專利名稱：寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地球物理磁法勘探的高溫超導(dǎo)磁力儀，尤其是寬動態(tài)范圍高溫超 導(dǎo)磁力儀。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)是目前為止靈敏度最高的弱磁測量傳感器。利用工作于 液氮環(huán)境的高溫SQUID制成的高溫超導(dǎo)磁力儀可用生物磁(如心磁、腦磁)測量、無損探 傷、磁法勘探以及軍事探潛等領(lǐng)域。現(xiàn)有的用于地球物理磁法勘探的高溫超導(dǎo)磁力儀包括 SQUID探頭、液氮杜瓦瓶、SQUID讀出電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及微處理器。然而這種高溫超導(dǎo) 磁力儀為了保證較高的靈敏度和精度，動態(tài)范圍都很小。地球?qū)W報，2002，23 (2)陳曉東等 《.高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計的研制及在TEM上的野外試驗》.。介紹了一種應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng) 域的高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計，其SQUID讀出電路中的反饋回路電阻決定了儀器的靈敏度、精度和 動態(tài)范圍，反饋回路電阻值越大，靈敏度和精度越高，儀器動態(tài)范圍則越小。若通過降低反 饋回路電阻值來提高其動態(tài)范圍，靈敏度和精度則隨之下降。一般如靈敏度為300fT的高 溫超導(dǎo)磁力儀動態(tài)范圍只有士280nT左右。而在高溫超導(dǎo)磁力儀實際應(yīng)用中，外界電磁場 干擾或者被測的磁場值較高，尤其在野外無屏蔽環(huán)境下，應(yīng)用于磁法勘探以尋找礦產(chǎn)資源 和研究地質(zhì)構(gòu)造時，外界電磁干擾往往超出儀器動態(tài)范圍，如電力線附近，僅50Hz工頻干 擾就可達(dá)士500nT，從而造成SQUID讀出電路失鎖而不能正常工作，限制了儀器應(yīng)用。為了 高溫超導(dǎo)磁力儀的實用化，常用的措施是采用屏蔽室來屏蔽外界干擾。然而采用高磁導(dǎo)率 金屬材料建成的屏蔽室價格及其昂貴，并且高溫超導(dǎo)磁力儀本身性能并未提高，僅可用于 微弱生物磁信號的測量，不適用于野外磁法勘探工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適合于野外電磁干擾較強(qiáng) 地段地球物理勘探用的寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀。本發(fā)明的設(shè)計思想是利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生一系列標(biāo)準(zhǔn)磁場，用于部分抵消外 界較大的待測磁場，使得抵消后剩余的待測磁場值始終保持在高溫超導(dǎo)磁力儀動態(tài)范圍之 內(nèi)。然后將抵消掉的磁場值和高溫超導(dǎo)磁力儀測量值相加即得到實際要測量的磁場值。信號處理電路6與恒流源檔位選擇電路7相連，恒流源檔位選擇電路7選擇合適 的電壓檔位，決定其后連接的可調(diào)恒流源8的電流大小，可調(diào)恒流源8連接到亥姆霍茲線圈 9上，亥姆霍茲線圈9根據(jù)可調(diào)恒流源8提供的電流大小產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)磁場，標(biāo)準(zhǔn)磁場方向 與外界磁場方向相反，以此抵消掉SQUID探頭1測量點處較大的外界磁場。恒流源檔位選 擇電路7另一路同時輸出檔位狀態(tài)信號給與其連接的微處理器5，微處理器5得到該檔位狀 態(tài)信號，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4輸出的高溫超導(dǎo)磁力儀測量的磁場值進(jìn)行運算處理后得到實際 測量的磁場值。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，是由超導(dǎo)量子探頭1套裝在亥姆霍茲線圈9中，超導(dǎo) 量子探頭1經(jīng)液氮杜瓦平2、讀出電路3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4、微處理器5、恒流源檔位選擇電路 7、可調(diào)恒流源8與亥姆霍茲線圈9連接，讀出電路3經(jīng)信號處理電路6與恒流源檔位選擇 電路7連接構(gòu)成。本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)信號處理電路6是由正閾值11經(jīng)第一比較器12與觸發(fā)器15連接，信號調(diào)理電路 10的一路與第一比較器12連接，另一路與第二比較器14連接，負(fù)閾值13經(jīng)第二比較器14 與觸發(fā)器16連接構(gòu)成。恒流源檔位選擇電路7是由加法計數(shù)器17和減法計數(shù)器分別與數(shù)字減法器19連 接，數(shù)字減法器19經(jīng)譯碼器20、模擬開關(guān)23與緩沖器24連接，基準(zhǔn)電壓模塊21經(jīng)電阻網(wǎng) 絡(luò)22與模擬開關(guān)23連接構(gòu)成。可調(diào)恒流源8是由電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25與誤差比較電路26連接構(gòu)成。誤差比 較電路26對恒流源控制電壓和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25輸出的恒流值進(jìn)行比較，得到的誤 差值反饋到電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25，使得電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25輸出更為精確和穩(wěn)定的恒 定電流。有益效果本發(fā)明是在現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)磁力儀的超導(dǎo)量子探頭外套裝亥姆霍茲線 圈，利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生一系列標(biāo)準(zhǔn)磁場，用于部分抵消外界較大的待測磁場，使得抵消 后剩余的待測磁場值始終保持在高溫超導(dǎo)磁力儀動態(tài)范圍之內(nèi)，然后將抵消掉的磁場值和 高溫超導(dǎo)磁力儀測量值相加即得到實際要測量的磁場值。為實現(xiàn)這一發(fā)明思想，在儀器中 增設(shè)了自動調(diào)整恒流源檔位選擇電路、信號處理電路和可調(diào)恒流源，即不降低高溫超導(dǎo)磁 力儀的靈敏度和精度，又能提高其動態(tài)范圍，滿足不同測量環(huán)境下高溫超導(dǎo)磁力儀工作要 求，最重要的是適用于高溫超導(dǎo)磁力儀在野外電磁干擾較強(qiáng)地段進(jìn)行地球物理勘探。


附圖1寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀的結(jié)構(gòu)框圖附圖2為附圖1中的信號處理電路6的結(jié)構(gòu)框圖附圖3為附圖1中的恒流源檔位選擇電路7的結(jié)構(gòu)框圖附圖4為附圖1中的可調(diào)恒流源8的結(jié)構(gòu)框圖1超導(dǎo)量子探頭，2液氮杜瓦瓶，3讀出電路，4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，5微處理器，6信號處 理電路，7恒流源檔位選擇電路，8可調(diào)恒流源，9亥姆霍茲線圈，10信號調(diào)理電路，11正閾 值，12第一比較器，13負(fù)閾值，14第二比較器，15觸發(fā)器，16觸發(fā)器，17加法計數(shù)器，18減 法計數(shù)器，19數(shù)字減法器，20譯碼器，21基準(zhǔn)電壓，22電阻網(wǎng)絡(luò)，23模擬開關(guān)，24緩沖器，25 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，26誤差放大電路。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說明寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，是由超導(dǎo)量子探頭1套裝在亥姆霍茲線圈9中，超導(dǎo) 量子探頭1經(jīng)液氮杜瓦平2、讀出電路3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4、微處理器5、恒流源檔位選擇電路 7、可調(diào)恒流源8與亥姆霍茲線圈9連接，讀出電路3經(jīng)信號處理電路6與恒流源檔位選擇
4電路7連接構(gòu)成。信號處理電路6是由正閾值11經(jīng)第一比較器12與觸發(fā)器15連接，信號調(diào)理電路 10的一路與第一比較器12連接，另一路與第二比較器14連接，負(fù)閾值13經(jīng)第二比較器14 與觸發(fā)器16連接構(gòu)成。恒流源檔位選擇電路7是由加法計數(shù)器17和減法計數(shù)器分別與數(shù)字減法器19連 接，數(shù)字減法器19經(jīng)譯碼器20、模擬開關(guān)23與緩沖器24連接，基準(zhǔn)電壓模塊21經(jīng)電阻網(wǎng) 絡(luò)22與模擬開關(guān)23連接構(gòu)成?？烧{(diào)恒流源8是由電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25與誤差比較電路26連接構(gòu)成。誤差比 較電路26對恒流源控制電壓和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25輸出的恒流值進(jìn)行比較，得到的誤 差值反饋到電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25，使得電壓/電流轉(zhuǎn)換電路25輸出的恒流值更為精確和穩(wěn)定。信號處理電路6對SQUID讀出電路3輸出的磁場信號進(jìn)行前期預(yù)處理。預(yù)處理的 過程包括對磁場信號進(jìn)行信號調(diào)理和運算。設(shè)高溫超導(dǎo)磁力儀的動態(tài)范圍為士Bd，若測量 點處的外界被測磁場值為士Bm。當(dāng)Bm<Bd，即外界磁場沒有超過儀器動態(tài)范圍時，信號處 理電路輸出為0，無需進(jìn)行磁場抵消。當(dāng)Bm>Bd時，則需要抵消掉的外界磁場值為Be = Bm-Bd，信號處理電路6向恒流源檔位選擇電路7輸出控制信號，為了獲得更為精確的磁場 值，恒流源檔位選擇電路7的檔位Br取正閾值200nT的整數(shù)倍，即Br = (N+l) X 200nT,其 中N取Bc/200nT的整數(shù)，Br與外界磁場Be的磁場方向相反。恒流源檔位選擇電路7選定 好檔位以后，控制可調(diào)恒流源8輸出恒定電流，使得亥姆霍茲線圈在SQUID探頭1處產(chǎn)生的 標(biāo)準(zhǔn)磁場為Br。由于該標(biāo)準(zhǔn)磁場與外界磁場方向相反，抵消掉大部分外界磁場，沒有抵消的 較小的磁場值為Ba = Bm-|Br |。Ba處于高溫超導(dǎo)磁力儀動態(tài)范圍之內(nèi)，其值可由高溫超導(dǎo) 磁力儀測量得到。恒流源檔位選擇電路7另一路輸出Br對應(yīng)的檔位狀態(tài)信號到微處理器 5，微處理器5可以得到亥姆霍茲線圈9在某個時刻抵消掉的外界磁場值。微處理器5將恒 流源檔位選擇電路7提供的檔位狀態(tài)信號與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4輸出的測量值進(jìn)行運算處理則 可得到實際要測量的外界磁場值。由于本裝置抵消了超過高溫超導(dǎo)磁力儀動態(tài)范圍的大部 分外界磁場，使得高溫超導(dǎo)磁力儀始終工作在其動態(tài)范圍之內(nèi)，因此可以使儀器穩(wěn)定的處 于鎖定工作狀態(tài)，這樣既保證了儀器的靈敏度和精度，又提高了其測量的動態(tài)范圍。圖2為圖1中信號處理電路框圖。SQUID讀出電路3輸出的磁場信號經(jīng)過信號調(diào) 理電路10進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號與正閾值11通過比較器12進(jìn)行比較，同時與負(fù)閾值13 通過比較器14比較，正閾值11和負(fù)閾值13分別為+200nT和_200nT磁場所對應(yīng)的電壓 值。若磁場信號大于+200nT則比較器12輸出信號，并使得觸發(fā)器15輸出補償磁場增脈沖 信號，若磁場信號小于負(fù)閾值_200nT則比較器14輸出信號，并使得觸發(fā)器16輸出補償磁 場減脈沖信號。圖3為圖1中恒流源檔位選擇電路。圖2中輸出的補償磁場增脈沖和補償磁場減 脈沖信號分別進(jìn)入加法計數(shù)器17和減法計數(shù)器18，加法計數(shù)器17和減法計數(shù)器18與數(shù)字 減法器19相連，數(shù)字減法器19輸出檔位狀態(tài)信號，一路輸出給微處理器5，另一路輸出給譯 碼器20，譯碼器20連接到模擬開關(guān)23，基準(zhǔn)電壓21連接到電阻網(wǎng)絡(luò)22，電阻網(wǎng)絡(luò)22連接 到模擬開關(guān)23，由譯碼器20的輸出作為模擬開關(guān)23的控制信號，基準(zhǔn)電壓21和經(jīng)過電阻 網(wǎng)絡(luò)22由模擬開關(guān)23輸出不同檔位的電壓值，模擬開關(guān)23連接到緩沖器24，由緩沖器24
5輸出恒流源控制電壓。 圖4為圖1中可調(diào)恒流源電路框圖。緩沖器24輸出恒流源控制電壓輸出到電壓 /電流轉(zhuǎn)換電路25，輸出恒定電流給亥姆霍茲線圈9，使得亥姆霍茲線圈9產(chǎn)生抵消外界磁 場的標(biāo)準(zhǔn)磁場。為了保證恒流源輸出的電流精度和穩(wěn)定性，增加了誤差放大電路26進(jìn)行反 饋控制。
權(quán)利要求
一種寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，是由超導(dǎo)量子探頭、液氮杜瓦平、讀出電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微處理器組成，其特征在于，超導(dǎo)量子探頭1套裝在亥姆霍茲線圈(9)中，超導(dǎo)量子探頭(1)經(jīng)液氮杜瓦平(2)、讀出電路(3)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)、微處理器(5)、恒流源檔位選擇電路(7)、可調(diào)恒流源(8)與亥姆霍茲線圈(9)連接，讀出電路(3)經(jīng)信號處理電路(6)與恒流源檔位選擇電路(7)連接構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，其特征在于，信號處理電路(6) 是由正閾值(11)經(jīng)第一比較器(12)與觸發(fā)器(15)連接，信號調(diào)理電路(10)的一路與第 一比較器(12)連接，另一路與第二比較器(14)連接，負(fù)閾值(13)經(jīng)第二比較器(14)與觸 發(fā)器(16)連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1所述的寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，其特征在于，恒流源檔位選擇 電路⑵是由加法計數(shù)器(17)和減法計數(shù)器分別與數(shù)字減法器(19)連接，數(shù)字減法器 (19)經(jīng)譯碼器(20)、模擬開關(guān)(23)與緩沖器(24)連接，基準(zhǔn)電壓模塊(21)經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò) (22)與模擬開關(guān)(23)連接構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求1所述的寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，其特征在于，可調(diào)恒流源(8)是 由電壓/電流轉(zhuǎn)換電路(25)與誤差比較電路(26)連接構(gòu)成。全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬動態(tài)范圍高溫超導(dǎo)磁力儀，由超導(dǎo)量子探頭套裝在亥姆霍茲線圈中，超導(dǎo)量子探頭經(jīng)液氮杜瓦平、讀出電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微處理器、恒流源檔位選擇電路、可調(diào)恒流源與亥姆霍茲線圈連接，讀出電路經(jīng)信號處理電路與恒流源檔位選擇電路連接構(gòu)成。利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場，部分抵消外界待測磁場，使得抵消后剩余的待測磁場值始終保持在高溫超導(dǎo)磁力儀動態(tài)范圍之內(nèi)，將抵消掉的磁場值和高溫超導(dǎo)磁力儀測量值相加得到實際要測量的磁場值。即不降低高溫超導(dǎo)磁力儀的靈敏度和精度，又能提高其動態(tài)范圍，滿足不同測量環(huán)境下高溫超導(dǎo)磁力儀工作要求，最重要的是適用于高溫超導(dǎo)磁力儀在野外電磁干擾較強(qiáng)地段進(jìn)行地球物理勘探。
文檔編號G01V3/08GK101893721SQ20101021059
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者任勝男, 凌振寶, 安占峰, 王君, 程德福, 趙靜, 高游 申請人:吉林大學(xué)