一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁场测量技术领域，涉及一种标定装置，特别是涉及一种超导量子干 涉器件H轴磁强计的标定装置及方法。
【背景技术】
[0002] 超导量子干涉器件（superconducting Quantum Inte;rference Device, S卵ID)是 目前已知的最灵敏的磁传感器，广泛应用于微弱磁信号的探测。S卵ID是一个超导环，通过 读出超导环内感受到的磁通来读出磁场。由于S卵ID超导环的面积很小，环内磁场均匀， S卵ID测的磁通就与S卵ID超导环禪合的磁场强度成正比。因此使用S卵ID超导环平面禪 合磁通W及S卵ID测量磁场就构成了 S卵ID磁强计。
[0003] S卵ID磁强计是矢量传感器，只测量S卵ID超导环平面法线方向的磁场。在实际应 用中，要测量磁场总场，需要测量磁场矢量的H个分量，即X轴，Y轴，Z轴H个轴向的分量。 通过H个轴向的分量获得磁场总场。要使用现有的S卵ID磁强计测量磁场的总场，需使用 H个S卵ID磁强计，H个磁强计相互垂直，分别定义为X轴，Y轴，Z轴H个垂直分量。H轴 磁强计测得矢量磁场在XYZH个垂直方向的矢量分量，从而获得总场的测量。因此H轴磁 强计的正交性，即轴与轴之间的垂直特性W及磁强计之间的一致性对总场的测量准确性至 关重要。若正交性不高，则H轴磁强计获得的不是完全正交的磁场分量，还包括正交角度偏 差引入的其他磁场分量，因此按上述公式计算获得的总场和与实际总场是有误差的。另一 方面，磁强计将磁场强度转换成电压进行测量，因此H个轴的磁强计的磁场电压转换系数 要准确标定，否则也会在总场计算中引入误差。综上所述，H轴磁强计在总场测量应用之 前，要进行正交性标定W及磁场电压转换系数的标定，W满足变化矢量磁场的测量要求，获 取准确的总场数值。
[0004] H轴磁强计的标定和校正方法可分两类，一类是矢量校准，即磁强计与给定的标 准矢量磁场进行比较校准。另一类则是标量校准，给H轴磁强计一个恒定的磁场，磁场的标 量值与H轴磁传感器输出合成的总场标量进行对比校准。由于矢量标定需要精度很高的空 间定位装置，成本高，实施难度大。目前主流的方法是采用标量校准方法。标量校准的思想 是，给H轴磁强计加载一个恒定的磁场，改变H轴磁强计在磁场中的角度，获得H轴磁场分 量，根据在任意角度下H轴磁场分量合成的总场恒定不变的原则，通过参数求解的方法，将 实际H轴磁强计的正交角度偏差和磁场电压转换系数求出。采用参数求解方法标定H轴磁 强计的过程中，需要提供恒定的磁场或均匀恒定的磁场空间，使H轴磁强计在该磁场内旋 转，变换角度，测得H轴分量。由一组任意角度下测得的H轴分量数据组建方程。在均匀恒 定磁场下，任意变换角度，H轴合成的总场是不变的。因此获取一组任意变换角度下H轴传 感器的测量数据，通过最小二乘等参数求解算法，即可求出H轴传感器的磁场电压转换系 数和H轴正交模块的角度误差。
[0005] S卵ID磁强计与传统磁阻或磁通磁强计不同，S卵ID磁强计只能测量从传感器启 动测量的时刻起的磁场变化量，而无法实现绝对磁场的测量。S卵ID传感器构成的S卵ID H 轴磁强计，只能实现交流变化磁场的测量。因此要实现正交性标定，就要在H轴磁强计所在 空间产生一个交流的恒定变化磁场，同时要使H轴磁强计围绕磁场变化，使得H轴磁强计 的输出发生变化。
[0006] 另一方面，S卵ID磁强计使用低温或高温S卵ID器件，器件工作在低温或高温环境 下时，如低温超导S卵ID浸泡在灌有液氮的低温恒温器中维持4. 2K的温度；高温超导则浸 泡在灌有液氮的低温恒温器中维持7. 7K的工作温度。由于低温恒温器体积较大，使得整个 探测器体积大，不方便移动。同时低温恒温器中灌注低温液体，旋转探头会引起低温液体大 幅度波动，使得S卵ID因为温度不稳定或低温液体产生汽包而影响工作。因此S卵ID传感 器探头是不能随意旋转的。
[0007] 上述S卵ID H轴磁强计在应用上有两个特殊因素；1)采用S卵ID的H轴磁强计测 量的是相对变化磁场，无法计算绝对磁场；2)采用灌注低温液体的恒温器来维持S卵ID传 感器的运行，整个传感器探头不能随意旋转。
【发明内容】
[0008] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导量子干涉器件H 轴磁强计的标定装置及方法，用于解决现有标定过程中S卵ID H轴磁强计只识别变化磁场 及传感器探头不能随意旋转的问题。
[0009] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉器件H轴磁强计 的标定装置及方法。
[0010] 一种超导量子干涉器件H轴磁强计的标定装置，包括：信号发生器，线圈，低温恒 温器，旋转机构，锁相放大器；所述信号发生器产生选定频率和设定幅度的正弦信号；所述 线圈与所述信号发生器相连，在所述正弦信号的驱动下产生幅度恒定的交流磁场；所述低 温恒温器内置超导量子干涉器件H轴磁强计，用于维持超导量子干涉器件H轴磁强计的工 作温度；所述旋转机构用于安装所述线圈和所述低温恒温器，使线圈相对于所述超导量子 干涉器件H轴磁强计在水平面和垂直平面内W任意角度调节，在所述超导量子干涉器件H 轴磁强计周围产生均匀的幅度恒定的交流磁场；所述锁相放大器与所述信号发生器相连， 在所述正弦信号的参考下将标定过程中所述超导量子干涉器件H轴磁强计响应所述交流 磁场的结果检测出来。
[0011] 优选地，所述旋转机构包括：支架，用于垂直固定所述低温恒温器，使位于所述低 温恒温器内的超导量子干涉器件H轴磁强计静止；底座，支撑所述支架；旋转盘，套接于所 述支架上，在水平面上围绕所述支架旋转，同时带动所述线圈围绕所述支架在水平面上W 任意角度旋转；旋转轴，设置于所述旋转盘的边缘，在垂直平面上W任意角度自转，在水平 面上随旋转盘W任意角度公转；所述线圈安装于所述旋转轴上，在所述超导量子干涉器件 H轴磁强计周围产生在水平面和垂直平面上W任意角度调节的幅度恒定的交流磁场。
[0012] 优选地，所述线圈包括第一侧面线圈、第二侧面线圈和连接杆；所述连接杆内置有 连接线，所述连接线的一端与所述第一侧面线圈电连通，另一端与所述第二侧面线圈电连 通；所述连接杆的中也固定于所述旋转轴上；所述第一侧面线圈和第二侧面线圈为亥姆霍 兹线圈。
[0013] 优选地，所述支架包括上支架和下支架，所述上支架和下支架的连接部分易组合 且易拆开；所述底座为一字型结构，一字型结构的底座从所述下支架的底部支撑所述支架； 所述线圈中的连接杆的长度大于所述上支架的高度；当所述下支架穿过所述第一侧面线圈 或第二侧面线圈与所述上支架相连时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置。
[0014] 优选地，所述底座与支架分离组装，底座与支架的连接部分易组合且易拆开；所述 底座为倒T型结构，倒T型结构的底座设置于所述支架的底部，从支架底部支撑所述支架； 所述线圈中的连接杆的长度大于所述支架的高度；当所述倒T型结构的底座穿过所述第一 侧面线圈或第二侧面线圈的中间部分与所述支架连接时，所述线圈实现旋转角度为180度 的设置；当所述倒T型结构的底座替换为倒n型结构的底座时，所述倒n型底座设置于所 述支架的底部或两侧，从支架的底部支撑所述支架或从支架的侧面支撑所述支架。
[0015] 优选地，所述旋转机构包括固定机架，旋转轴承；所述固定机架包括设置在水平面 上的圆形导轨、沿所述圆形导轨滑动的固定模块和支撑固定所述圆形导轨的臂杆；所述固 定模块固定所述低温恒温器，且带动所述低温恒温器在水平面上W任意角度旋转；所述旋 转轴承设置于所述臂杆上，在垂直平面上W任意角度自转；所述线圈安装于所述旋转轴承 上，且在旋转轴承的自转带动下在垂直平面上W所述超导量子干涉器件H轴磁强计为中也 W任意角度旋转；所述线圈为亥姆霍兹线圈。
[0016] 一种超导量子干涉器件H轴磁强计的标定方法，包括：利用一信号发生器产生选 定频率和设定幅度的正弦信号；利用所述正弦信号驱动一线圈产生幅度恒定的交流磁场； 利用一低温恒温器内置超导量子干涉器件H轴磁强计来维持超导量子干涉器件H轴磁强 计的工作温度；利用一旋转机构安装所述线圈和所述低温恒温器，使线圈相对于所述超导 量子干涉器件H轴磁强计在水平面和垂直平面内W任意角度调节，在所述超导量子干涉器 件H轴磁强计周围产生均匀的幅度恒定的交流磁场；W所述正弦信号为考，利用一与所述 信号发生器相连的锁相放大器将标定过程中所述超导量子干涉器件H轴磁强计响应所述 交流磁场的结果检测出来。
[0017] 优选地，利用旋转机构安装所述线圈和所述低温恒温器，使线圈围绕所述超导量 子干涉器件H轴磁强计在水平面和垂直平面内W任意角度调节的具体过程包括：利用一支 架垂直固定所述低温恒温器，使位于所述低温恒温器内的超导量子干涉器件H轴磁强计静 止；利用一底座支撑所述支架；利用一套接于所述支架上、且在水平面上围绕所述支架旋 转的旋转盘带动所述线圈围绕所述支架在水平面上W任意角度旋转；利用一设置于所述旋 转盘的边缘，且在垂直平面上W任意角度自转，W及在水平面上随旋转盘W任意角度公转 的旋转轴安装所述线圈，使线圈在所述超导量子干涉器件H轴磁强计周围产生在水平面和 垂直平面上W任意角度调节的幅度恒定的交流磁场。
[0018] 优选地，所述线圈的安装过程包括：所述第一线圈包括第一侧面线圈、第二侧面线 圈和连接杆；所述连接杆内置有连接线，所述连接线的一端与所述第一侧面线圈电连通，另 一端与所述第二侧面线圈电连通；所述第一侧面线圈和第二侧面线圈为亥姆霍兹线圈；所 述连接杆的中也固定于所述旋转轴上，随旋转轴的自转和公转带动线圈在水平面和垂直平 面上W任意角度旋转。
[0019] 优选地，所述底座支撑所述支架的方式包括；所述支架拆分为上支架和下支架，所 述上支架和下支架的连接部分易组合且易拆开；所述底座为一字型结构，一字型结构的底 座从所述下支架的底部支撑所述支架；所述线圈中的连接杆的长度大于所述上支架的高 度；将所述上支架和下支架拆开，使第一侧面线圈旋转到所述上支架的正上