[發(fā)明專利]基于擾動補償?shù)沫h(huán)境場下高靈敏度磁測量裝置及實現(xiàn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110254095.6
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102353911A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 榮亮亮;王永良;王會武;邱隆清;董慧;謝曉明;江綿恒
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
• 主分類號: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035;G01R15/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

1.一種基于擾動補償?shù)沫h(huán)境場下高靈敏度磁測量裝置，SQUID(1)連接前置放大器(2)，前置放大器(2)的輸出分別連接第一積分器(3)和單刀雙擲開關S3的輸入端，第一積分器(3)的輸出連接到單刀雙擲開關S3的另一輸入端，其特征在于單刀雙擲開關S3的輸出端連接第一反饋電阻(4)和第二積分器(5)，第二積分器積分器(5)連接低通濾波器(6)，低通濾波器(6)連接第二反饋電阻(7)，第一反饋電阻(4)和第二反饋電阻(7)通過開關S1和S2連接反饋線圈(8)，反饋線圈(8)與SQUID(1)互感耦合。

2.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于：

①所述的裝置結(jié)構(gòu)中由SQUID(1)、前置放大器(2)、第一積分器(3)、第一反饋電阻(4)和反饋線圈(8)構(gòu)成常用的SQUID磁通鎖定讀出電路構(gòu)型；信號流向為(1)→(2)→(3)→(4)→(7)→(1)，并組成一個閉環(huán)，即磁通鎖定環(huán)，通過該環(huán)，SQUID磁通被鎖定在工作點附近，外磁場信息由第一反饋電阻(4)輸出a給出；

②低通濾波器(6)連接第二反饋電阻(7)構(gòu)成了第二路反饋環(huán)，該環(huán)路的信號流向為(1)→(2)→(3)→(5)→(6)→(7)→(8)→(1)，以實現(xiàn)低噪聲環(huán)境場擾動補償。

3.按權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于：

(a)前置放大器(2)的增益為80-100dB；

(b)①中所述的磁通鎖定環(huán)帶寬覆蓋的工作頻段為3kHz；

(c)第一反饋電阻的電阻值介于5k-100k之間。

4.利用按權(quán)利要求1所述的裝置實現(xiàn)高靈敏度磁測量的方法，其特征在于所述的方法包括：由第二積分器、低通濾波器、第二反饋電阻和反饋線圈構(gòu)成的第二反饋支路和基于該支路形成的第二磁通鎖定環(huán)路，實現(xiàn)環(huán)境磁場低頻擾動補償；基于該方法構(gòu)建的超導磁傳感器可同時實現(xiàn)對環(huán)境場得高通響應頻率特性和對電路噪聲的低通響應頻率特性，在不影響微弱信號測量的前提條件下，抑制環(huán)境場擾動對SQUID磁測量的影響，避免溢出現(xiàn)象發(fā)生，具體步驟是：

(i)開環(huán)參數(shù)調(diào)整

該步驟主要針對SQUID工作點調(diào)整。在該模式下，開關S1和S2均斷開，S3開關接通觸點a，電路工作在開環(huán)狀態(tài)。外磁通信號通過反饋線圈(8)在SQUID(1)中產(chǎn)生低頻調(diào)制磁通，調(diào)整SQUID偏置電流和放大器增益工作參數(shù)并觀測電路第一反饋電阻(4)兩端輸出1的磁通調(diào)制信號，當輸出1的磁通調(diào)制信號幅度達到最大時，調(diào)整結(jié)束；

(ii)第一磁通鎖定環(huán)鎖定讀出磁場信息

閉合開關S1，S3接通觸點b，電路構(gòu)型為傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)路，稱為第一磁通鎖定環(huán)，SQUID(1)感應環(huán)境磁場變化，經(jīng)過前置放大器(2)和第一積分器(3)積分后，通過第一反饋電阻(4)輸入反饋線圈(8)并形成反饋磁通信號，該反饋磁通將抵消SQUID(1)環(huán)外界磁通變化，將SQUID(1)磁通鎖定在工作點處，第一反饋電阻(4)兩端電壓(輸出1)反映外界磁通變化；對第一積分器時間常數(shù)進行調(diào)整可實現(xiàn)第一磁通鎖定環(huán)帶寬覆蓋工作頻段；以保證電路噪聲不通過反饋線圈耦合到SQUID中；

(iii)第二磁通鎖定環(huán)實現(xiàn)頻率選通反饋補償

當環(huán)境場擾動導致讀出電路溢出時，同時閉合開關S1和S2，開關S3位于觸點b，第二反饋支路接入，并產(chǎn)生了第二磁通鎖定環(huán)；第二反饋支路的工作過程為：第二積分器(5)對第一磁通鎖定環(huán)路的輸出進行再次第二次積分，第二積分器時間常數(shù)應相對較大，以確保第二反饋支路帶寬遠小于工作頻率；其輸出經(jīng)過低通濾波器和第二反饋電阻后送入反饋線圈，產(chǎn)生第二反饋磁通，形成第二磁通鎖定環(huán)路，第二磁通鎖定環(huán)路主要實現(xiàn)將環(huán)境場低頻擾動信號積分并反饋抵消環(huán)境場低頻磁通變化，輸出a包含的外磁場信號不再包含環(huán)境場低頻擾動，確保超導磁傳感器不再出現(xiàn)溢出的現(xiàn)象；為確保第二反饋支路產(chǎn)生的反饋磁通可補償大幅度環(huán)境場低頻擾動，第二反饋電阻的阻值要比第一反饋電阻的阻值小，兩個電阻的比值應滿足：R₁/R₂＞B_tm/B_1m，其中R₁為第一反饋電阻，R₂為第二反饋電阻，B_tm為外磁場最大變化幅度，B_1m為第一磁通反饋支路最大鎖定輸出電壓對應的磁場，此時，第二反饋電阻(7)的輸出2為低頻環(huán)境磁場信息；第二反饋電阻較小將導致第二反饋支路電路噪聲引入反饋磁通并產(chǎn)生反饋磁通噪聲；采用低通濾波器(6)對第二反饋支路送入反饋線圈(8)的信號進行低通濾波，濾除工作頻段內(nèi)的電路噪聲，并避免工作頻段內(nèi)待測信號通過第二反饋支路反饋，影響輸出a待測信號幅度和相位。