[發明專利]一種超導量子干涉器件三軸磁強計的標定裝置及方法

在審

• 申請號: 201310492622.6
• 申請日: 2013-10-18
• 公開（公告）號: CN104569884A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發明（設計）人: 王永良;張樹林;榮亮亮;孔祥燕;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01R35/00
• 分類號: G01R35/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 徐秋平

技術領域

本發明屬于磁場測量技術領域，涉及一種標定裝置，特別是涉及一種超導量子干涉器件三軸磁強計的標定裝置及方法。

背景技術

超導量子干涉器件（superconducting?Quantum?Interference?Device，SQUID）是目前已知的最靈敏的磁傳感器，廣泛應用于微弱磁信號的探測。SQUID是一個超導環，通過讀出超導環內感受到的磁通來讀出磁場。由于SQUID超導環的面積很小，環內磁場均勻，SQUID測的磁通就與SQUID超導環耦合的磁場強度成正比。因此使用SQUID超導環平面耦合磁通以及SQUID測量磁場就構成了SQUID磁強計。

SQUID磁強計是矢量傳感器，只測量SQUID超導環平面法線方向的磁場。在實際應用中，要測量磁場總場，需要測量磁場矢量的三個分量，即X軸，Y軸，Z軸三個軸向的分量。通過三個軸向的分量獲得磁場總場。要使用現有的SQUID磁強計測量磁場的總場，需使用三個SQUID磁強計，三個磁強計相互垂直，分別定義為X軸，Y軸，Z軸三個垂直分量。三軸磁強計測得矢量磁場在XYZ三個垂直方向的矢量分量，從而獲得總場的測量。因此三軸磁強計的正交性，即軸與軸之間的垂直特性以及磁強計之間的一致性對總場的測量準確性至關重要。若正交性不高，則三軸磁強計獲得的不是完全正交的磁場分量，還包括正交角度偏差引入的其他磁場分量，因此按上述公式計算獲得的總場和與實際總場是有誤差的。另一方面，磁強計將磁場強度轉換成電壓進行測量，因此三個軸的磁強計的磁場電壓轉換系數要準確標定，否則也會在總場計算中引入誤差。綜上所述，三軸磁強計在總場測量應用之前，要進行正交性標定以及磁場電壓轉換系數的標定，以滿足變化矢量磁場的測量要求，獲取準確的總場數值。

三軸磁強計的標定和校正方法可分兩類，一類是矢量校準，即磁強計與給定的標準矢量磁場進行比較校準。另一類則是標量校準，給三軸磁強計一個恒定的磁場，磁場的標量值與三軸磁傳感器輸出合成的總場標量進行對比校準。由于矢量標定需要精度很高的空間定位裝置，成本高，實施難度大。目前主流的方法是采用標量校準方法。標量校準的思想是，給三軸磁強計加載一個恒定的磁場，改變三軸磁強計在磁場中的角度，獲得三軸磁場分量，根據在任意角度下三軸磁場分量合成的總場恒定不變的原則，通過參數求解的方法，將實際三軸磁強計的正交角度偏差和磁場電壓轉換系數求出。采用參數求解方法標定三軸磁強計的過程中，需要提供恒定的磁場或均勻恒定的磁場空間，使三軸磁強計在該磁場內旋轉，變換角度，測得三軸分量。由一組任意角度下測得的三軸分量數據組建方程。在均勻恒定磁場下，任意變換角度，三軸合成的總場是不變的。因此獲取一組任意變換角度下三軸傳感器的測量數據，通過最小二乘等參數求解算法，即可求出三軸傳感器的磁場電壓轉換系數和三軸正交模塊的角度誤差。

SQUID磁強計與傳統磁阻或磁通磁強計不同，SQUID磁強計只能測量從傳感器啟動測量的時刻起的磁場變化量，而無法實現絕對磁場的測量。SQUID傳感器構成的SQUID三軸磁強計，只能實現交流變化磁場的測量。因此要實現正交性標定，就要在三軸磁強計所在空間產生一個交流的恒定變化磁場，同時要使三軸磁強計圍繞磁場變化，使得三軸磁強計的輸出發生變化。

另一方面，SQUID磁強計使用低溫或高溫SQUID器件，器件工作在低溫或高溫環境下時，如低溫超導SQUID浸泡在灌有液氦的低溫恒溫器中維持4.2K的溫度；高溫超導則浸泡在灌有液氮的低溫恒溫器中維持7.7K的工作溫度。由于低溫恒溫器體積較大，使得整個探測器體積大，不方便移動。同時低溫恒溫器中灌注低溫液體，旋轉探頭會引起低溫液體大幅度波動，使得SQUID因為溫度不穩定或低溫液體產生汽包而影響工作。因此SQUID傳感器探頭是不能隨意旋轉的。

上述SQUID三軸磁強計在應用上有兩個特殊因素：1）采用SQUID的三軸磁強計測量的是相對變化磁場，無法計算絕對磁場；2）采用灌注低溫液體的恒溫器來維持SQUID傳感器的運行，整個傳感器探頭不能隨意旋轉。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種超導量子干涉器件三軸磁強計的標定裝置及方法，用于解決現有標定過程中SQUID三軸磁強計只識別變化磁場及傳感器探頭不能隨意旋轉的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種超導量子干涉器件三軸磁強計的標定裝置及方法。