[发明专利]可复位的增量磁场消除装置

说明书

技术领域

本发明涉及磁场消除的技术领域，特别是涉及一种可复位的增量磁场消除装置。

背景技术

超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）是目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导SQUID的灵敏度优于10飞特，高温超导SQUID的灵敏度优于100飞特。因此，SQUID是一种重要的高端应用传感器，其广泛应用于生物磁、地球物理探测、极低场核磁共振仪器等设备中。

由于SQUID的灵敏度很高，在无屏蔽环境下工作时，使用SQUID的弱磁探测系统易受到外部环境磁场的干扰，而造成传感器溢出，导致系统无法正常工作。因此需要使用环境磁场消除装置来消除外部磁场的干扰，保持SQUID传感器探头所在区域环境磁场平稳，使系统稳定工作，避免因磁场波动太大以至于超出传感器测量量程。

目前抑制环境干扰的方法包括采用屏蔽室和采用主动磁场消除装置。屏蔽室采用反磁性的坡莫合金来抵消外部磁场，该方案需要建造一个大型装置，形成一个封闭空间，在该空间内磁场得到抑制。但是该方案造价昂贵，移动性和灵活性差，难以在一般应用中推广。

采用主动磁场消除装置来抑制环境场干扰的方案是基于积分负反馈原理实现的。通过磁传感器检测所在区域的磁场，磁传感器的输出电压输入放大调理电路再接入积分器；如果积分器的输出端不为零，则积分器开始积分，积分器的输出随着积分开始调整变化。积分器的输出再驱动反馈线圈来产生抵消磁传感器所在区域磁场，使得磁传感器输出经放大调理后送入积分器的输入为零。此时积分器停止积分，整个反馈电路达到平衡，传感器所在区域的磁场平稳。因此基于积分负反馈原理的磁场消除装置通过磁场检测、放大、积分、和磁场负反馈路径，构成一个负反馈环路，来抵消的环境磁场的波动。

通过上述原理，实现了磁传感器所在区域环境磁场的平稳，在该区域放置SQUID磁探测系统，可使SQUID探测器在平稳的环境磁场下工作，可提供SQUID传感器的灵敏度，避免溢出。该方案简单、造价低、经济适用，成为抑制环境干扰的首选方案。

上述通过负反馈原理实现的环境磁场消除装置由磁传感器、放大调理电路、积分电路和反馈线圈驱动电路构成。其中积分电路是磁场消除装置的运算电路，其工作原理是，磁传感器的输出电压经放大器放大后接入积分器，积分器根据输入电压进行随时间的积分，来调整其输出电压，从而驱动反馈线圈来调整传感器所在区域的磁场，实现环境磁场的消除。因此整个环境磁场消除装置是基于磁场负反馈原理，通过积分器不断产生抵消磁场，直到输入积分器的电压为0。基于反馈原理的环境磁场消除装置会始终将磁场消除到零或某个设定的磁场强度，使得反馈装置中积分器的输入端为0，积分器输入为0时的状态称为磁场消除装置的稳定工作点。环境磁场消除装置工作后，始终将磁场稳定在设定的工作点下。

从上述磁场消除装置的工作原理可知，由于地球磁场的存在，补偿装置的磁传感器所在位置的磁场不为零，因此上述反馈补偿电路，在反馈补偿电路闭环工作后，由于传感器所在区域磁场不为工作点要求的零或某个设定值，因此传感器信号送入到积分器输入端不为零。那么上述反馈补偿电路，首先要驱动积分器积分，积分器输出电压驱动反馈线圈，产生反向磁场对这部分地球环境磁场进行抵消，直到积分器输入端回到零点，建立平衡。因此该反馈电路每次重新启动反馈补偿时，电路需要经过一段过渡时间，通过积分器产生抵消地球磁场的反向磁场，将地球磁场抵消掉，之后上述磁场消除反馈回路，通过积分器对工作点附近的小波动积分，产生环境场波动抵消磁场。保持磁传感器所在区域的磁场为零，消除环境场的波动。

上述的磁场主动抵消装置，由于环境磁场的存在，使得启动后积分器输入端不为零，即不在工作点上。因此在启动后首先要先抵消地球磁场这种已经存在的磁场，进行工作点重建。积分器输出电压驱动线圈产生的磁场抵消了固有的环境磁场，使得积分器输入为零后，才能使环境场抵消装置回到工作点上，并在工作点上，通过负反馈回路消除磁传感器所在区域磁场的波动，再建立稳定的平衡。上述过程是现有磁场消除装置在启动后必须要经历的工作点恢复的过程。由于受积分器积分时间常数的限制，磁场消除装置恢复工作点需要一段时间，且该时间受启动前环境磁场与工作点设定的磁场的偏差影响，因此启动时间不确定。