[发明专利]基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，更确切地说提供一种基于超导磁传感器(SQUID-超导量子干涉器件)的环境场下高灵敏度磁测量实现方法，尤其是具有低通特性的第二反馈支路。

背景技术

超导磁传感器SQUID(灵敏度可达10^-15T)可用于测量微弱磁场信号，然而环境场的低频扰动(频率低于30Hz，可达10^-6T量级)会使超导磁传感器动态范围面临巨大挑战(140dB以上)，超过了一般技术手段能够实现的动态范围极限。为充分发挥超导磁传感器的高灵敏度优势，超导磁传感器一般位于磁屏蔽室等屏蔽装置中。

专利CN200610091670.4提供了一种被动式的磁场屏蔽装置。该发明在具有开口部的磁场屏蔽装置(例如，带有门的圆筒形磁场屏蔽装置)中，将覆盖开口部的门和主体电连接或磁连接，或者，同时电连接和磁连接。改进后，可以提高磁场屏蔽装置磁场屏蔽系数，根据本发明的磁场计测装置，能够有效提高信噪比，并成功获得检查对象发出的生物磁场(典型强度：1pT)。

上述方法采用被动屏蔽实现对环境磁场扰动的补偿，屏蔽体内部或补偿中心的磁测量可以不受环境场扰动的影响。但在某些特定应用场合(例如地球物理、通信等)，磁信号源距离超导磁传感器较远，待测磁场信号夹杂在环境场中，采用屏蔽装置的方法不再适用。因此需要一种强环境场干扰下的高灵敏度超导磁测量实现方法。

专利CN201010228159公布了一种基于空间相关性的磁场主动补偿系统和方法，该系统利用磁通门和参考亥姆霍兹线圈处的环境波动反馈到测量亥姆霍兹线圈，实现该线圈内三轴环境磁场的动态补偿。本发明还公开了三种使用该系统的补偿方法，包括：(1)比例型磁场动态补偿方法；(2)串联积分型磁场动态补偿方法；(3)并联积分型磁场动态补偿方法。该方法能够获得很好的动态补偿效果，环境磁场扰动可由500nT降低到10nT左右，可以应用于磁源位于屏蔽体外部的应用领域。

上述提供的主动补偿方法可以应用于磁信号源距离超导磁传感器较远的领域，但补偿装置所占空间大，移动不便；同时，反馈电路也将引入电路噪声，容易通过反馈线圈向磁传感器反馈噪声，从而导致磁测量灵敏度下降，。

本申请的发明人拟将提供一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，装置结构简单，可以在抑制环境场扰动的同时，实现高灵敏度磁测量。

发明内容

本发明的目的在于提供基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，所提供的基于SQUID构建结构简单装置，实现环境场扰动补偿，进而实现环境场下的高灵敏度磁场测量。本发明的核心思想是具有频率选通特性的环境场扰动反馈补偿。

本发明提供的高灵敏度磁测量装置结构是：

SQUID(1)连接前置放大器(2)，前置放大器(2)的输出分别连接第一积分器(3)和单刀双掷开关S3的输入端a，第一积分器(3)的输出连接到单刀双掷开关S3的输入端b，单刀双掷开关S3的输出端连接第一反馈电阻(4)和第二积分器(5)，第二积分器积分器(5)连接低通滤波器(6)，低通滤波器(6)连接第二反馈电阻(7)，第一反馈电阻(4)和第二反馈电阻(7)通过开关S1和S2连接反馈线圈(8)，反馈线圈(8)是一个线绕空心线圈，一般3-10匝左右，反馈线圈(8)与SQUID(1)存在互感耦合，将反馈电信号转换为反馈磁通。

由本发明提供的基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置的结构中，由SQUID(1)、前置放大器(2)、第一积分器(3)、第一反馈电阻(4)和反馈线圈(8)构成常用的SQUID磁通锁定读出电路构型。信号流向为(1)→(2)→(3)→(4)→(7)→(1)，并组成一个闭环，即磁通锁定环，通过磁通锁定环，SQUID磁通被锁定在工作点附近，外磁场信息由第一反馈电阻(4)输出点a给出。基于该磁通锁定环，本发明加入了第二积分器(5)和低通滤波器(6)，低通滤波器(6)连接第二反馈电阻(7)构成了第二路反馈环，该环路的信号流向为(1)→(2)→(3)→(5)→(6)→(7)→(8)→(1)，第二磁通锁定环主要实现低噪声环境场扰动补偿。

在具有频率选通特性的第二反馈支路中，第二反馈支路包括第二积分器(5)，低通滤波器(6)和第二反馈电阻(7)和反馈线圈(8)，第二反馈支路具有低通频率特性；