[發明專利]基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測模塊

有效

• 申請號: 201410139130.3
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103901362B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 徐婷;王會武;榮亮亮;常凱;侍文;蔣坤;邱隆清;伍俊;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: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035;G01V3/40
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及超導SQUID磁傳感器對地球磁場的測量，更確切地說本發明涉及一種基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測模塊。屬于磁場測量技術領域。

背景技術

超導量子干涉器（SQUID）是一種由超導約瑟夫森結和超導環組成的超導量子器件，它的工作原理主要基于約瑟夫森效應和磁場量子化，其能夠將磁場的微弱變化轉化為可測量的電壓，磁場靈敏度可達到fT量級，是目前最靈敏的磁場傳感器，因此其在微弱磁場探測領域如生物磁場探測、無損檢測、地球磁場探測等方面具有極大的發展和應用潛力。例如在地球物理探測中的大地電磁測深（Magnetotelluric，MT）和可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）應用中都需要高性能的磁場傳感器來對目標磁場信號進行測量。

MT是對天然存在的區域性電磁場進行探測，這類天然電磁場具有很寬的頻帶，通過對這些天然電磁場的測量和數據分析，可了解地球巖石圈的電性結構，是研究深部地質構造和尋找油氣田的基本勘探方法之一，近年來MT得到了很大的發展。由于MT天然場源的信號微弱，因此在應用中需要使用高靈敏度的磁傳感器。

CSAMT與MT同屬頻率電磁測深范疇，兩者的差異在于CSAMT的激勵場源可以人工控制，針對MT場源的隨機性和信號微弱，以致觀測十分困難的狀況，CSAMT采用可以人工控制發射電流及其頻率的電偶極子或磁偶極子作為場源，通過測量距場源較遠地點位置的不同發射頻率下的電磁場信號，來計算出不同頻率下的視電阻率，以反映出地下電阻率的分布特征。

在進行大地電磁測量時，通常既進行MT測量，也進行CSAMT測量，它們都需要靈敏的磁傳感器。另外，CSAMT的目標信號是不同發射頻率所引發的磁場，地球環境磁場看作噪聲，因此，其系統的信噪比性能是其關注的一個重點指標，通常利用多次疊加的方法來降低地球環境磁場噪聲的影響，因此需要對單一頻率的場進行長時間測量。

然而，將超導SQUID磁傳感器應用于MT和CSAMT時，目前都使用單通道SQUID傳感器進行磁場測量，采用磁通調制鎖定電路來讀出SQUID所感應的磁信號（DANTSKER,E etc.HIGH-T-C3-AXIS DC SQUID MAGNETOMETER FOR GEOPHYSICAL APPLICATIONS），據報道，至今中國科學院上海微系統與信息技術研究所也只利用超導SQUID磁傳感器器件進行了MT和CSAMT方面的應用研究。在磁測過程中，MT測量具有頻帶比較寬的特點，而CSAMT為了改善系統的信噪比，采用信號平均的處理方法，因此需要在一個測量點進行長時間測量，測量時間大于半小時，不利于工程化應用。

本發明擬針對上述超導SQUID磁傳感器的測量特點，試圖提供一種基于多通道SQUID傳感器的三軸探測模塊，它不但能夠測量三個正交方向的磁場，而且可以針對MT和CSAMT的不同要求，靈活改變模塊結構以適應其要求，進而可以提高工作效率。另外，這種探測模塊同樣有望可以應用于其它微弱磁場探測領域之中。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測模塊。本發明設計一種三軸磁場探測模塊，三個方向相互正交，分別對應空間中XYZ方向。對每一個方向的磁場測量由多個通道超導SQUID傳感器完成，多個通道SQUID既能夠構成串聯陣列，也可以通過改變連接次序構成并聯陣列，串聯陣列可以提高測量的靈敏度，并聯陣列可以提高測量的信噪比和工作效率。進一步特征描述如下：

（1）三軸磁場探測模塊

超導SQUID磁傳感器是一種矢量傳感器，只能測量垂直于器件平面方向的磁場變化量。在進行微弱磁場信號測量時，因為微弱磁場信號與超導SQUID磁傳感器器件平面不是完全垂直的，因此SQUID磁傳感器所感應的是待測磁場信號垂直于SQUID平面的分量，甚至在某些情況下，單軸SQUID測量不到磁場信號，如磁偶極子的電流環產生的磁場分布如圖1，從圖中可以看出來，在A、B、C、D和E這些列出的點上，若采用單軸測試，箭頭標注的方向磁場就測不到了，導致測量出來的磁場值其實不準確，另外，不僅僅是這些特殊點，在偏離這些特殊點不遠的附近，有時候磁場信號是非常微弱的，測量出來的效果并不滿意。采用三軸磁探測模塊可以解決上述問題，三軸模塊由3個方向的磁傳感器構成，如圖2所示，這3個方向相互正交，如此，待測磁場信號可以按照這三個方向進行分解，每個方向的磁傳感器測量對應其方向的磁場，并可以由此三個信號計算出磁場矢量。

（2）串聯SQUID陣列