工作点迁移法计数式超导磁力仪及确定磁场变化方向的方法
【专利摘要】本发明涉及一种工作点迁移法计数式超导磁力仪及确定磁场变化方向的方法与采集信号的反演方法，是对穿过超导环的磁通变化量中超过某一固定磁通量值的部分进行计数，小于此磁通量值的部分进行测量的方法，在不降低超导磁力仪采样精度的前提下提高其动态范围。本发明针对超导量子计数的几个关键问题提出了解决方法，在提高系统灵敏度与精度的同时，极大地提高了超导磁力仪的动态范围；此外，避免了锁定式超导磁力仪极易遇到的失锁的问题，提高了磁力仪工作的稳定性。与现有的锁定式超导磁力仪相比，更适合野外长时间工作，使超导磁力仪实现了在野外噪声比较大的环境中进行测量工作。
【专利说明】工作点迁移法计数式超导磁力仪及确定磁场变化方向的方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种地球物理磁法勘探的超导磁力仪，尤其是一种计数式超导磁力仪，特别是工作点迁移法计数式超导磁力仪。
【背景技术】:
[0002]超导量子干涉器件(SQUID)是目前已知的灵敏度最高的弱磁测量传感器。利用SQUID制成的超导磁力仪可应用于生物磁(心磁、脑磁)测量、无损探伤以及磁法勘探等领域。
[0003]现有的超导磁力仪普遍是基于零磁通锁定的方法设计的，然而，由于动态范围与精度及灵敏度相互制约的关系，此类超导磁力仪在获得较高的灵敏度与精度的同时，也遇到了动态范围较小的窘况。例如，通常的灵敏度为300fT的超导磁力仪的动态范围只有±300nT左右。但是野外环境中，外界的电磁干扰或背景磁场的扰动普遍较高，例如电力线附近，仅50Hz工频干扰就可达±500nT。在此环境中利用零磁通锁定式超导磁力仪进行磁法勘探以寻找矿藏或研究地质构造时，将会因为SQUID无法锁定，导致无法进行测量。因此，此类型的超导磁力仪只能应用于磁屏蔽室内进行测量动态范围较小的弱磁信号，而无法在野外环境中进行磁法勘探。
[0004]《地球学报》发表的《高温超导磁强计的研制及在TEM上的野外试验》(vol23，2002)介绍了一种应用于地球物理勘探领域的高温超导磁力计，该磁力计在零磁通锁定的基础上采用降低SQUID读出电路中反馈电阻的方法提高其动态范围，但是随着磁力仪动态范围的增加，其灵敏度及精度将会相应减小，如此便无法充分利用超导磁力仪高灵敏度的优点。
[0005]CN101893721A专利公布了 一种宽动态高温超导磁力仪。此磁力仪是在零磁通锁定的基础上，利用亥姆霍兹线圈产生的标准磁场，抵消部分外界待测磁场，相对提高SQUID动态范围，但是由于亥姆霍兹线圈构造复杂、体积较大，以及在运动过程中无法保证亥姆霍兹线圈与SQUID绝对共轴等原因，此磁力仪不适合在野外和运动环境下工作。
[0006]此外，当采用零磁通锁定式超导磁力仪进行长时间测量时，环境噪声、电路噪声与电路零漂极易造成处于锁定中的超导磁力仪失锁，因此，基于零磁通锁定理论的超导磁力仪只适合短时间的或间断性的测量。
[0007]综上所述，现有的锁定式超导磁力仪在野外工作中，均存在实用性和可靠性问题，以及动态范围较小或灵敏度和精度较低的问题，这些问题极大地影响了超导磁力仪的应用与推广。
【发明内容】
:
[0008]本发明的目的就在于针对以上现有技术的不足，提供了一种无需锁定的工作点迁移法计数式超导磁力仪；
[0009]本发明的另一目的是提供了一种工作点迁移法计数式超导磁力仪确定磁场变化方向的方法；
[0010]本发明的另一目的是提供了一种工作点迁移法计数式超导磁力仪采集信号反演的方法。
[0011]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0012]工作点迁移法计数式超导磁力仪，由置于杜瓦瓶2中的超导量子探头(SQUID)l经读出电路3、模拟隔离模块4、数据采集系统5、微处理器6、数字隔离模块8、反馈模块9与超导量子探头(SQUID) 1连接，模拟隔离模块4经状态检测模块7与微处理器6连接构成。
[0013]状态检测模块7是由四个二选一型模拟开关和五个迟滞比较器组成，具体连接方式为:模拟开关10、模拟开关11、模拟开关12和模拟开关13并行与微处理器6连接，模拟隔离模块4分别与模拟开关10、模拟开关11、模拟开关12、模拟开关13和过零迟滞比较器14连接，过零迟滞比较器14与微处理器6连接，模拟开关10经迟滞比较器15与微处理器6连接，模拟开关11经迟滞比较器16与微处理器6连接，模拟开关12经迟滞比较器17与微处理器6连接，模拟开关13经迟滞比较器18与微处理器6连接。五个迟滞比较器中，过零迟滞比较器14用于判断磁通调制信号的极性；迟滞比较器15与迟滞比较器17为反馈检测迟滞比较器，用于检测何时进行反馈及检测未反馈过程中是否出现拐点；迟滞比较器16与迟滞比较器18为拐点检测迟滞比较器，用于检测反馈过程中是否出现拐点，四个二选一型模拟开关的一个输入端口与过零迟滞比较器并行连接磁通调制信号线，另一个输入端口并行连接模拟地线，通过控制四个二选一型模拟开关的通断决定五个迟滞比较器是否工作或对迟滞比较器的输出进行复位。
[0014]反馈模块9是由基准信号模块19经反馈量选择模块20与反馈开关模块21连接构成。其中，基准信号模块19提供正负反馈信号，且反馈信号可在SQUID中感生出磁力仪所需要的相应极性的反馈磁通·量(土 △ Φ);反馈量选择模块20根据微处理器6输出的反馈量选择信号选择输出不同极性的反馈信号；反馈开关模块21根据微处理器6输出的反馈开关控制信号通过开关的通断对SQUID进行反馈。
[0015]一种工作点迁移法计数式超导磁力仪确定磁场变化方向的方法，其特征在于:开始测量时首先确定磁场的变化方向，测量过程中通过检测磁场变化的拐点进行间接确定磁场的变化方向。具体包括以下步骤:
[0016]a.测量开始时，当磁通调制信号过零点时，反馈模块对SQUID反馈补偿一个固定的极性为+的小于Φ74的磁通，通过判断磁通调制信号随后出现的超前或滞后两种不同的变化，判断磁场的变化方向，当磁场的变化方向得到确定后，反馈模块撤消反馈；
[0017]b.测量过程中，采用工作点迁移的方法对磁场调制信号进行调理。方法如下:当磁通调制信号的幅值接近峰值时，反馈模块对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φ72的磁通(Φο为一个磁通量子)，使磁通调制信号的幅值快速越过或远离峰值，而后磁力仪以磁通调制信号稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量，当超导环内的磁通量中属于所测磁场的分量越过或远离磁通调制信号峰值所对应的磁通量时反馈模块撤消反馈，而后磁力仪以所测磁场变化方向未改变情况下的撤消反馈后磁通调制信号稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量，整个过程中由于避开了拐点检测的盲区，因此不会遇到无法检测拐点的情况。根据反馈磁通的极性与磁场的变化方向是否相同，工作点迁移法可分为工作点正迁移法与工作点负迁移法。[0018]c.在对磁通调制信号进行调理的过程中，通过判断在相邻两次反馈过程中的磁通调制信号的极性是否相同，或在反馈过程中磁通调制信号是否出现峰值进行检测拐点；
[0019]所述的工作点迁移法根据反馈磁通的极性与磁场的变化方向是否相同分为工作点正迁移法和工作点负迁移法:
[0020]工作点正迁移法:当磁通调制信号的幅值接近峰值时，对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φο/2的且极性与磁场变化方向相同的磁通，使磁通调制信号的幅值快速越过峰值跳变到一个新的幅值，而后磁力仪以此幅值为新的工作基点继续进行测量，当超导环内的磁通量中属于所测磁场的分量越过或远离磁通调制信号峰值所对应的磁通量时撤消反馈，而后磁力仪以所测磁场变化方向未改变情况下的撤消反馈后磁通调制信号稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量，在整个过程中由于避开了拐点检测的盲区，因此不会遇到无法检测拐点的情况；
[0021]式中的Φ。为一个磁通量子；
[0022]工作点负迁移法，即当磁通调制信号的幅值接近峰值时，对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φο/2的且极性与磁场变化方向相反的磁通，使磁通调制信号的幅值快速远离峰值跳变到一个新的幅值，而后磁力仪以此幅值为新的工作基点继续进行测量，当超导环内的磁通量中属于所测磁场的分量越过或远离磁通调制信号峰值所对应的磁通量时撤消反馈，而后磁力仪以所测磁场变化方向未改变情况下的撤消反馈后磁通调制信号稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量。整个过程中同样由于避开了拐点检测的盲区，因此不会遇到无法检测拐点的情况。
[0023]一种工作点迁移法计数式超导磁力仪采集信号反演的方法，是根据状态检测模块7输出的状态值，对反馈和未反馈两种状态分别进行计数，对反馈状态未改变时的磁通调制信号进行采集并换算成相应的磁通量值，将反馈状态的计数值与相应的反馈状态对应的磁通变化量的乘积之和同采集并换算的磁通量值相加，便得到当前的磁通变化量，具体公式如下:`
【权利要求】
1.一种工作点迁移法计数式超导磁力仪，由超导量子探头SQUID(l)、杜瓦瓶(2)、SQUID读出电路(3)和微处理器(6)组成，其特征在于:置于杜瓦瓶(2)中的超导量子探头SQUID (1)经读出电路(3)、模拟隔离模块(4)、数据采集系统(5)、微处理器(6)、数字隔离模块(8)、反馈模块(9)与超导量子探头SQUID(l)连接，模拟隔离模块(4)经状态检测模块(7)与微处理器(6)连接构成。
2.按照权利要求1所述的工作点迁移法计数式超导磁力仪，其特征在于:状态检测模块(7)是由模拟开关(10)、模拟开关(11)、模拟开关(12)和模拟开关(13)并行与微处理器(6)连接，模拟隔离模块⑷分别与模拟开关(10)、模拟开关(11)、模拟开关(12)、模拟开关(13)和过零迟滞比较器(14)连接，过零迟滞比较器(14)与微处理器(6)连接，模拟开关(10)经迟滞比较器(15)与微处理器(6)连接，模拟开关(11)经迟滞比较器(16)与微处理器(6)连接，模拟开关(12)经迟滞比较器(17)与微处理器(6)连接，模拟开关(13)经迟滞比较器(18)与微处理器(6)连接构成。
3.按照权利要求1所述的工作点迁移法计数式超导磁力仪，其特征在于:反馈模块(9)是由基准信号模块(19)经反馈量选择模块(20)与反馈开关模块(21)连接构成。
4.一种工作点迁移法计数式超导磁力仪确定磁场变化方向的方法，其特征在于:开始测量时首先确定磁场的变化方向，测量过程中通过检测磁场变化的拐点间接确定磁场的变化方向，包括以下步骤:a、测量开始时，在未反馈状态下，当磁通调制信号过零点时，反馈模块对SQUID反馈补偿一个固定的极性为+的小于Φο/4的磁通，通过判断磁通调制信号随后出现的超前或滞后两种不同的变化，判断磁场的变化方向，当磁场的变化方向得到确定后，反馈模块撤消反馈；b、测量过程中，采用工作点迁移的方法对磁场调制信号进行调理；所述的工作点迁移法根据反馈磁通的极性与磁场的变化方向是否相同分为工作点正迁移法和工作点负迁移法:工作点正迁移法:当磁通调制信号的幅值接近峰值时，对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φο/2的且极性与磁场变化方向相同的磁通，使磁通调制信号的幅值快速越过峰值跳变到一个新的幅值，而后磁力仪以此幅值为新的工作基点继续进行测量，当超导环内的磁通量中属于所测磁场的分量越过或远离磁通调制信号峰值所对应的磁通量时撤消反馈，而后磁力仪以所测磁场变化方向未改变情况下的撤消反馈后磁通调制信号稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量；式中的Φο为一个磁通量子；工作点负迁移法，即当磁通调制信号的幅值接近峰值时，对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φο/2的且极性与磁场变化方向相反的磁通，使磁通调制信号的幅值快速远离峰值跳变到一个新的幅值，而后磁力仪以此幅值为新的工作基点继续进行测量，当超导环内的磁通量中属于所测磁场的分量越过或远离磁通调制信号峰值所对应的磁通量时撤消反馈，而后磁力仪以所测磁场变化方向未改变情况下的撤消反馈后磁通调制信号稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量；c、在对磁通调制信号进行调理的过程中，通过判断在相邻两次反馈过程中的磁通调制信号的极性是否相同，或在反馈过程中的磁通调制信号是否出现峰值进行检测拐点。
5.一种工作点迁移法计数式超导磁力仪采集信号反演的方法，其特征在于:根据状态检测模块7输出的状态值，对反馈和未反馈两种状态分别进行计数，对反馈状态未改变时的磁通调制信号进行采集并换算成相应的磁通量值，将反馈状态的计数值与相应的反馈状态对应的磁通变化量的乘积之和同采集并换算的磁通量值相加，便得到当前的磁通变化量，具体公式如下:
【文档编号】G01R33/035GK103744035SQ201410035641
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月25日 优先权日:2014年1月25日
【发明者】程德福, 申茂冬, 安战锋, 任胜男, 王一, 许 鹏, 赵静, 王君 申请人:吉林大学, 中国国土资源航空物探遥感中心