磁传感器的低频本征噪声测试系统及测试方法与流程

本发明涉及磁场检测领域，特别是涉及一种磁传感器的低频本征噪声测试系统及测试方法。

背景技术：

超导量子干涉器件(superconductingquantuminterferencedevice，squid)是目前已知的最灵敏的磁传感器，其中低温超导squid灵敏度可优于1ft/hz^1/2，是重要的高端应用磁传感器，广泛应用于生物医疗，地球物理探测，以及基础研究等领域。squid磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。

对squid等高灵敏度磁传感器本征噪声，尤其是低频噪声的测试通常是一个难点。目前通常在良好的磁屏蔽(超导屏蔽或者磁屏蔽室、磁屏蔽桶等)环境下测量，并且在测试过程中应尽量减少机械振动带来的额外噪声。即便如此，也很难保证能测量到磁传感器的本征噪声。

因此，如何精确地测量磁传感器的低频本征噪声，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁传感器的低频本征噪声测试系统及测试方法，用于解决现有技术中磁传感器的低频本征噪声测量条件苛刻，准确性低等问题。

为实现上述目的及他相关目的，本发明提供一种磁传感器的低频本征噪声测试系统，所述磁传感器的低频本征噪声测试系统至少包括：

稳场磁传感器、待测磁传感器、检测信号读出模块，反馈模块及补偿模块；

所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器设置于所述补偿模块中；

所述检测信号读出模块连接于所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器的输出端，用于读取所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器的输出信号；

所述反馈模块的输入端连接于所述检测信号读出模块的输出端、输出端连接所述补偿模块，用于将所述稳场磁传感器检测到的信号反馈到所述补偿模块中；

所述补偿模块基于所述反馈模块的输出信号产生与环境磁场波动相反的补偿磁场。

可选地，所述待测磁传感器包括squid磁传感器、霍尔磁传感器、各向异性磁电阻磁传感器或巨磁电阻磁传感器。

可选地，所述稳场磁传感器包括squid磁传感器、霍尔磁传感器、各向异性磁电阻磁传感器或巨磁电阻磁传感器。

可选地，所述稳场磁传感器包括设置于至少一个轴向上的squid磁强计。

更可选地，所述磁传感器低频本征噪声测试系统还包括为所述squid磁强计提供低温环境的制冷液体，所述制冷液体容置于无磁杜瓦中。

更可选地，所述检测信号读出模块包括squid读出电路，所述squid读出电路的通道与所述squid磁强计的数量对应。

更可选地，所述稳场磁传感器包括三个squid磁强计，分别设置于三个互相垂直的平面上。

更可选地，所述补偿模块包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈，与各squid磁强计的轴向对应设置。

可选地，所述反馈模块包括至少一路比例积分微分电路，所述比例积分微分电路的输入端连接所述稳场磁传感器一个轴向的检测信号、输出端连接与输入的检测信号轴向一致的补偿线圈。

更可选地，所述比例积分微分电路包括依次连接的比例放大器、积分器及功率放大器。

可选地，所述补偿模块包括与所述稳场磁传感器的轴向一致的补偿线圈。

更可选地，所述补偿线圈为正多边形或圆形。

更可选地，各轴向均包括两个补偿线圈，任意轴向上的两个补偿线圈分别设置于所述稳场磁传感器的两侧。

更可选地，所述磁传感器的低频本征噪声测试系统还包括数据采集模块，连接于所述检测信号读出模块，用于获取所述检测信号读出模块的输出信号并进行处理。

更可选地，所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器采用同一个磁传感器。

为实现上述目的及他相关目的，本发明还提供一种上述磁传感器低频本征噪声测试系统的磁传感器低频本征噪声测试方法，所述磁传感器低频本征噪声测试方法至少包括：

稳场磁传感器检测环境磁场，将所述稳场磁传感器检测到的信号反馈到补偿模块，所述补偿模块产生与环境磁场相反的补偿磁场，动态补偿所述环境磁场，进而获得稳定磁场；

待测磁传感器在所述稳定磁场中检测环境磁场，输出稳定磁场信号及所述待测磁传感器的低频本征噪声，进而获得所述待测磁传感器的低频本征噪声。

如上所述，本发明的磁传感器的低频本征噪声测试系统及测试方法，具有以下有益效果：

本发明的磁传感器低频本征噪声测试系统及测试方法使用动态补偿的方法，提供一个稳定磁场，效压制环境磁场低频噪声，为待测磁传感器的低频本征噪声提供了良好的环境，进而获得准确的磁传感器的低频本征噪声；本发明具有系统简单，方法可靠的优点。

附图说明

图1显示为本发明的磁传感器的低频本征噪声测试系统的一种实施方式。

图2显示为本发明的squid三轴磁强计的结构示意图。

图3显示为本发明的反馈模块的结构示意图。

图4显示为本发明的磁传感器的低频本征噪声测试系统的另一种实施方式。

图5显示为现有技术与本发明的低频噪声测试结果。

元件标号说明

1磁传感器的低频本征噪声测试系统

11稳场磁传感器

11a～11c第一～第三squid磁强计

12待测磁传感器

13检测信号读出模块

14反馈模块

141～143第一～第三比例积分微分电路

1411比例放大器

1412积分器

1413功率放大器

15补偿模块

16数据采集模块

17无磁杜瓦

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种磁传感器的低频本征噪声测试系统1，所述磁传感器的低频本征噪声测试系统1包括：

稳场磁传感器11、待测磁传感器12、检测信号读出模块13，反馈模块14、补偿模块15及数据采集模块16。

如图1所示，所述稳场磁传感器11设置于所述补偿模块15中。

具体地，所述稳场磁传感器11包括但不限于squid磁传感器、霍尔磁传感器、各向异性磁电阻磁传感器或巨磁电阻磁传感器。在本实施例中，所述稳场磁传感器11为squid磁传感器，更具体地，所述稳场磁传感器11为squid三轴磁强计。如图1所示，所述squid三轴磁强计浸没于制冷液体中，并设置于所述补偿模块15中心，所述squid三轴磁强计用于探测三个轴向的环境磁场波动。如图2所示，所述squid三轴磁强计包括三个squid磁强计，在本实施例中，第一squid磁强计11a、第二squid磁强计11b及第三squid磁强计11c分别设置于一正立方体的前表面、上表面及左表面上(三个相互垂直的表面)。各squid磁强计为一个圆环，所述squid磁强计由超导材料制成，用于将检测到的磁强计信号转换为电压信号。

具体地，所述squid三轴磁强计工作在使其进入超导状态的低温环境中。所述squid三轴磁强计1放置于无磁杜瓦17中，所述无磁杜瓦17中盛放有提供低温环境的制冷液体，所述squid三轴磁强计浸没于所述制冷液体中，以确保所述squid三轴磁强计工作于超导状态。若所述squid三轴磁强计由高温超导材料制成，则所述制冷液体为液氮(温度约为77k)；若所述squid三轴磁强计由低温超导材料制成，则所述制冷液体为液氦(温度约为4.2k)。在实际使用中，所述制冷液体可根据需要替换，不以本实施例为限。

如图1所示，所述待测磁传感器12设置于所述补偿模块15中。

具体地，所述待测磁传感器12包括但不限于squid磁传感器、霍尔磁传感器、各向异性磁电阻磁传感器或巨磁电阻磁传感器。在本实施例中，所述待测磁传感器12为squid磁传感器，更具体地，所述待测磁传感器12为squid三轴磁强计，其结构与所述稳场磁传感器11相同，在此不一一赘述。

如图1所示，所述检测信号读出模块13连接于所述稳场磁传感器11及所述待测磁传感器12的输出端，用于读取所述稳场磁传感器11及所述待测磁传感器12的输出信号。

具体地，在本实施例中，所述检测信号读出模块13为squid读出电路，所述squid读出电路包括六路通道，与所述squid磁强计的数量对应。所述squid读出电路工作于常温环境中，通过导线与所述squid三轴磁强计相连，采用多通道读出方式调试各squid磁强计的工作点，使各squid磁强计正常工作，并将各squid磁强计检测到的信号进行处理后读出。所述squid读出电路可采用现有技术中的任意一种squid读出电路实现，在此不对其结构进行一一阐述。

如图1所示，所述反馈模块14的输入端连接于所述检测信号读出模块13的输出端、输出端连接所述补偿模块15，用于将所述稳场磁传感器11检测到的信号反馈到所述补偿模块15中。

具体地，所述反馈模块14包括至少一路比例积分微分电路，所述比例积分微分电路的输入端连接所述稳场磁传感器11一个轴向的检测信号、输出端连接与输入的检测信号轴向一致的补偿线圈。在本实施例中，所述反馈模块14包括第一比例积分微分电路141、第二比例积分微分电路142及第三比例积分微分电路143，各比例积分微分电路的输入端分别连接一个轴向的磁强计检测信号、输出端分别连接对应的补偿线圈。所述稳场磁传感器11中的所述第一squid磁强计11a检测到的信号输入到所述第一比例积分微分电路141的输入端ina，经所述第一比例积分微分电路141处理后输出到所述补偿模块15中与所述第一squid磁强计11a所在平面平行的补偿线圈上(在本实施例中，位于与所述第一squid磁强计11a所在平面平行的补偿线圈包括两个，所述第一比例积分微分电路141的输出端outa连接两个补偿线圈，图1为简化仅连接一个补偿线圈)。所述第一比例积分微分电路141包括比例放大器1411，连接于所述比例放大器1411输出端的积分器1412，及连接于所述积分器1412输出端的功率放大器1413。同理，所述第二比例积分微分电路142的输入端inb、输出端outb及所述第三比例积分微分电路143的输入端inc、输出端outc分别连接对应的输入信号及输出信号，且具体电路结构与所述第一比例积分微分电路141类似，在此不一一赘述。

需要说明的是，各比例积分微分电路的结构包括但不限于本实施例所列举，任意能实现比例积分微分的电路结构均适用于本发明。

如图1所示，所述补偿模块15基于所述反馈模块14的输出信号产生与环境磁场波动相反的补偿磁场，以达到稳定磁场波动的作用。

具体地，在本实施例中，所述补偿模块15为三轴补偿线圈，包括分别设置于三个互相垂直的轴向的补偿线圈，与所述稳场磁传感器11的三个轴向对应。在本实施例中，各补偿线圈为正方形，且同一轴向上设置两个补偿线圈，分别位于所述稳场磁传感器11的两侧(提高磁场均匀性)；同一轴向的两个补偿线圈的中心在与其轴向垂直的平面上重合，所述三轴补偿线圈的外轮廓为立方体，所述稳场磁传感器11位于该立方体结构的中心。

需要说明的是，所述补偿线圈的形状包括但不限于其他环状结构，为提高磁场均匀性，优选为正多边形或圆形。同一轴向上的补偿线圈的数量至少为一个，可根据需要设定补偿线圈的数量，不以本实施例为限。

如图1所示，所述数据采集模块16连接于所述检测信号读出模块13的输出端，读取所述待测磁传感器12的输出信号并进行处理，以获得所述待测磁传感器12的低频本征噪声。

具体地，在本实施例中，所述数据采集模块16采用计算机实现。

需要说明的是，本实施例采用三通道补偿模式，即所述稳场磁传感器11设置为squid三轴磁强计，所述检测信号读出模块13包括与所述稳场磁传感器11对应的三个通道及与所述待测磁传感器12对应的通道(本实施例中也是三个)，所述反馈模块14包括三路比例积分微分电路，所述补偿模块15设置为三轴补偿线圈；通过三套互相正交的磁传感器、三套补偿电路和三套互相正交的补偿线圈实现更好的稳场效果，且可同时对多个方向的磁传感器进行噪声测试，具有更好的测试效果。其中，稳场磁传感器11的类型不限于本实施例的squid磁传感器。在实际使用中，可采用单通道补偿模式，即仅采用单通道的磁传感器、单通道补偿模块和单一方向的补偿线圈，以简化系统。可根据通道的数量设定本发明的检测信号读出模块13、反馈模块14、补偿模块15的通道数量，不以本实施例为限。

需要说明的是，所述稳场磁传感器11与所述待测磁传感器12的类型及结构无需相同，不以本实施例为限。

所述磁传感器的低频本征噪声测试系统的工作原理如下：

1)所述稳场磁传感器11检测环境磁场，将所述稳场磁传感器11检测到的信号反馈到补偿模块15，所述补偿模块15产生与环境磁场相反的补偿磁场，动态补偿所述环境磁场，进而获得稳定磁场。

具体地，将所述稳场磁传感器11及所述待测磁传感器12正确连接，置于无磁杜瓦17中，将squid信号采用多通道读出电路进行读出，采用数据采集模块16对信号进行收集；再将所述稳场磁传感器11及所述待测磁传感器12置于补偿线圈中心(单轴或者三轴)，调整squid方向和线圈方向一致。

具体地，将squid输出接入所述反馈模块14的输入端；将所述反馈模块14的输出端接入到补偿线圈。

具体地，调整所述反馈模块14，使其正常工作，达到良好的稳场效果。

2)待测磁传感器12在所述稳定磁场中检测环境磁场，输出稳定磁场信号及所述待测磁传感器12的低频本征噪声，进而获得所述待测磁传感器12的低频本征噪声。

具体地，采集所述待测磁传感器12的输出，做傅里叶分析，其低频成分即为所述待测磁传感器12的低频本征噪声。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种磁传感器的低频本征噪声测试系统1，与实施例一的不同之处在于，实施例一采用两个磁传感器实现异位测试，本实施例的所述稳场磁传感器11及所述待测磁传感器12采用同一个磁传感器18，实现原位测试。

具体地，所述磁传感器18既用于形成稳定磁场，又作为待测对象，相应地，所述检测信号读出模块13的通道数量做相应的删减，在此不一一赘述。

本实施例由于采用原位测试的方式，可进一步减小补偿线圈均匀性、传感器间距等因素对测试结果的影响。

如图5所示为本发明与现有技术的低频噪声测试结果，其中，变化趋势较大的是现有技术的低频噪声测试结果，变化趋势较小的是本发明的低频噪声测试结果，显然，本发明的磁传感器的低频本征噪声测试系统测得的低频本征噪声干净，且准确性远远高于现有技术，可靠性高。

本发明采用稳场磁传感器、反馈模块以及补偿线圈形成一套磁场动态补偿系统，工作时将待测磁传感器放置于补偿线圈中心位置，待测磁传感器的测量方向调整到与对应的补偿线圈方向一致；当磁场动态补偿系统工作正常时，待测磁传感器所在区域将形成一稳定磁场区域，于该稳定磁场区域实现待测磁传感器的低频频段本征噪声的测试。

综上所述，本发明提供一种磁传感器的低频本征噪声测试系统及测试方法，包括：稳场磁传感器、待测磁传感器、检测信号读出模块，反馈模块及补偿模块；所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器设置于所述补偿模块中；所述检测信号读出模块连接于所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器的输出端，用于读取所述稳场磁传感器及所述待测磁传感器的输出信号；所述反馈模块的输入端连接于所述检测信号读出模块的输出端、输出端连接所述补偿模块，用于将所述稳场磁传感器检测到的信号反馈到所述补偿模块中；所述补偿模块基于所述反馈模块的输出信号产生与环境磁场波动相反的补偿磁场。稳场磁传感器检测环境磁场，将所述稳场磁传感器检测到的信号反馈到补偿模块，所述补偿模块产生与环境磁场相反的补偿磁场，动态补偿所述环境磁场，进而获得稳定磁场；待测磁传感器在所述稳定磁场中检测环境磁场，输出稳定磁场信号及所述待测磁传感器的低频本征噪声，进而获得所述待测磁传感器的低频本征噪声。本发明采用动态补偿方式有效的压制环境磁场波动，通过磁探测器检测环境磁场的变化，再通过反馈电路将该变化进行调理，放大后驱动一组反馈线圈产生与环境磁场变化相反的磁场，以达到稳定磁场的目的；本发明可以精确地测量磁传感器的低频本征噪声。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。