强度随温度变化曲线。
6.利用平台实现无损探伤实验具体为：
选择探伤实验，在操作界面上“测量x位置”和“测量y位置”输入框中输入待测位置平面坐标；在“样品温度”输入框中输入温度值；通过“测量”按钮调用样品损伤图样的磁化过程，确定样品激发磁场的磁感应强度，约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，根据干路电流计算确定极值数，根据极值数计算确定磁感应强度；磁感应强度由界面中“测量值”显示框中显示；点击“确认”按钮，将“测量值”显示框中显示的磁感应强度映射为灰度值并显示在右侧的显示屏中；点击“自动扫描”按钮，将所有检测的磁感应强度映射为灰度值并显示在右侧的显示屏中；点击“清零”按钮将显示屏清零。
本发明的有益效果：本发明基于LabVIEW图形化编程，将超导量子干涉仪的实验平台浓缩到LabVIEW子程序中，随着实验的进行可以通过开发不同的子程序丰富功能的应用，具有较低的实验成本，较少的经费投入，更多的功能板块的特点。本平台从超导量子干涉仪理论出发，经过严格推导，与实际超导量子干涉仪物理原理更为符合。且我们开发了基于LabVIEW的图形面板，尽可能的精简学生的操作步骤，力求让学生在掌握物理原理的同时尽量减轻做实验的难度和负担。
超导量子干涉仪虚拟实验教育平台实现了SQUID磁滞回线测量、高温居里实验和非铁磁质探伤实验三个主要的功能，完整地展示了实际实验的操作过程，另外，搭建的3D模型，清晰地展示了仪器的内部结构，相比于实际的实验，虚拟实验作为教学实验有着很大的优势。
1.降低成本，提高实验的可实施性。由于超导需要极低的温度，所以本实验的条件十分苛刻，这既需要很高的成本，又会带来一定的危险性，使得实际实验不便于作为教学实验。
2.本实验需要严格控制和测量设备的几何尺寸，对产生磁场的精度和稳定性也有很高的要求。对实验技术的过高的要求容易使学生忽视对实验本质的理解。
3.仿真实验可以形象地展示仪器工作的微观过程，让学生更清楚地了解仪器的机理。
附图说明
图1为约瑟夫森结示意图；
图2为SQUID元件结构图；
图3为超导量子干涉仪设计图；
图4为结构功能设计简图；
图5为虚拟实验各模块关系结构图；
图6为超导量子干涉仪的测量原理图；
图7为有源法无损探伤示意图；
图8为超导量子虚拟实验平台主界面；
图9为磁滞回线测量实验操作界面；
图10为居里温度点实验操作界面；
图11为无损探伤实验操作界面；
图12为铁磁质磁化过程流程图；
图13为计算极值数流程图；
图14为灵敏电流计加入测量噪声流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
超导量子干涉仪设计是虚拟实验设计的核心，为了让整个实验的原理更容易被理解，仪器应在满足真实性、实用性的前提下尽可能地精简其功能和结构，图3为超导量子干涉仪设计图，图4为结构功能设计简图。所设计的超导量子干涉仪主体主要分为两部分，分别是设备室和样品室，其中设备室安装有两个约瑟夫森结构成的超导环，由总控面板引出的线路进行供电，在工作状态下需要给直流偏置，在超导环接入的电路干路中有灵敏电流计，实时采样干路电流大小，采样数据传回总控面板。超导量子干涉仪在进入工作状态前，需要将设备室降温超导温度，此时可在设备室中通入液氮。设备室与样品室、外界绝热。
样品室放入需要检测的样品，为了方便进行测量不同温度下样品的性质，样品室同样设计为绝热，并且其温度可控。样品被放置在样品架上，样品架由机械夹具和导轨组成，导轨由精密步进电机控制，可以通过总控面板输入绝对坐标控制样品在平面上的方位。样品室与设备室并不联通，它们之间相互绝热。
虚拟仿真实验为了尽可能地符合真实结果，需要把每一部分可能对实验产生影响的因素都刻画出，所以需要采用模块化思路以构建虚拟仿真实验的功能。
虚拟仿真实验的软件部分由三大模块组成，分别是：样品、面板、SQUID。这三大模块又分别由若干部分所组成，各部分关系如图5所示，这些部分可以是由一个封装起来的子程序也可以是一个变量，无论简单还是复杂，都是在程序中实际存在的。各个部分的相互作用关系由理论推导或由实际经验得出。
样品模块中包含五个部分，分别为：励磁电流、环境温度、环境磁场、损伤图样、磁化过程。其中励磁电流、环境温度、环境磁场虽然不是真实世界样品的属性，但是为了程序的简单，我们还是将其封装在了一起，不过在程序中我们还是将它们设置成与外界相关的属性，样品的励磁电流、环境温度、环境磁场，都是可以由面板调节的参数。从样品上测得的磁感应强度是由外界磁场和样品激发的磁场所组成，外界磁场由面板的参数调节控制，而样品激发出的磁化强度由样品自身的磁化过程所决定，磁化过程可以是顺磁质磁化、抗磁质磁化或是铁磁质磁化。这些磁化过程都由理论推导而出，进而在程序中表达。需要注意的是，带有损伤的样品并不是均匀的物质，带有损伤实际上意味着样品内部存在裂缝，于是样品的不同部位会有不同的磁化过程。即损伤图样确定了磁化过程，通过磁化过程程序计算出样品激发出的磁场大小。
具体对虚拟实验平台样品模块的设计进行说明。励磁电流、环境温度、环境磁场为三个可以被人为调节的浮点型变量。损伤图样为事先存入程序的二维数组数据，唯一地表示了样品不同部位遵循如何的磁化过程。对于顺磁质、抗磁质磁化，程序中使用简单的线性映射公式进行计算
B＝μ0(H+M)＝μ0(1+χ)H
如果是损伤区域，可以认为裂缝为真空，则将χ＝1，计算出磁感应强度。
损伤图样若认为样品某部位为铁磁质，则应当满足铁磁质磁化。不同于前面的线性磁化，铁磁质磁化为非线性的，并且与磁化的历史有关，必须使用微分方程计算得到，需要磁化过程程序不停地求解J-A模型，该模型由这三个方程组成：
B＝μ0(H+M)
其中无磁滞的磁化强度为Man＝Mslangevein(He/a)，在整个虚拟仿真实验中，需要不断地对该方程进行数值求解，我们一并地给出数值求解地方法，采用四阶龙格-库塔法。
具体计算步骤见流程图(图12)，其中磁场强度H是由采样得到，磁场强度实质是由面板参数调节改变励磁电流与环境磁场而调节的。磁化过程以一定的频率对施加的磁场强度H 进行采样，对每一次采样得到的磁场强度增量进行数值计算。在计算之前还对磁场强度增量进行了细分操作，因为微分方程的数值计算需要保证步长足够小，但是步长过小会导致计算量显著增加，不能保证计算结果得到的实时性，所以这里取500次细分。
所以整个计算流程如图12所示，对每个时刻都算出磁场强度增量ΔH，首先程序对磁场强度增量ΔH取500分之一，得到数值迭代单位步长h，下一步程序进入迭代，迭代500次后程序输出结果，迭代程序中运行算式分别将不可逆磁化强度Mirr随有效磁场强度He的变化率 k1,k2,k3,k4和磁化强度Mirr随磁场强度的变化率k′1,k′2,k′3,k′4计算出四个角标分别代表着在 H0,H0+h/2(左侧),H0+h/2(右侧)，H0+h四处算出的变化率，八个变化率需要按流程顺序进行计算，最后将磁化强度M和不可逆磁化强度计算出Mirr
环境温度是样品模块的一个部分，磁化的过程是与样品温度相关的，对此我们需要运用居里定律进行描述
对于铁磁质，维斯给出了修正
其中Tc为铁磁质的居里点温度，可以看到当温度为居里点温度时，磁化率为无穷，此时磁化率发生转变，铁磁质变为顺磁质。
那么对于铁磁性样品，可以认为其磁化率是关于温度的分段函数，在居里点温度前磁化率基本保持不变，在居里点温度后变为顺磁质。该分段函数可以在底层使用判断语句进行实现，对于任何一个环境温度，都执行判断语句，以运行不同的算式。
面板模块包含四个部分，分别为：参数调节、干路电流显示、极值数显示、磁感应强度显示。面板上的旋钮可以调节参数，可以调节励磁电流的大小、环境磁场大小、环境温度的大小。面板模块同样还承担着显示的功能，虽然超导量子干涉仪的最终目的是测量出磁感应强度，但为了教学目的，整个测量过程需要较好地展现出来。超导量子干涉仪测量磁感应强度的原理是根据超导电流大小的极值数目，计算出改变的量子磁通个数，从而得到磁感应强度大小，所以在面板中，这些数值都需要被显示出来。
具体对虚拟试验平台样品模块的设计进行说明。参数调节部分为几个旋钮控件，程序运行时可以通过旋转旋钮空间以调节样品模块中的三个变量。同时面板模块还包含着对应着干路电流显示、极值数显示、磁感应强度显示的三个显示控件。显示控件的功能就是把数值在面板上显示出来。其中干路电流的数值到极值数显示的数值存在一个程序计算数极值的过程，首先将干路电流的数值均存入数组，后程序遍历数组，数出数组中的极大值数目。计算极大值的过程中需要对数组每一个量进行排序，十分耗费计算资源，于是转换成计算数组的零点数目，零点数目近似极大值数。基本思路是，对数组Iarr中每一个值都执行I＜ε的判断，对于满足该条件的值都为零点，但是相邻的零点只被记录一次，计算极值数的流程如流程图(图 13)所示。计算出的极大值数一方面用于显示，另一方面需要通过该数值计算出磁感应强度大小。该计算比较简单，程序带入算式即可算出
B＝N×B0,
这里N为数出的极大值数目，B0为量子磁通对应的磁感应强度大小，为一个常数。计算出磁感应强度大小后，磁感应强度显示控件显示出数值。
超导量子干涉仪的核心是由两个约瑟夫森结所组成的超导量子干涉器件(SQUID)所组成的，SQUID由四个部分组成：直流电路、约瑟夫森结、超导回路、敏感电流计。其中SQUID 测量得的磁场真实值由样品给出，样品的磁化过程理论计算出磁场的真实值后由SQUID测量，灵敏电流计测量得到超导电流的数值，但是灵敏电流计测量不能得到超导电流真实值，测量得到的值应该包括随机的电流噪声。
SQUID模块的结构示意如图6，由两个约瑟夫森结并联而构成的超导环，干路串联敏感电流计。
约瑟夫森结满足约瑟夫森定律
公式中的U为直流电路提供的偏置电压，在程序中为一参量，其值为零，此时约瑟夫森结两端的相位差恒定。两个约瑟夫森结相并联还满足A-B效应，所以两条支路上的电流会在干路形成干涉，当穿过超导回路的磁通量产生微小变化时，干路电流可以观测到较大的变化。
具体对虚拟试验平台SQUID模块的设计进行说明。直流电路为一个参量，其值代表了约瑟夫森结两端的电压大小，其值为零。约瑟夫森结构成的超导回路为一程序，将磁化过程计算出的磁感应强度大小，通过超导回路程序的计算，算出干路电流的大小，其公式为
I＝I0cos(Φ/Φ0).
程序实质上对应着真实实验的测量过程，即磁感应强度(真实值)经过测量后变为磁感应强度(测量值)，真实实验中超导回路几乎不会引入误差，所以直接将磁化过程得到的磁感应强度通过较简单的公式映射成干路电流。
但是电流的测量过程中是存在误差的，在这里热噪声(Johnson噪声)、散粒噪声和1/f 噪声占主导地位，所以我们主要考虑热噪声和散粒噪声这两类电流噪声，程序中体现为加入两个正态分布的电流随机数，如流程图(图14)所示。程序将根据一定频率采样磁感应强度 B，并根据约瑟夫森结的理论转换成电流I，而Insl和InT分别为散粒噪声和热噪声，通过 Box-Muller方法可以计算出，U1,U2为两个在[0,1]分布的均匀随机变量，通过该两个算式可以转换成两个正态分布的随机噪声，A1,A2为这两个随机噪声的标准差，最终得到的电流会被记录在数组Iarr中。
电流热噪声为一个均值为零，均方值为的正态分布，对此我们只需要列出方程，解出其正态分布的方差即可
解得
则在程序中，设置iNT为一方差为σ2，均值为0的正态分布随机数，以较高的频率加入到干路电流(真实值)中。
散粒噪声在中低频下同样是一个高斯白噪声，其均方值可以通过同样的方式求出其方差
其中IDC为干路的直流电流，Δf为测量的带宽，这两个参数都被设置成一个定值。电流加入噪声的过程如流程图所示，通过了这一步加入了两种噪音，可以得到电流I(测量值)。该电流值会被传给面板，通过面板的干路电流显示控件显示，和极值数计算功能计算出电流极值数目，以最终得到磁感应强度大小。所以实际上SQUID模块实现了整个虚拟实验平台中测量的功能。
这三个模块的相互配合，最终组成超导量子干涉仪虚拟实验平台的最基础的软件部分。
前面对整个虚拟超导量子干涉仪的基本实现技术方案进行介绍，而虚拟无损探伤实验作为本虚拟实验平台的一个核心实验，也需要对其的实现方案进行介绍。
本虚拟实验对一个非铁磁质进行探伤。当今使用SQUID无损探伤，分为无源法和有源法。相对无源法，有源法的探伤效果更加好，这也是我们在虚拟实验中采用的方法。基本原理是对导体施加交变磁场，在导体上形成感应电流，若被探测的部位存在损伤，则该部位的电导率会存在不同进而导致涡流分布的改变。虚拟探伤实验如图7所示。
设计虚拟无损探伤实验，我们先做出了一个内部具有损伤的100*100*20的铝块，通过电磁学有限元仿真，计算出涡流分布和各个部位的磁感应强度垂直于导体表面方向分量的大小。将其做成一个数组存储起来。
根据这个数据，即可测量出铝块内部的损伤的形状和大小。相对于整个铝块，SQUID一次测量的范围还是较小，需要经过多次改变位置进行测量，才能对涡流整体的分布情况进行掌握，为此，我们在程序中设置了一个数组对所有的历史测量数据进行记录，可以使用灰度图进行显示。
探伤的实质就是不断的修改X、Y坐标位置将其转换为二维数组的行列指标，在已经计算出来的数据中进行检索。
如图8所示，超导量子干涉仪虚拟实验，包括：
(1)磁滞回线测量实验，测量铁磁性物质和亚铁磁质物质反复磁化过程磁化强度与磁场强度的关系。
操作面板如图9，各部分功能：
干路电流：此处显示SQUID主体上所接的灵敏电流计的数值，实时反应了SQUID主体干路电流的变化；
磁滞回线图像绘制：通过实时记录磁场强度大小和测量磁感应强度大小，将点在平面图上绘制出；
电流极值数目：记录流过约瑟夫森结的电流变化的周期(极值次数)，用于计算磁场；
磁感应强度：通过磁通变化累计乘测量单位磁感应强度得到磁感应强度大小；
调节磁场强度大小旋钮：通过该转动该旋钮可以改变励磁电流的大小，从而调节磁场强度的大小。
虚拟实验实现：
该虚拟实验的实现基于超导量子干涉仪虚拟实验平台的设计。具体情形为SQUID对准样品的某一处，改变励磁电流大小测量磁感应强度。该虚拟仪器面板上的“调节磁场强度大小”、“干路电流大小”、“电流极值数目”、“磁感应强度”，分别是虚拟实验平台设计中面板模块的参数调节部分、干路电流显示部分、极值数显示部分、磁感应强度显示部分。后三个显示控件显示的数值存在对应关系，程序使用设计的虚拟实验平台算法对干路电流数组进行遍历，计算出电流数组中的极值数。极值数通过一个算式，程序计算出磁感应强度。
该虚拟实验利用了样品模块的励磁电流部分、损伤图样部分、磁化过程部分。样品模块的环境温度部分、环境磁场部分并没有在该虚拟实验中出现，是因为在该虚拟实验中环境温度和环境磁场认为一个不改变的定值，虚拟实验运行过程中均不调用其参数。这里的样品模块中，励磁电流为一可变的参数，通过图9中面板上的“调节磁场强度大小”旋钮进行改变；损伤图样为均一的介质，因为需要实现磁滞回线的观测，所以损伤图样铁磁质。所以磁化过程程序中不断地查询励磁电流大小对J-A模型的方程进行计算，计算出磁感应强度的大小，将数值传给SQUID模块的约瑟夫森结和超导回路。
该虚拟实验利用了SQUID模块的直流电路部分、约瑟夫森结部分、超导回路部分、敏感电流计部分。直流电路部分提供了约瑟夫森结的偏置电压，大小为零。并联形成的约瑟夫森结因偏置电压为零满足直流约瑟夫森效应，磁化过程将磁感应强度大小传给超导回路，超导回路部分在程序中通过算式将干路电流计算出。敏感电流计部分在程序中给干路电流引入了一个温度为定值的热噪声和频率为定值的散粒噪声。
操作步骤：
步骤一：打开动态磁滞回线测量虚拟仪器，可以看到上侧的磁感应强度随磁场强度变化的示波器图表，左下角有调节“磁场强度大小”的输入旋钮和改变温度的按钮，右侧是干路电流大小，电流极值数目，磁感应强度，磁场强度等的实时显示数值；
步骤二：按照从“0”到“-40”，再从“-40”到“40”，“40”到“0”的顺序缓缓扭动“磁场强度大小”的输入旋钮，观察上侧的磁感应强度随磁场强度变化的示波器图表中的曲线变化；
步骤三：之后将程序清零，按照相反的顺序扭动“磁场强度大小”的输入旋钮；
步骤四：每次测量观察右侧干路电流大小，电流极值数目，磁感应强度，磁场强度等的实时显示数值，将重要拐点的数值记录下来；
步骤五：实验完成。
(2)居里温度点实验，居里定律可以描述磁化率与温度的关系。
操作界面如图10
有三个显示控件分别为“初始磁感应强度”，“实时温度”和“实时磁感应强度”，右侧有实时磁感应强度对应温度的曲线图像绘制，左侧下方有一按钮控件“升温按钮”和“结束实验”。
操作步骤：
步骤一：打开高温测量磁化率虚拟仪器，实验界面如下：可以看到有“初始磁感应强度”的输入框，有“实时温度”、“实时磁感应强度”的显示框，以及“开始升温”的升温按钮，右侧是温度随磁感应强度变化的示波器图表；
步骤二：在左侧磁感应强度一列，在“初始磁感应强度”的输入框输入“100”，点击“开始升温”按钮，将示波器图表中的特殊拐点记录下来；
步骤三：之后分别在“初始磁感应强度”的输入框输入“200”，“300”，“400”，“500”，“600”，“700”，“800”，并以此记录特殊拐点，比较观察几组数据得出结论；
步骤四：关闭仪器界面，完成实验报告。
虚拟实验实现：
该虚拟实验的实现基于超导量子干涉仪虚拟实验平台的设计。具体情形为SQUID对准样品的某一处，对环境温度进行改变测量磁感应强度大小。该虚拟仪器面板上的“实时温度”、“实时磁感应强度”、“开始升温”，分别是虚拟实验平台设计中面板模块的参数调节部分、磁感应强度显示部分。为了突出磁化的居里温度定律，在这里略去了干路电流显示部分和极值数显示部分，但实际上面板模块中干路电流到极值数到磁感应强度的计算还是在后台进行，面板上没有显示控件对其进行显示。面板上的“开始升温”是面板模块的参数条件部分，当该按钮被按下后，环境温度开始升高，再次点击温度升高暂停。
该虚拟实验利用了样品模块的励磁电流部分、环境温度部分、损伤图样部分。励磁电流为一定值的常数，即面板不能对励磁电流进行改变。因为该虚拟实验同样还是对样品的一个点进行测量，所以损伤图样被设置成均一的铁磁质，整个样品有相同的磁化过程。磁化过程与环境温度有关，磁化过程程序不断地对环境温度进行查询，算出磁感应强度，将数值传给 SQUID模块。
该虚拟实验利用了SQUID模块的直流电路部分、约瑟夫森结部分、超导回路部分、敏感电流计部分。直流电路部分提供了约瑟夫森结的偏置电压，大小为零。并联形成的约瑟夫森结因偏置电压为零满足直流约瑟夫森效应，磁化过程将磁感应强度大小传给超导回路，超导回路部分在程序中通过算式将干路电流计算出。敏感电流计部分在程序中给干路电流引入了一个温度为定值的热噪声和频率为定值的散粒噪声。
(3)无损探伤实验，对一个非铁磁质进行探伤。
操作界面如图11
测量x位置：控制被测样品的位置x方向指标
测量y位置：控制被测样品的位置y方向指标
磁场频率：用于显示产生高频率磁场的频率；
样品温度：用于用于显示当前样品室的温度；
显示屏：将磁场强度映射成灰度值并将其显示在屏幕上；
测量按键：测量当前位置磁场强度并显示在测量值上；
确定按键：将当前位置的磁场强度显示在灰度图上；
自动扫描按键：将整个检测范围内的磁场强度显示在灰度图上；
清零按键：将灰度图清零。
操作步骤：
步骤一：打开非铁磁体探伤实验程序,实验界面显示如下，可以看到在操作界面有“测量x位置”“测量y位置”的输入框，其下有测量、确定、自动扫描、清零等按钮；左侧是温度、磁场频率、磁场强度的实时显示栏；
步骤二：在“测量x位置”“测量y位置”输入框中输入想测量的待测金属块的平面坐标，点击测量，即可在测量值一栏中读出：“磁场强度为XXX”的数值，点击确定，即可将已经测量好的待测金属块的平面坐标所对应的磁场强度传输到右侧的灰度图中；
步骤三：每测量一次不同位置处的磁场强度值，对待测金属块的平面坐标所对应的温度，磁场频率，磁场强度都做好记录；
步骤四：点击自动扫描，即可在右侧的灰度图中自动扫描测金属块的所有平面坐标所对应的磁场强度值，待自动扫描完成后对不同灰度的区域根据探伤原理用自己的话描述该被测金属块的损伤情况；
步骤五：点击清零，清空右侧灰度图中的内容，实验完成。
虚拟实验实现：
该虚拟实验的实现基于超导量子干涉仪虚拟实验平台的设计。具体情形在一个恒定样品温度下，施加频率为1000Hz的交变磁场，固定位置的SQUID对样品不同部位的磁感应强度进行测量，根据测量得的磁感应强度异常确定样品损伤的位置。该虚拟仪器面板上的“测量值”为虚拟实验平台设计中面板模块的磁感应强度显示的部分。面板上“测量x位置”、“测量y位置”不属于实验平台设计中的面板模块，但是对应着样品模块中的损伤图样部分。
该虚拟实验利用了样品模块的励磁电流部分、环境温度部分、损伤图样部分、磁化过程部分。励磁电流的大小无法被面板任意调节，励磁电流在时间上以一定频率和幅度地简谐振动，环境温度为一个改变的参数常量。损伤图样为预先存入程序的二维数组数据，存入了样品不同区域所满足的磁化规律，因为样品为非铁磁质，则磁化可能是顺、抗磁质磁化或者是真空磁化，涉及的磁化过程均是线性磁化过程，磁化过程只需要通过程序带入算式即可计算得到磁感应强度。改变不同的x坐标和y坐标，按下面板上的“测量按钮”即根据坐标在损伤图样上查询到其磁化规律，进而在磁化过程中计算出磁感应强度，算出的数值传给SQUID 模块。
该虚拟实验利用了SQUID模块的直流电路部分、约瑟夫森结部分、超导回路部分、敏感电流计部分。直流电路部分提供了约瑟夫森结的偏置电压，大小为零。并联形成的约瑟夫森结因偏置电压为零满足直流约瑟夫森效应，磁化过程将磁感应强度大小传给超导回路，超导回路部分在程序中通过算式将干路电流计算出。敏感电流计部分在程序中给干路电流引入了一个温度为定值的热噪声和频率为定值的散粒噪声。最终得到的含噪声的电流会在面板模块中计算出磁感应强度大小，在“测量值”显示控件中显示。与之前不同的是，面板上有显示屏，可以绘制出不同部位上测量得的磁感应强度大小。当面板上“确认按键”被按下后，对应数值会在显示屏上绘制出。
Claims (6)
1.一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，其特征在于：所述平台由LabVIEW搭建，包括样品模块、面板模块和SQUID模块，所述样品模块提供励磁电流参数、环境温度参数、环境磁场参数，提供样品损伤图样集，根据样品损伤图样的磁化过程和励磁电流确定样品激发磁场的磁感应强度；所述面板模块用于调节励磁电流参数、环境温度参数、环境磁场参数，并且显示干路电流、极值数和磁感应强度，极值数根据干路电流计算确定，磁感应强度根据极值数计算确定；所述SQUID模块包括直流电路模块、约瑟夫森结、超导回路、敏感电流计，直流电路提供约瑟夫森结两端偏置电压参量，约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，加入噪声后的干路电流传递至面板模块；利用所述平台实现磁滞回线测量实验、居里温度点实验和无损探伤实验；
所述磁化过程包括顺磁质磁化、抗磁质磁化或是铁磁质磁化；
所述顺磁质磁化和抗磁质磁化过程，磁感应强度满足：
B＝μ0(H+M)＝μ0(1+χ)H
其中，H为磁场强度，M为磁化强度；
所述铁磁质磁化过程，磁感应强度满足：
当温度T＜Tc：
B＝μ0(H+M)
其中，Mirr不可逆磁化强度，Man为无磁滞的磁化强度，He为有效磁场强度，k为磁滞损耗参数，δ为方向系数，当dH/dt>0时，δ＝1；当dH/dt<0时，δ＝-1，c为可逆磁化参数，α为磁耦合场参数；
当温度T＞Tc，铁磁质磁化变为顺磁质磁化。
2.根据权利要求1所述的一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，其特征在于：所述极值数根据干路电流计算确定具体为：将干路电流的数值均存入数组，计算数组的零点数目：对数组中每一个值都执行I<ε的判断，ε为给定值，对于满足该条件的值都为零点，但是相邻的零点只被记录一次，最终零点数目即为极值数。
3.根据权利要求1所述的一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，其特征在于：所述噪声包括热噪声和散粒噪声；
所述热噪声具体为：其中，k为玻尔兹曼常数,T为电路的温度参量，R为电路的电等效阻参量；
所述散粒噪声具体为：满足正态分布，方差均值为零的随机数，其中IDC为干路的直流电流，Δf为测量的带宽，IDC和Δf均为定值。
4.根据权利要求1至3所述的任意一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，其特征在于：利用所述平台实现磁滞回线测量实验具体为：
选择测量磁滞回线实验，通过面板模块上调节磁场强度大小按钮调用面板模块的参数调节功能改变励磁电流，损伤图样为铁磁质，根据样品损伤图样的磁化过程和励磁电流确定样品激发磁场的磁感应强度；约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，加入噪声后的干路电流传递至面板模块进行显示，根据干路电流计算确定极值数，根据极值数计算确定磁感应强度；极值数和磁感应强度由面板模块进行显示；磁滞回线图像绘制区域通过实时记录磁场强度大小和测量磁感应强度大小，将点在平面图上绘制出。
5.根据权利要求1至3所述的任意一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，其特征在于：利用所述平台实现居里温度点实验具体为：
选择测量居里温度点实验，在“初始磁感应强度”输入框输入初始磁感应强度，通过开始升温按钮调用面板模块的参数调节功能改变环境温度，损伤图样为铁磁质，根据样品损伤图样的磁化过程和励磁电流确定样品激发磁场的磁感应强度，约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，根据干路电流计算确定极值数，根据极值数计算确定磁感应强度；磁感应强度由面板模块进行显示，示波器显示区显示磁感应强度随温度变化曲线。
6.根据权利要求1至3所述的任意一种超导量子干涉仪教学虚拟实验平台，其特征在于：利用所述平台实现无损探伤实验具体为：
选择探伤实验，在操作界面上“测量x位置”和“测量y位置”输入框中输入待测位置平面坐标；在“样品温度”输入框中输入温度值；通过“测量”按钮调用样品损伤图样的磁化过程，确定样品激发磁场的磁感应强度，约瑟夫森结构成的超导回路根据样品模块提供的磁感应强度得到干路电流，敏感电流计部分在干路电流中加入噪声，根据干路电流计算确定极值数，根据极值数计算确定磁感应强度；磁感应强度由界面中“测量值”显示框中显示；点击“确认”按钮，将“测量值”显示框中显示的磁感应强度映射为灰度值并显示在右侧的显示屏中；点击“自动扫描”按钮，将所有检测的磁感应强度映射为灰度值并显示在右侧的显示屏中；点击“清零”按钮将显示屏清零。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113705050A (zh) | 2021-11-26 |
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