CN114035130A - 超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超导磁力仪磁场分辨率的测试方法及装置，制作均匀弱磁场激励线圈；将激励线圈水平置于超导磁力仪的正下方，并紧贴容纳磁力仪弱磁探头的容器下端放置，记录超导磁力仪测量信号的输出值，获取对应最大模数转换器幅值Amax；将激励线圈与杜瓦间距离分别增加ΔL、2ΔL…NΔL，分别记录超导磁力仪测量信号的输出值，直到距离为NΔL时信号与噪声无法分辨，获取对应模数转换器幅值A1、A2…AN，找出最小模数转换器幅值Amin；计算幅值Amin对应信号处信噪比S/N：根据信噪比计算超导磁力仪测量信号最小值：本发明根据信噪比计算超导磁力仪测量信号最小值，科学合理的通过测量得出0.001pT的微弱磁场分辨率值。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁力仪，特别涉及一种超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法及装置。
背景技术
心脏的磁场强度为100pT，即10-10个特斯拉，经过超导梯度计处理后，可得到的心脏磁场信号约为20pT左右。迄今为止，人类还没有仪器能够直接测量这么小的磁场。为了获得微弱的心脏弱磁信号，必须采取间接的变通的方案。
超导磁力仪的特点是：1、噪声低；2、频带宽、低频响应好；3、使用液氦制冷，低温技术相对简单、资源丰富。其应用广泛，除用于物探工作外，还可用于医学上的心、脑磁测量；工程上的无损检测等。在地球物理勘查上，超导磁强计做电磁法的探头，主要用于深部金属矿、油气资源的勘查。我国在超导器磁强计研制及在地球物理勘查中的应用研究处世界领先水平。该技术弱磁探头核心传感器是超导量子干涉器(SQUID)。灵敏度理论值为1FT(10-15特斯拉)，属于量子级，是目前最为敏感的微弱磁场传感器，受环境噪声的影响，由SQUID制成的磁力仪弱磁探头磁场分辨率在200FT左右，是目前人类已知微弱磁场探测的极限，受此影响，没有一种其他测试设备可以作为基准来探测弱磁探头的分辨率，如何能够科学合理的获得探头磁场分辨率的准确值，是一直作为评价磁场测量精度的难题。
发明内容
本发明目的是：提供0.001pT超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法及装置，科学合理便捷的测量得出准确的微弱磁场分辨率值，应用性强。
本发明的技术方案是：
超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法，包括步骤：
S1、制作可产生磁场强度为B1的均匀弱磁场激励线圈；
S2、将激励线圈置于超导磁力仪的正下方，并紧贴容纳磁力仪弱磁探头的容器下端放置，使得激励线圈的几何中心与弱磁探头垂直轴重合；
S3、记录超导磁力仪测量信号的输出值，获取对应最大模数转换器幅值Amax；
S4、将激励线圈与杜瓦间距离分别增加ΔL、2ΔL、3ΔL……NΔL，分别记录超导磁力仪测量信号的输出值，获取对应模数转换器幅值A1、A2、A3……AN；
S5、找出模数转换器幅值A1、A2、A3……AN中的最小值，作为对应的最小模数转换器幅值Amin；
S6、最小模数转换器幅值Amin对应信号处，获取超导磁力仪噪声信号对应模数转换器幅值Anoise；计算此位置信噪比S/N：
S7、根据S6计算的最小模数转换器幅值Amin处信噪比S/N，计算超导磁力仪测量信号最小值：
BNOISE即为超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率。
优选的，步骤S1中，所述激励线圈的磁场由信号源连接控制，磁场强度B1的范围在1～1000pT。
优选的，步骤S4中，所述激励线圈与杜瓦间距离每次增加的距离ΔL为定值，其范围在10～20mm。
优选的，步骤S4中，所述激励线圈与杜瓦间距离每次增加时，激励线圈的几何中心与弱磁探头垂直轴保持重合。
优选的，所述最小模数转换器幅值Amin对应信号处的超导磁力仪噪声信号对应模数转换器幅值Anoise，为校准脉冲的最大值和最小值之间的差值。
优选的，所述校准脉冲是由一个电子盒通过校准线圈发出的激励信号，激励信号由心磁图仪响应后将响应信号的波形传到计算机显示。
超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试装置，包括信号源、激励线圈、超导磁力仪和信号输出数据采集仪器，其中：
信号源输出连接激励线圈，控制激励线圈的磁场强度保持恒定；
激励线圈置于超导磁力仪的弱磁探头正下方，并由上往下移动到不同位置；
超导磁力仪，采集不同位置的激励线圈磁场强度；
信号输出数据采集仪器连接超导磁力仪，采集超导磁力仪测量的激励线圈磁场强度信号，并转化为数字信号。
本发明的优点是：
本发明提供的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法及装置，设置激励线圈，置于超导磁力仪的正下方，依次增加激励线圈与杜瓦间距离，找出超导磁力仪记录结果的最小模数转换器幅值，作为获取信噪比位置，根据信噪比计算超导磁力仪测量信号最小值，科学合理的通过测量得出1pT的微弱磁场分辨率值，方案简单高效，准确率高。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试装置连接示意图；
图2为本发明的信号源接口与激励线圈分布示意图；
图3为实施例中超导磁力仪记录的各位置激励线圈磁场强度的测量信号示意图；
图4为实施例中超导磁力仪记录的最大脉冲幅值测量信号放大图；
图5为实施例中超导磁力仪记录的最小脉冲幅值测量信号放大图；
图6为实施例中超导磁力仪记录的最小脉冲幅值噪声幅值的信号放大图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明提供的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试装置连接示意图；测试装置包括信号源1、激励线圈2、超导磁力仪和信号输出数据采集仪器4，超导磁力仪包括弱磁探头3及其下端的磁瓦5；其中：
如图2所示，信号源1输出端通过信号源接口21连接激励线圈2；信号源控制激励线圈2的磁场强度保持恒定；激励线圈2置于弱磁探头3正下方，与探头3一一对应。测试时，激励线圈2由上往下垂直移动到不同位置。
超导磁力仪，采集不同位置的激励线圈2磁场强度；
信号输出数据采集仪器4，采集超导磁力仪测量的激励线圈2磁场强度信号，并转化为数字信号。
本发明提供的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法，包括步骤：
S1、制作磁场强度为B1＝10pT的均匀弱磁场激励线圈2；
S2、将激励线圈2置于超导磁力仪的正下方，图3为超导磁力仪记录的激励线圈磁场强度的测量信号示意图，明显可见噪声与信号；
S3、将激励线圈紧贴容纳磁力仪弱磁探头的容器杜瓦5下端放置，使得激励线圈的几何中心与弱磁探头垂直轴保持重合；记录超导磁力仪测量信号的输出值A0，如图4所示，计算磁场强度为10pT时，对应的最大模数转换器幅值Amax＝23660个采样点；
S4、将激励线圈与杜瓦间距离分别增加15mm、30mm、45mm，分别记录超导磁力仪测量信号的输出值，分别为将激励线圈与杜瓦间距离15mm、30mm、45mm时的波形信号；获取对应对应模数转换器幅值A1、A2、A3；所述激励线圈与杜瓦间距离每次增加时，激励线圈的几何中心与弱磁探头垂直轴保持重合。
S5、找出模数转换器幅值A1、A2、A3中的最小值为A3，作为对应的最小模数转换器幅值Amin＝999个采样点，如图5所示；
S6、如图6所示，在激励线圈与杜瓦间距离45mm处，计算校准脉冲的最大值96和最小值-171之间的差值，获取超导磁力仪噪声信号对应模数转换器幅值Anoise＝96-(-171)＝267个采样；计算此位置信噪比S/N：
所述校准脉冲是由一个电子盒通过校准线圈发出的激励信号，激励信号由心磁图仪响应后将响应信号的波形传到计算机显示。
S7、根据S6计算的最小模数转换器幅值Amin处信噪比S/N，计算超导磁力仪测量信号最小值：
BNOISE＝0.113Pt，即为超导磁力仪磁场分辨率的值。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.超导磁力仪磁场分辨率的测试方法，其特征在于，包括步骤：
S1、制作磁场强度为B1的均匀弱磁场激励线圈；
S2、将激励线圈水平放置在超导磁力仪的正下方，并紧贴容纳磁力仪弱磁探头的容器下端放置，使得激励线圈的几何中心与弱磁探头垂直轴重合；
S3、记录数据采集器测得的超导磁力仪信号的输出值，获取对应最大模数转换器幅值Amax；
S4、将激励线圈与容器下端间距离分别增加ΔL、2ΔL、3ΔL……NΔL，分别记录超导磁力仪测量信号的输出值，直到距离为NΔL时信号淹没在噪声中；分别获取对应对应模数转换器幅值A1、A2、A3……AN；
S5、模数转换器幅值A1、A2、A3……AN依次减小，将其中最小的幅值AN，作为对应的最小模数转换器幅值Amin；
S6、模数转换器读出最小幅值Amin后，数据采集仪通过判读信号与噪声在图像上的比值来获取Amin对应的超导磁力仪噪声信号Anoise；计算此位置信噪比S/N：
S7、根据S6计算的最小模数转换器幅值Amin处信噪比S/N，计算超导磁力仪测量信号最小值：
BNOISE即为超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率。
2.根据权利要求1所述的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法，其特征在于，步骤S1中，所述激励线圈的磁场由信号源连接控制，磁场强度B1的范围为1～1000pT。
3.根据权利要求2所述的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法，其特征在于，步骤S4中，所述激励线圈与容纳磁力仪弱磁探头的容器下端间距离每次增加时，激励线圈的几何中心与弱磁探头垂直轴始终保持重合。
4.根据权利要求1所述的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法，其特征在于，所述超导磁力仪噪声信号幅值Anoise，为校准脉冲的最大值和最小值之间的差值。
5.根据权利要求4所述的超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试方法，其特征在于，所述校准脉冲是由一个电子盒通过校准线圈发出的激励信号，激励信号由心磁图仪响应后将响应信号的波形传到计算机显示。
6.超导磁力仪弱磁探头磁场分辨率的测试装置，其特征在于，包括信号源、激励线圈、超导磁力仪和信号输出数据采集仪器，其中：
信号源输出连接激励线圈，控制激励线圈的磁场强度保持恒定；
激励线圈置于超导磁力仪的弱磁探头正下方，并由上往下移动到不同位置；
超导磁力仪，测量不同位置的激励线圈产生的磁感应强度；
信号输出数据采集仪器，采集超导磁力仪测量的激励线圈磁场强度信号，并转化为数字信号。
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