[發(fā)明專(zhuān)利]一種提高SQUID磁傳感器測(cè)量靈敏度的方法、裝置及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410165907.3
• 申請(qǐng)日: 2014-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105022005B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王永良;孔祥燕;徐小峰;謝曉明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01R33/035
• 分類(lèi)號(hào): G01R33/035
• 代理公司: 上海光華專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙)31219
• 代理人: 徐秋平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磁場(chǎng)傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁傳感器測(cè)量方法及系統(tǒng)，特別是涉及一種提高SQUID磁傳感器測(cè)量靈敏度的方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

采用超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SQUID)的傳感器是目前已知的最靈敏的磁傳感器。廣泛應(yīng)用于心磁、腦磁、極低場(chǎng)核磁共振以及地球物理磁探測(cè)等極微弱磁信號(hào)檢測(cè)和極微弱磁場(chǎng)異常研究中。

圖1是典型的SQUID磁通電壓轉(zhuǎn)換的FLL(Flux-Locked Loop，磁通鎖定環(huán))電路，其由SQUID器件、前置放大器、積分器、反饋電阻Rf和反饋線圈構(gòu)成，是一個(gè)基于磁通反饋的磁通鎖定環(huán)電路FLL。根據(jù)負(fù)反饋原理，當(dāng)整個(gè)環(huán)路在負(fù)反饋?zhàn)饔孟路€(wěn)定(稱(chēng)為鎖定)時(shí)，外部耦合到SQUID的磁通與反饋線圈產(chǎn)生的抵消磁通是相等的，因此，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)反饋電阻Rf的電壓Vf就與外部耦合的磁通成正比。其中，SQUID器件利用磁通鎖定環(huán)，將其感應(yīng)的外部磁通線性轉(zhuǎn)換成電壓Vf，即實(shí)現(xiàn)了磁通傳感的功能。上述SQUID磁傳感器是一個(gè)磁通電壓線性轉(zhuǎn)換設(shè)備，所謂線性是指其磁通電壓轉(zhuǎn)換比，即多少磁通轉(zhuǎn)換為多少電壓，因而檢測(cè)該傳感器的電壓的大小就可知被測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度。所述的磁通電壓轉(zhuǎn)換比也被稱(chēng)為SQUID磁傳感器的靈敏度，轉(zhuǎn)換比越大，靈敏度越高，相同電壓下所體現(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度越小，因此可以用于極其微弱信號(hào)的探測(cè)。也就是說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)更微弱信號(hào)的探測(cè)，則要求SQUID磁傳感器的靈敏度越高。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于SQUID磁傳感器的電壓輸出是受電路的電壓范圍限制的，通常只有±10V，因此，在電壓輸出范圍限定的情況下，靈敏度越高，即磁通電壓轉(zhuǎn)換比越大，則對(duì)應(yīng)的可測(cè)量磁通量程范圍越小。而實(shí)際環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)卻很大。為了使SQUID磁傳感器正常工作，只能根據(jù)環(huán)境磁場(chǎng)變化幅度調(diào)整靈敏度。因此在很多場(chǎng)合，為了適用環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)，只能使用低靈敏度檔位，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)微弱的被測(cè)信號(hào)進(jìn)行高靈敏度探測(cè)。

基于SQUID的磁傳感器進(jìn)行信號(hào)探測(cè)時(shí)，其信號(hào)檢測(cè)的頻率范圍是從DC(direct current，直流)開(kāi)始，因此不可避免地會(huì)檢測(cè)到環(huán)境磁場(chǎng)的信號(hào)。因?yàn)榄h(huán)境磁場(chǎng)的信號(hào)是由地球磁場(chǎng)，或移動(dòng)物體的磁場(chǎng)引起的，所以有變化幅度大，頻率低的特點(diǎn)。在移動(dòng)的SQUID應(yīng)用場(chǎng)合中，由于探頭移動(dòng)，切割地球磁場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生很大的磁場(chǎng)變化，因而SQUID磁傳感器只能被迫在大量程檔下工作，否則SQUID磁傳感器無(wú)法正常鎖定工作。因?yàn)槭褂昧烁吡砍蹋越档土薙QUID磁傳感器的靈敏度，犧牲了SQUID磁傳感器低噪聲高靈敏度的性能。

由于SQUID磁傳感器靈敏度受量程和后續(xù)采集儀器動(dòng)態(tài)范圍的限制，所以在采集器分辮率一定的情況下，只有降低傳感器的測(cè)量量程，才能提高SQUID磁傳感器的靈敏度，發(fā)揮SQUID的高靈敏的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種提高SQUID磁傳感器測(cè)量靈敏度的方法、裝置及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有SQUID傳感器工作在大量程檔導(dǎo)致對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)靈敏度低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種提高SQUID磁傳感器測(cè)量靈敏度的方法，所述提高SQUID磁傳感器測(cè)量靈敏度的方法包括：利用三軸磁強(qiáng)計(jì)將背景磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；所述背景磁場(chǎng)包括環(huán)境磁場(chǎng)和信號(hào)磁場(chǎng)；對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后獲得反映所述環(huán)境磁場(chǎng)的主要電信號(hào)；將所述主要電信號(hào)轉(zhuǎn)換成環(huán)境抵扣磁場(chǎng)；將所述抵扣磁場(chǎng)輸入至所述SQUID磁傳感器，抵消所述環(huán)境磁場(chǎng)在所述SQUID磁傳感器處產(chǎn)生的磁通。

優(yōu)選地，對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括：利用濾波器對(duì)所述電信號(hào)進(jìn)行低頻提取。

優(yōu)選地，所述濾波器為低通濾波器，所述低通濾波器的截止頻率根據(jù)所述環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)情況和被探測(cè)信號(hào)所在頻段進(jìn)行選取；所述低通濾波器的階數(shù)根據(jù)所述三軸磁強(qiáng)計(jì)的噪聲經(jīng)過(guò)濾波后在被探測(cè)信號(hào)所在頻段被抑制到所述SQUID磁傳感器要求的噪聲水平進(jìn)行選??；所述被探測(cè)信號(hào)為被所述SQUID磁傳感器測(cè)量的信號(hào)。

優(yōu)選地，將所述主要電信號(hào)轉(zhuǎn)換成環(huán)境抵扣磁場(chǎng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括：所述主要電信號(hào)包括XYZ三軸磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；將所述XYZ三軸磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)通過(guò)電阻按預(yù)設(shè)比例轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)；將三路電流信號(hào)合成補(bǔ)償電流；將所述補(bǔ)償電流輸入至所述SQUID磁傳感器的反饋線圈中，在所述SQUID磁傳感器處產(chǎn)生所述環(huán)境抵扣磁場(chǎng)；所述預(yù)設(shè)比例與所述SQUID磁傳感器在環(huán)境磁場(chǎng)中的空間位置相對(duì)應(yīng)。