超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，包括超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)、無磁杜瓦、立體三軸定位儀、磁通鎖定環(huán)、微控制處理器、電源供電單元、數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)和主機(jī)，以低溫超導(dǎo)量子干涉器替代傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈作為磁力儀探頭，提高磁力儀的靈敏度與測量深度、精度。本實(shí)用新型是一項(xiàng)國際上最新的弱磁信號(hào)探測設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的電子磁力儀，超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀的分辨率高、精度高、高智能化、高穩(wěn)定性，除用于物探工作外，還可用于醫(yī)學(xué)上的心、腦磁測量；工程上的無損檢測等。
【專利說明】超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于磁場探測領(lǐng)域，特別涉及一種弱磁信號(hào)探測設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]磁力儀采集磁場數(shù)據(jù)的精確度和準(zhǔn)確度將直接影響勘探或探測的效果，它主要用于測量地球的一個(gè)重要的基本參數(shù)一地磁場，是物探方法中的磁力勘探的基礎(chǔ)設(shè)備，在航天、軍事探測與監(jiān)測(潛艇)、地震預(yù)報(bào)、地質(zhì)填圖、礦產(chǎn)資源勘探、空間物理研宄、考古、環(huán)境監(jiān)測、生物磁學(xué)等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
[0003]我國是歷史上最早研宄地球磁場的國家。但是到了近代，磁力儀的技術(shù)大大落后于西方國家。新中國成立后，我國的磁力儀技術(shù)開始了艱難的起步。先后研制了懸絲式磁力儀、磁通門磁力儀、磁探儀、質(zhì)子磁力儀、DI磁力儀、光泵磁力儀。改革開放后，我國引進(jìn)了加拿大的MP-4型質(zhì)子磁力儀和美國的G-856AX型質(zhì)子磁力儀。我國的地面磁法勘探水平在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。進(jìn)入21世紀(jì)以來，國家對(duì)地質(zhì)事業(yè)投資力度加大，社會(huì)對(duì)質(zhì)子磁力儀的需求猛增。但是，我國的磁力儀在工藝水平上、儀器功能上與國外先進(jìn)的磁力儀有很大差距，在穩(wěn)定性與可靠性上也落后于國外先進(jìn)的磁力儀。磁力儀的技術(shù)創(chuàng)新遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
[0004]在地質(zhì)調(diào)查和勘探中急需解決以下問題:(I)深部探礦(金屬礦和煤礦):由于地表礦產(chǎn)日益枯竭，礦產(chǎn)調(diào)查和勘探要求向1000米以上深度勘探，目前的技術(shù)手段不能滿足要求；(2)油氣勘探:目前可測深度不滿足要求；(3)航空勘探:目前的航測手段只能滿足大面積普查，不能夠滿足勘探要求；(4)斷裂構(gòu)造的探測與實(shí)時(shí)監(jiān)測:山體滑坡、泥石流、潰壩、采空區(qū)塌陷、橋梁坍塌、透水等事故探測與監(jiān)測技術(shù)。工程上，一個(gè)滿意的地下目標(biāo)探測系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上都極為復(fù)雜。由于地球內(nèi)部允許使用的信道限制，接收機(jī)水平、信息處理技術(shù)以及信號(hào)本身又非常微弱的緣故，束縛了地下目標(biāo)探測系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。
[0005]瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。其基本工作方法是:于地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流；斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時(shí)間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快、趨膚深度小；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征。
[0006]瞬變電磁法的工作效率高，但也不能取代其它電法勘探手段，當(dāng)周邊遇到有大的地面或空間的金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，其靈敏度和穩(wěn)定性不夠，所測到的數(shù)據(jù)不可使用，此時(shí)應(yīng)補(bǔ)充直流電法或其它物探方法；同時(shí)抗干擾能力不足，在地層表面遇到大量的低阻層礦化帶時(shí)(如地層表面充滿石墨層)瞬變電磁法也不能可靠的測量，因此在選擇測量時(shí)要考慮地質(zhì)結(jié)構(gòu)；此外，測量過程比較繁瑣，缺乏配套的完備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，要隨時(shí)記錄地表可見的巖石特征，裝置的傾角以及高程，以便在后續(xù)的解釋中，準(zhǔn)確的劃分地層構(gòu)造，同時(shí)在一個(gè)工區(qū)工作之前，要做實(shí)驗(yàn)，選擇合理的裝置以及供電電流，一經(jīng)確定，不能在測量中變更裝置和供電電流，否則對(duì)解釋造成影響。在進(jìn)入工區(qū)前盡量尋找已知地層的基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，才可確保測量的準(zhǔn)確性。
[0007]基于超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)的弱磁信號(hào)與測量系統(tǒng)，是國際上十分關(guān)注的尚處于起步階段的測量方法，且非常敏感和保密。超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)利用超導(dǎo)環(huán)中弱連接的約瑟夫森效應(yīng)制成的磁通一電壓轉(zhuǎn)換元件，可檢測到KT16T/(Hz) V2的微弱磁場信號(hào)，具有其他傳統(tǒng)傳感器不可比擬的磁場靈敏度，是目前靈敏度最高的磁強(qiáng)計(jì)。但它并不能直接把磁場轉(zhuǎn)換為測量的電壓或電流，必須通過復(fù)雜電子元器件即磁通鎖定環(huán)，才可將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換成可測量的電壓信號(hào)。基于超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)的磁力儀，對(duì)弱磁信號(hào)非常靈敏，且低頻響應(yīng)好，可解決傳統(tǒng)基于電磁測量技術(shù)的上述勘探問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]發(fā)明目的:研發(fā)一種超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，克服現(xiàn)有瞬變電磁法弱磁信號(hào)與測量系統(tǒng)的缺陷和不足，提高其靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾能力，增加數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)，提尚實(shí)地探測性能。
[0009]技術(shù)方案:超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，包括超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)、無磁杜瓦、立體三軸定位儀、磁通鎖定環(huán)、微控制處理器、電源供電單元、數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)和主機(jī)，以低溫超導(dǎo)量子干涉器替代傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈作為磁力儀探頭，提高磁力儀的靈敏度與測量深度、精度(如圖1)。
[0010]所述超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀中核心部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系具體如下(圖2):
[0011](I)無磁杜瓦(圖3)中加有液氦，加液氦時(shí)要緩慢，以免液氦噴濺到身體；
[0012](2)在所述立體三軸定位儀上安裝所述超導(dǎo)量子干涉器，三個(gè)所述超導(dǎo)量子干涉器分別置于所述立體三軸定位儀的三個(gè)相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金屬絲固定連接信號(hào)電纜線；
[0013](3)通過探頭桿連接所述立體三軸定位儀與微控制處理器，所述立體三軸定位儀的信號(hào)電纜線從探頭的探頭桿中間穿過，將微控制處理器安裝在探頭桿底部平面上；
[0014](4)將安裝好超導(dǎo)量子干涉器的立體三軸定位儀緩慢地放入裝有液氦的無磁杜瓦中，所述探頭桿的前端與所述立體三軸定位儀一起固定在無磁杜瓦中；
[0015](5)所述探頭桿的底部平面與微控制處理器安裝在盒式支架上；
[0016](6)所述超導(dǎo)量子干涉器的同軸電纜與所述微控制處理器連接，通過電纜將微控制處理器與電源供電單元、主機(jī)連接起來，系統(tǒng)組裝完成。
[0017]所述無磁杜瓦的作用是維持超導(dǎo)量子干涉器正常工作所需的低溫環(huán)境，內(nèi)部加注液氦作為制冷劑；無磁杜瓦具有內(nèi)外壁雙層結(jié)構(gòu)，且內(nèi)外壁之間抽成真空，降低了杜瓦內(nèi)外的熱交換，以保持內(nèi)部液氦的低蒸發(fā)率；其所選材料均采用磁化率低于I(T5GsA)e的無磁性材料一無磁玻璃鋼，無磁性材料可避免在交變磁場作用下出現(xiàn)的感生磁噪聲，該無磁玻璃鋼為無磁玻璃纖維通過特種環(huán)氧粘接劑、聚氨酯固化劑及其他劑粘合固化而成；
[0018]所述超導(dǎo)量子干涉器由一個(gè)射頻超導(dǎo)量子干涉器(RF-SQUID)構(gòu)成或由兩個(gè)直流超導(dǎo)量子干涉器(DC-SQUID)弱連接構(gòu)成，弱連接處的超導(dǎo)電性受到強(qiáng)烈抑制；所述超導(dǎo)量子干涉器是在約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可將電場和磁場的微小變化轉(zhuǎn)換為可測量的電壓，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)器件，具有極高的磁場靈敏度，可檢測到10_16T/(Hz) V2的微弱磁場信號(hào)，具有其他傳統(tǒng)傳感器不可比擬的磁場靈敏度；所述超導(dǎo)量子干涉器工作在液氦低溫狀態(tài)下約4K。
[0019]為實(shí)現(xiàn)空間全方位測量磁場分布，立體三軸定位儀包含三個(gè)相互正交的超導(dǎo)環(huán)，每個(gè)超導(dǎo)環(huán)均內(nèi)嵌連通一個(gè)超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)，以便能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償磁擾動(dòng)；立體三軸定位儀硬件電子電路主要是為超導(dǎo)量子干涉器提供信號(hào)，確定超導(dǎo)量子干涉器工作點(diǎn)以及與微控制處理器進(jìn)行通訊；運(yùn)用自適應(yīng)濾波算法來抑制立體三軸定位儀中三個(gè)超導(dǎo)環(huán)的運(yùn)動(dòng)磁場噪聲，其噪聲源在于超導(dǎo)環(huán)在地球空間中擾動(dòng)地球磁場產(chǎn)生的。自適應(yīng)濾波算法主要原理是利用量小方差技術(shù)，來消除動(dòng)動(dòng)磁場噪聲。主要是利用金屬板、金屬網(wǎng)、金屬盒等金屬體，把電磁場限制在一定空間范圍內(nèi)或把電磁場強(qiáng)度削弱到一定的數(shù)量級(jí)，其屏蔽結(jié)構(gòu)形式包括屏蔽隔板、共蓋屏蔽結(jié)構(gòu)、單獨(dú)屏蔽和雙層屏蔽，從而可實(shí)現(xiàn)抑制電路內(nèi)部串?dāng)_和外部干擾等。
[0020]所述超導(dǎo)量子干渉器并不能直接把磁場轉(zhuǎn)換為可測量的電壓或電流，必須通過復(fù)雜的電子線路進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號(hào)，這個(gè)電子設(shè)備就是磁通鎖定環(huán)。磁通鎖定環(huán)主要工作原理為:超導(dǎo)量子干涉器要工作在磁通鎖定狀態(tài)，其中外加磁通在超導(dǎo)量子干涉器兩端產(chǎn)生的電壓被放大并被反饋為正的磁通，這種反饋電路可將超導(dǎo)量子干涉器的響應(yīng)線性化并且提供大的動(dòng)態(tài)范圍。圖5給出了工作在磁通模式下的磁通鎖定環(huán)讀出電路示意圖，其中超導(dǎo)量子干涉器的偏電流為恒定值Ib，振蕩器可產(chǎn)生50-500kHz正弦波或方波調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)通過耦合線圈耦合到超導(dǎo)環(huán)中，超導(dǎo)量子干涉器的電壓輸出通過一個(gè)變壓器LC電路連接到前置放大器上，再經(jīng)過鎖相放大輸出到積分器中，然后由積分器輸出磁通鎖定環(huán)電壓V.。其中合理選擇耦合電路的電壓增益可以將超導(dǎo)量子干涉器的動(dòng)態(tài)電阻調(diào)到合適的值，從而對(duì)前置放大器的噪聲進(jìn)行優(yōu)化。從鎖相環(huán)輸出的電流經(jīng)過反饋電阻Rbf饋送到與超導(dǎo)量子干涉器耦合的線圈中，用來抵消外加磁通保證超導(dǎo)量子干涉器中的磁通不變，并且Rbf兩端的電壓與外加磁通成正比，這樣就可以通過測量Rbf兩端的電壓來計(jì)算超導(dǎo)環(huán)中磁通變化。
[0021]圖6為立體三軸定位儀硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩個(gè)電壓級(jí)(偏置與補(bǔ)償)，控制超導(dǎo)量子干涉器保持適中的電流源；電路板中方波信號(hào)發(fā)生器(頻率5Hz)可以觀察超導(dǎo)量子干涉器參數(shù)特性，也能通過偏壓控制方法自動(dòng)調(diào)整超導(dǎo)量子干涉器工作點(diǎn)即開啟超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)的電路環(huán)境，自動(dòng)控制技術(shù)可以提高超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)可靠性和有效性。；超導(dǎo)量子干涉器電子元器件控制超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)的數(shù)字化控制電子元器件，借助數(shù)字控制電子元器件(圖6)，既可以加熱超導(dǎo)量子干涉器，也可以切換超導(dǎo)量子干涉器電子元器件操作模式(如重啟磁通鎖定環(huán))。超導(dǎo)量子干涉器電子元器件中輸出磁通信號(hào)經(jīng)過輸出緩沖進(jìn)行放大，放大后的磁通信號(hào)將調(diào)制控制磁通鎖定環(huán)。所述超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀的硬件模塊集成電路布局規(guī)劃技術(shù)主要采用模塊劃分法，在進(jìn)行布局時(shí)，模塊的劃分應(yīng)盡量保持與原電路設(shè)計(jì)一致，即若無明顯的效益，就不要將原來的模塊框架破壞，以維持布局與電路設(shè)計(jì)之間的明確對(duì)應(yīng)關(guān)系，使布局驗(yàn)證與修改工作及使用過程中的維護(hù)工作容易實(shí)施。模塊劃分法的最大特點(diǎn)在于可兼顧時(shí)效或復(fù)雜程度考量，布局工程人員可同時(shí)并獨(dú)立地進(jìn)行各模塊布局設(shè)計(jì)，減少全局工作時(shí)間，有利于工作時(shí)程的預(yù)估及進(jìn)度的有效掌握。電源線盡量以樹枝狀分布，其應(yīng)以交錯(cuò)為原則，并避免相互跨越，必要時(shí)以通道方式連線，但應(yīng)避免用非金屬材料，以免造成壓降。信號(hào)線連線距離越短越好，并應(yīng)避免用通道方式連接，只可降低信號(hào)線上的阻抗，消除電路中可能發(fā)生的衰變。數(shù)據(jù)總線走線應(yīng)保持路徑或距離的一致，有直接將總線貫穿于各模塊之中和分布于各模塊的間隙中。印刷線路板主要采用雙面板和多層板，以增加布線面積，其主要特點(diǎn)在于可高密度化、高可靠性、可設(shè)計(jì)性、可生產(chǎn)性、可測試性、可組裝性和可維護(hù)性。硬件模塊所選用的元器件均符合國標(biāo)或國際通用標(biāo)準(zhǔn)，并盡可能選用集成化、數(shù)字化元器件，以保證元器件的生命使用周期和性能可靠性。引腳安置所需考慮的引腳有兩類:焊接塊和功能模塊的I/o引腳。硬件模塊工藝兼容設(shè)計(jì)主要采用雙極與CMOS工藝，利用薄膜全耗盡SOI膜制造的金屬半場效晶體管(MOSFET)不僅具有寄生電容小、抗輻射能力強(qiáng)、可完全消除閉鎖效應(yīng)、可抑制源漏穿通和熱載流子效應(yīng)以及極大改善溝通效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。且與一般體硅器件不同，具有雙柵和橫向等特殊效應(yīng)，可在高頻和大功率電路中獲得廣泛應(yīng)用。
[0022]所述微控制處理器內(nèi)部包括三個(gè)信號(hào)處理通道，這三個(gè)信號(hào)處理通道分別與立體三軸定位儀的三個(gè)超導(dǎo)環(huán)單獨(dú)地連接，微控制處理器主要為這些通道提供必備的信號(hào)和捕捉輸出信號(hào)，以及通過封包的形式與立體三軸定位儀進(jìn)行交換命令流和數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)控制三軸定位儀的三個(gè)超導(dǎo)環(huán)工作狀態(tài)和采集原始的磁場信號(hào)數(shù)據(jù)；所述微控制處理器使用電磁干擾濾波器對(duì)高頻電磁信號(hào)噪聲進(jìn)行抑制，針對(duì)高頻電磁噪聲中可能同時(shí)存在著差模干擾和共模干擾，電磁干擾濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用共模扼流圈和電容組合用于抑制共模噪聲，并采用差模扼流圈和電容組合用于抑制差模噪聲，因此，微控制處理器在抑制高頻信號(hào)噪聲干擾的同時(shí)，也可提高高頻段有用信號(hào)的增益。
[0023]圖7為多功能微控制處理器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]所述主機(jī)主要作用是為數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件平臺(tái)，它可以是普通PC計(jì)算機(jī)。
[0025]所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)是在Delphi平臺(tái)下開發(fā)實(shí)現(xiàn)，主要采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)界面可視化、友好，可以通過本系統(tǒng)顯示被勘探對(duì)象的磁場分布時(shí)間譜線圖。所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)，主要采用Delphi語言編程實(shí)現(xiàn)，Delphi是可面向?qū)ο蟮恼Z言，具有支持抽象性、繼承性和封裝性等特性，不僅可有效地實(shí)現(xiàn)可視化編程，而且可支持面向過程的流程設(shè)計(jì)，從而可直接實(shí)現(xiàn)算法中流程圖的條件和循環(huán)執(zhí)行，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)達(dá)到最優(yōu)。圖8為數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)總體工作流程圖，圖9為數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)主界面示意圖。
[0026]圖8是數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)總體工作流程圖，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)主要功能如下:
[0027]1、磁通鎖定環(huán)工作點(diǎn)調(diào)整，包括手動(dòng)調(diào)節(jié)偏置和補(bǔ)償，也可自動(dòng)調(diào)節(jié)偏置和補(bǔ)償；
[0028]2、量子干涉器中線圈加熱觸發(fā)功能模塊，用于觸凍超低溫工作狀態(tài)下SQUID器件；
[0029]3、水平基線校準(zhǔn)功能，用于調(diào)節(jié)時(shí)間譜線圖的基準(zhǔn)；
[0030]4、信號(hào)幅度增益調(diào)節(jié)功能；
[0031]5、磁通鎖定環(huán)系統(tǒng)控制復(fù)位功能；
[0032]6、低頻濾波功能；
[0033]7、信號(hào)記錄存儲(chǔ)及回放功能；
[0034]8、信號(hào)掃頻功能。
[0035]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀是一項(xiàng)國際上最新的弱磁信號(hào)探測設(shè)備，相比于傳統(tǒng)的電子磁力儀，超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀的分辨率高、精度高、高智能化、高穩(wěn)定性。除用于物探工作外，還可用于醫(yī)學(xué)上的心、腦磁測量；工程上的無損檢測等。在地球物理勘查上，超導(dǎo)磁力儀可用于深部金屬礦、油氣資源的勘查。
[0036](I)超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀可以廣泛地應(yīng)用于地震監(jiān)測、山體監(jiān)測、道路(含橋遂函)監(jiān)測，以及探礦等領(lǐng)域，磁場分辨率處于國際領(lǐng)先地位，達(dá)到100fT/Hz1/2。
[0037](2)立體三軸定位儀可以幫助超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀獲取全方位空間信息，為確定礦體位置和邊界提供更多的信息。
[0038](3)無磁杜瓦具有內(nèi)外壁雙層結(jié)構(gòu)以保持低液氦的低蒸發(fā)率，所選材料為無磁玻璃鋼，其磁化率低于10_5Gs/0e。
[0039](4)磁通鎖定環(huán)可以將超導(dǎo)量子干涉器接收到的磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以便于后期采用通用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析處理。
[0040](5)多功能微控制處理器，為超導(dǎo)量子干涉器三軸輸出通道提供必備的信號(hào)和捕捉輸出信號(hào)，以及與立體三軸定位儀進(jìn)行交換命令流和數(shù)據(jù)流。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1是本發(fā)明的超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀結(jié)構(gòu)框圖；
[0042]圖2是本發(fā)明的超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀安裝結(jié)構(gòu)圖；
[0043]圖3是本發(fā)明的無磁杜瓦外觀結(jié)構(gòu)圖；
[0044]圖4是圖3的剖面圖；
[0045]圖5是本發(fā)明中的磁通鎖定環(huán)工作原理示意圖；
[0046]圖6是立體三軸定位儀硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖；
[0047]圖7是微控制處理器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖；
[0048]圖8是數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)總體工作流程圖；
[0049]圖9是數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)主界面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0051]超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，包括超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)、無磁杜瓦、立體三軸定位儀、磁通鎖定環(huán)、微控制處理器、電源供電單元、數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)和主機(jī)，以低溫超導(dǎo)量子干涉器替代傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈作為磁力儀探頭，提高磁力儀的靈敏度與測量深度、精度(如圖1)。
[0052]圖2所示，所述超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀中核心部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系具體如下:
[0053](I)無磁杜瓦(圖3)中加有液氦，加液氦時(shí)要緩慢，以免液氦噴濺到身體；
[0054](2)在所述立體三軸定位儀上安裝所述超導(dǎo)量子干涉器，三個(gè)所述超導(dǎo)量子干涉器分別置于所述立體三軸定位儀的三個(gè)相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金屬絲固定連接信號(hào)電纜線；
[0055](3)通過探頭桿連接所述立體三軸定位儀與微控制處理器，所述立體三軸定位儀的信號(hào)電纜線從探頭的探頭桿中間穿過，將微控制處理器安裝在探頭桿底部平面上；
[0056](4)將安裝好超導(dǎo)量子干涉器的立體三軸定位儀緩慢地放入裝有液氦的無磁杜瓦中，所述探頭桿的前端與所述立體三軸定位儀一起固定在無磁杜瓦中；
[0057](5)所述探頭桿的底部平面與微控制處理器安裝在盒式支架上；
[0058](6)所述超導(dǎo)量子干涉器的同軸電纜與所述微控制處理器連接，通過電纜將微控制處理器與電源供電單元、主機(jī)連接起來，系統(tǒng)組裝完成。
[0059]所述無磁杜瓦的作用是維持超導(dǎo)量子干涉器正常工作所需的低溫環(huán)境，內(nèi)部加注液氦作為制冷劑；無磁杜瓦具有內(nèi)外壁雙層結(jié)構(gòu)，且內(nèi)外壁之間抽成真空，降低了杜瓦內(nèi)外的熱交換，以保持內(nèi)部液氦的低蒸發(fā)率；其所選材料均采用磁化率低于I(T5GsA)e的無磁性材料一無磁玻璃鋼，無磁性材料可避免在交變磁場作用下出現(xiàn)的感生磁噪聲，該無磁玻璃鋼為無磁玻璃纖維通過特種環(huán)氧粘接劑、聚氨酯固化劑及其他劑粘合固化而成；
[0060]所述超導(dǎo)量子干涉器由一個(gè)射頻超導(dǎo)量子干涉器(RF-SQUID)構(gòu)成或由兩個(gè)直流超導(dǎo)量子干涉器(DC-SQUID)弱連接構(gòu)成，弱連接處的超導(dǎo)電性受到強(qiáng)烈抑制；所述超導(dǎo)量子干涉器是在約瑟夫森效應(yīng)和磁通量子化效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可將電場和磁場的微小變化轉(zhuǎn)換為可測量的電壓，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)器件，具有極高的磁場靈敏度，可檢測到10_16T/(Hz) V2的微弱磁場信號(hào)，具有其他傳統(tǒng)傳感器不可比擬的磁場靈敏度；所述超導(dǎo)量子干涉器工作在液氦低溫狀態(tài)下約4K。
[0061]為實(shí)現(xiàn)空間全方位測量磁場分布，立體三軸定位儀包含三個(gè)相互正交的超導(dǎo)環(huán)，每個(gè)超導(dǎo)環(huán)均內(nèi)嵌連通一個(gè)超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)，以便能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償磁擾動(dòng)；立體三軸定位儀硬件電子電路主要是為超導(dǎo)量子干涉器提供信號(hào)，確定超導(dǎo)量子干涉器工作點(diǎn)以及與微控制處理器進(jìn)行通訊；運(yùn)用自適應(yīng)濾波算法來抑制立體三軸定位儀中三個(gè)超導(dǎo)環(huán)的運(yùn)動(dòng)磁場噪聲，其噪聲源在于超導(dǎo)環(huán)在地球空間中擾動(dòng)地球磁場產(chǎn)生的。自適應(yīng)濾波算法主要原理是利用量小方差技術(shù)，來消除動(dòng)動(dòng)磁場噪聲。主要是利用金屬板、金屬網(wǎng)、金屬盒等金屬體，把電磁場限制在一定空間范圍內(nèi)或把電磁場強(qiáng)度削弱到一定的數(shù)量級(jí)，其屏蔽結(jié)構(gòu)形式包括屏蔽隔板、共蓋屏蔽結(jié)構(gòu)、單獨(dú)屏蔽和雙層屏蔽，從而可實(shí)現(xiàn)抑制電路內(nèi)部串?dāng)_和外部干擾等。
[0062]所述超導(dǎo)量子干渉器并不能直接把磁場轉(zhuǎn)換為可測量的電壓或電流，必須通過復(fù)雜的電子線路進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能將磁場信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號(hào)，這個(gè)電子設(shè)備就是磁通鎖定環(huán)。磁通鎖定環(huán)主要工作原理為:超導(dǎo)量子干涉器要工作在磁通鎖定狀態(tài)，其中外加磁通在超導(dǎo)量子干涉器兩端產(chǎn)生的電壓被放大并被反饋為正的磁通，這種反饋電路可將超導(dǎo)量子干涉器的響應(yīng)線性化并且提供大的動(dòng)態(tài)范圍。圖5給出了工作在磁通模式下的磁通鎖定環(huán)讀出電路示意圖，其中超導(dǎo)量子干涉器的偏電流為恒定值Ib，振蕩器可產(chǎn)生50-500kHz正弦波或方波調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)通過耦合線圈耦合到超導(dǎo)環(huán)中，超導(dǎo)量子干涉器的電壓輸出通過一個(gè)變壓器LC電路連接到前置放大器上，再經(jīng)過鎖相放大輸出到積分器中，然后由積分器輸出磁通鎖定環(huán)電壓V.。其中合理選擇耦合電路的電壓增益可以將超導(dǎo)量子干涉器的動(dòng)態(tài)電阻調(diào)到合適的值，從而對(duì)前置放大器的噪聲進(jìn)行優(yōu)化。從鎖相環(huán)輸出的電流經(jīng)過反饋電阻Rbf饋送到與超導(dǎo)量子干涉器耦合的線圈中，用來抵消外加磁通保證超導(dǎo)量子干涉器中的磁通不變，并且Rbf兩端的電壓與外加磁通成正比，這樣就可以通過測量Rbf兩端的電壓來計(jì)算超導(dǎo)環(huán)中磁通變化。
[0063]圖6為立體三軸定位儀硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩個(gè)電壓級(jí)(偏置與補(bǔ)償)，控制超導(dǎo)量子干涉器保持適中的電流源；電路板中方波信號(hào)發(fā)生器(頻率5Hz)可以觀察超導(dǎo)量子干涉器參數(shù)特性，也能通過偏壓控制方法自動(dòng)調(diào)整超導(dǎo)量子干涉器工作點(diǎn)即開啟超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)的電路環(huán)境，自動(dòng)控制技術(shù)可以提高超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)可靠性和有效性。；超導(dǎo)量子干涉器電子元器件控制超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)的數(shù)字化控制電子元器件，借助數(shù)字控制電子元器件(圖6)，既可以加熱超導(dǎo)量子干涉器，也可以切換超導(dǎo)量子干涉器電子元器件操作模式(如重啟磁通鎖定環(huán))。超導(dǎo)量子干涉器電子元器件中輸出磁通信號(hào)經(jīng)過輸出緩沖進(jìn)行放大，放大后的磁通信號(hào)將調(diào)制控制磁通鎖定環(huán)。所述超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀的硬件模塊集成電路布局規(guī)劃技術(shù)主要采用模塊劃分法，在進(jìn)行布局時(shí)，模塊的劃分應(yīng)盡量保持與原電路設(shè)計(jì)一致，即若無明顯的效益，就不要將原來的模塊框架破壞，以維持布局與電路設(shè)計(jì)之間的明確對(duì)應(yīng)關(guān)系，使布局驗(yàn)證與修改工作及使用過程中的維護(hù)工作容易實(shí)施。模塊劃分法的最大特點(diǎn)在于可兼顧時(shí)效或復(fù)雜程度考量，布局工程人員可同時(shí)并獨(dú)立地進(jìn)行各模塊布局設(shè)計(jì)，減少全局工作時(shí)間，有利于工作時(shí)程的預(yù)估及進(jìn)度的有效掌握。電源線盡量以樹枝狀分布，其應(yīng)以交錯(cuò)為原則，并避免相互跨越，必要時(shí)以通道方式連線，但應(yīng)避免用非金屬材料，以免造成壓降。信號(hào)線連線距離越短越好，并應(yīng)避免用通道方式連接，只可降低信號(hào)線上的阻抗，消除電路中可能發(fā)生的衰變。數(shù)據(jù)總線走線應(yīng)保持路徑或距離的一致，有直接將總線貫穿于各模塊之中和分布于各模塊的間隙中。印刷線路板主要采用雙面板和多層板，以增加布線面積，其主要特點(diǎn)在于可高密度化、高可靠性、可設(shè)計(jì)性、可生產(chǎn)性、可測試性、可組裝性和可維護(hù)性。硬件模塊所選用的元器件均符合國標(biāo)或國際通用標(biāo)準(zhǔn)，并盡可能選用集成化、數(shù)字化元器件，以保證元器件的生命使用周期和性能可靠性。引腳安置所需考慮的引腳有兩類:焊接塊和功能模塊的I/O引腳。硬件模塊工藝兼容設(shè)計(jì)主要采用雙極與CMOS工藝，利用薄膜全耗盡SOI膜制造的金屬半場效晶體管(MOSFET)不僅具有寄生電容小、抗輻射能力強(qiáng)、可完全消除閉鎖效應(yīng)、可抑制源漏穿通和熱載流子效應(yīng)以及極大改善溝通效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。且與一般體硅器件不同，具有雙柵和橫向等特殊效應(yīng)，可在高頻和大功率電路中獲得廣泛應(yīng)用。
[0064]所述微控制處理器內(nèi)部包括三個(gè)信號(hào)處理通道，這三個(gè)信號(hào)處理通道分別與立體三軸定位儀的三個(gè)超導(dǎo)環(huán)單獨(dú)地連接，微控制處理器主要為這些通道提供必備的信號(hào)和捕捉輸出信號(hào)，以及通過封包的形式與立體三軸定位儀進(jìn)行交換命令流和數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)控制三軸定位儀的三個(gè)超導(dǎo)環(huán)工作狀態(tài)和采集原始的磁場信號(hào)數(shù)據(jù)；所述微控制處理器使用電磁干擾濾波器對(duì)高頻電磁信號(hào)噪聲進(jìn)行抑制，針對(duì)高頻電磁噪聲中可能同時(shí)存在著差模干擾和共模干擾，電磁干擾濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用共模扼流圈和電容組合用于抑制共模噪聲，并采用差模扼流圈和電容組合用于抑制差模噪聲，因此，微控制處理器在抑制高頻信號(hào)噪聲干擾的同時(shí)，也可提高高頻段有用信號(hào)的增益。
[0065]圖7為多功能微控制處理器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。
[0066]所述主機(jī)主要作用是為數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件平臺(tái)，它可以是普通PC計(jì)算機(jī)。
[0067]所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)是在Delphi平臺(tái)下開發(fā)實(shí)現(xiàn)，主要采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)界面可視化、友好，可以通過本系統(tǒng)顯示被勘探對(duì)象的磁場分布時(shí)間譜線圖。所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)，主要采用Delphi語言編程實(shí)現(xiàn)，Delphi是可面向?qū)ο蟮恼Z言，具有支持抽象性、繼承性和封裝性等特性，不僅可有效地實(shí)現(xiàn)可視化編程，而且可支持面向過程的流程設(shè)計(jì)，從而可直接實(shí)現(xiàn)算法中流程圖的條件和循環(huán)執(zhí)行，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)達(dá)到最優(yōu)。圖14為數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)總體工作流程圖，圖9為數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)主界面示意圖。
[0068]圖8是數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)總體工作流程圖，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)主要功能如下:
[0069]1、磁通鎖定環(huán)工作點(diǎn)調(diào)整，包括手動(dòng)調(diào)節(jié)偏置和補(bǔ)償，也可自動(dòng)調(diào)節(jié)偏置和補(bǔ)償；
[0070]2、量子干涉器中線圈加熱觸發(fā)功能模塊，用于觸凍超低溫工作狀態(tài)下SQUID器件；
[0071]3、水平基線校準(zhǔn)功能，用于調(diào)節(jié)時(shí)間譜線圖的基準(zhǔn)；
[0072]4、信號(hào)幅度增益調(diào)節(jié)功能；
[0073]5、磁通鎖定環(huán)系統(tǒng)控制復(fù)位功能；
[0074]6、低頻濾波功能；
[0075]7、信號(hào)記錄存儲(chǔ)及回放功能；
[0076]8、信號(hào)掃頻功能。
【權(quán)利要求】
1.超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，包括超導(dǎo)量子干涉器、無磁杜瓦、立體三軸定位儀、磁通鎖定環(huán)、微控制處理器、電源供電單元、數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)和主機(jī)，其特征在于，以低溫超導(dǎo)量子干涉器替代傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈作為磁力儀探頭，提高磁力儀的靈敏度與測量深度、精度，所述無磁杜瓦中加有液氦；在所述立體三軸定位儀上安裝所述超導(dǎo)量子干涉器，三個(gè)所述超導(dǎo)量子干涉器分別置于所述立體三軸定位儀的三個(gè)相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金屬絲固定連接信號(hào)電纜線；通過探頭桿連接所述立體三軸定位儀與微控制處理器，所述立體三軸定位儀的信號(hào)電纜線從探頭的探頭桿中間穿過，將微控制處理器安裝在探頭桿底部平面上；安裝好超導(dǎo)量子干涉器的立體三軸定位儀放入裝有液氦的無磁杜瓦中，所述探頭桿的前端與所述立體三軸定位儀一起固定在無磁杜瓦中；所述探頭桿的底部平面與微控制處理器安裝在盒式支架上；所述超導(dǎo)量子干涉器的同軸電纜與所述微控制處理器連接，通過電纜將微控制處理器與電源供電單元、主機(jī)連接起來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，其特征在于， 所述無磁杜瓦具有內(nèi)外壁雙層結(jié)構(gòu)，且內(nèi)外壁之間抽成真空，降低了杜瓦內(nèi)外的熱交換；其所選材料均采用磁化率低于l(T5Gs/Oe的無磁性材料一無磁玻璃鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，其特征在于， 所述超導(dǎo)量子干涉器由一個(gè)射頻超導(dǎo)量子干涉器構(gòu)成或由兩個(gè)直流超導(dǎo)量子干涉器弱連接構(gòu)成，弱連接處的超導(dǎo)電性受到強(qiáng)烈抑制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)弱磁信號(hào)探測磁力儀，其特征在于， 為實(shí)現(xiàn)空間全方位測量磁場分布，立體三軸定位儀包含三個(gè)相互正交的超導(dǎo)環(huán)，每個(gè)超導(dǎo)環(huán)均內(nèi)嵌連通一個(gè)超導(dǎo)量子干涉器，以便能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償磁擾動(dòng)；立體三軸定位儀硬件電子電路為超導(dǎo)量子干涉器提供信號(hào)，確定超導(dǎo)量子干涉器工作點(diǎn)以及與微控制處理器進(jìn)行通訊；運(yùn)用自適應(yīng)濾波算法來抑制立體三軸定位儀中三個(gè)超導(dǎo)環(huán)的運(yùn)動(dòng)磁場噪聲。
【文檔編號(hào)】G01V3/40GK204188791SQ201420568427
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】艾海明 申請(qǐng)人:北京美爾斯通科技發(fā)展股份有限公司