一種基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償裝置及方法，其特征在于所述的裝置由參考磁傳感器、磁補(bǔ)償電路和補(bǔ)償線圈三部分組成，其中參考磁傳感器用于測(cè)量待補(bǔ)償區(qū)域的磁場(chǎng)信號(hào)；磁補(bǔ)償電路則從參考磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)中提取出待補(bǔ)償頻段的信號(hào)，然后通過(guò)補(bǔ)償線圈形對(duì)特定區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。提供的補(bǔ)償方法特征在于首先通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取外部參考磁傳感器的測(cè)量值后在控制器中進(jìn)行降噪或閾值判斷數(shù)字信號(hào)處理；然后由數(shù)模轉(zhuǎn)換器經(jīng)功率放大器和反饋電阻驅(qū)動(dòng)一個(gè)比SQUID器件自身反饋系數(shù)高幾十倍的線圈對(duì)其輸入信號(hào)選擇性地進(jìn)行預(yù)失真，最后通過(guò)同步數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)磁通鎖定環(huán)和功率放大器的輸出信號(hào)采樣。提供的裝置簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性高，適合在運(yùn)動(dòng)和野外環(huán)境下使用。
【專利說(shuō)明】一種基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁傳感器的磁補(bǔ)償裝置及方法，尤其是一種在傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)(FLL:Flux-Locked Loop)讀出電路的基礎(chǔ)上通過(guò)預(yù)失真的方式實(shí)現(xiàn)磁補(bǔ)償?shù)难b置和方法。屬于磁補(bǔ)償領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID:Superconducting QUantum Interference Device)組成的超導(dǎo)磁傳感器是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，在磁屏蔽室內(nèi)和靜態(tài)工作環(huán)境下已有眾多應(yīng)用，但在無(wú)屏蔽環(huán)境或者運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中，由于外部強(qiáng)磁場(chǎng)變化或者切割地球磁力線等因素引入的磁場(chǎng)信號(hào)極容易導(dǎo)致高靈敏度的SQUID讀出電路出現(xiàn)基線漂移甚至溢出而無(wú)法正常工作。
[0003]磁補(bǔ)償方法是目前一種很實(shí)用的防止SQUID讀出電路基線漂移或者溢出的方法，已知的磁補(bǔ)償方法均采用體積較大的亥姆霍茲線圈或穩(wěn)定性較差的二階負(fù)反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0004]CN201010228159公開(kāi)了 一種基于空間相關(guān)性的磁場(chǎng)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)利用磁通門(mén)和參考亥姆霍茲線圈處的環(huán)境波動(dòng)反饋到測(cè)量亥姆霍茲線圈，雖然可以實(shí)現(xiàn)該線圈內(nèi)三軸環(huán)境磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但是亥姆霍茲線圈構(gòu)造復(fù)雜、體積較大，實(shí)際使用時(shí)有諸多不便，不適合在運(yùn)動(dòng)和野外環(huán)境下工作，而且在磁補(bǔ)償時(shí)將低分辨率的參考磁傳感器信號(hào)放大后直接驅(qū)動(dòng)亥姆霍茲線圈，導(dǎo)致測(cè)量區(qū)域的本底噪聲受其影響將高于參考磁傳感器，SQUID的靈敏度優(yōu)勢(shì)受限。
[0005]又，CN102353911A公開(kāi)了一種基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境場(chǎng)下高靈敏度磁測(cè)量裝置及實(shí)現(xiàn)方法，主要適用于待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)頻率高于環(huán)境場(chǎng)擾動(dòng)頻段(DC?30Hz)的應(yīng)用環(huán)境，所述的方法在傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)讀出電路的基礎(chǔ)上引入具有不同通帶特性的兩級(jí)負(fù)反饋設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)高靈敏度磁場(chǎng)信號(hào)的讀取和低頻磁場(chǎng)干擾的補(bǔ)償。雖然該方法可在不影響微弱信號(hào)測(cè)量的前提下抑制環(huán)境場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)SQUID磁測(cè)量的影響，但因?yàn)椴捎枚A負(fù)反饋電路，其穩(wěn)定性較難控制，而且受SQUID的Feedback線圈(反饋線圈)反饋系數(shù)的影響，其可以補(bǔ)償?shù)拇艌?chǎng)強(qiáng)度和頻段范圍均有限。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有磁補(bǔ)償方法在運(yùn)動(dòng)和野外環(huán)境下工作時(shí)，不是存在適用性和可靠性問(wèn)題，就是補(bǔ)償范圍或者本底噪聲不理想，極大地影響了超導(dǎo)磁傳感器在工業(yè)、科研和醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有的磁補(bǔ)償方法在運(yùn)動(dòng)和野外環(huán)境下應(yīng)用的局限性，本發(fā)明的目的在于提供一種基于預(yù)失真的磁補(bǔ)償裝置及相應(yīng)的方法，所述的方法不僅能簡(jiǎn)化磁補(bǔ)償裝置，而且能在保證可靠性和有效提高磁補(bǔ)償范圍的前提下獲得被測(cè)量的原始信號(hào)，同時(shí)基本不影響測(cè)量區(qū)域的本底噪聲。[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:所述的磁補(bǔ)償裝置通常由參考磁傳感器、磁補(bǔ)償電路和補(bǔ)償線圈三部分組成，其中參考磁傳感器可以是磁通門(mén)、磁阻或者SQUID,主要用于測(cè)量待補(bǔ)償區(qū)域的磁場(chǎng)信號(hào)；磁補(bǔ)償電路則從參考磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)中提取出待補(bǔ)償頻段的信號(hào)，然后按照某種函數(shù)關(guān)系通過(guò)補(bǔ)償線圈形對(duì)特定區(qū)域的特定磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0009]本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際情況選擇磁通門(mén)、磁阻或者SQUID作為參考磁傳感器，但以磁通門(mén)的解決方案最佳，它不但能測(cè)量穩(wěn)定的磁場(chǎng)，而且分辨率適中、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。磁補(bǔ)償電路需要SQUID讀出電路的配合方可工作。
[0010]與磁補(bǔ)償電路配合的SQUID讀出電路有磁通調(diào)制式和直讀式兩種，兩者均基于磁通鎖定環(huán)，其區(qū)別在于磁通調(diào)制式在直讀式的基礎(chǔ)上增加了調(diào)制解調(diào)電路和用于噪聲匹配的變壓器。本發(fā)明在兩種電路上均可適用，現(xiàn)選用一種新型的直讀式SBC(SQUID BoottrapCircuit)為例。磁通鎖定環(huán)主要由SQUID芯片、前端放大器、偏置調(diào)節(jié)器、模擬積分器、反饋電阻和反饋線圈構(gòu)成，其中SQUID通過(guò)低溫電纜連接到前端放大器，然后由前端放大器輸出依次串聯(lián)連接偏置調(diào)節(jié)器、模擬積分器和反饋電阻，最后將反饋電阻與SQUID的反饋線圈連接。
[0011]本發(fā)明的基本原理是基于SQUID讀出電路本身是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng),如果根據(jù)參考磁傳感器測(cè)量值在SQUID讀出電路正常工作的范圍內(nèi)通過(guò)補(bǔ)償線圈產(chǎn)生與外界磁場(chǎng)強(qiáng)度近似，方向相反的預(yù)失真信號(hào)，雖然產(chǎn)生的預(yù)失真信號(hào)不可能與實(shí)際需要測(cè)試的外部磁場(chǎng)完全一致，但標(biāo)定后系統(tǒng)能提供磁通鎖定環(huán)電路和預(yù)失真電路在同一時(shí)刻輸出的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則可以通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆绞将@得被測(cè)對(duì)象的原始信號(hào)。需要強(qiáng)調(diào)注意的是標(biāo)定的目的準(zhǔn)確獲取預(yù)失真電路提供的預(yù)失真信號(hào)強(qiáng)度，以方便后續(xù)的軟件補(bǔ)償計(jì)算。
[0012]基于以上工作原理，提供的補(bǔ)償方法本發(fā)明首先通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取外部參考磁傳感器的測(cè)量值后在控制器中進(jìn)行降噪和閾值判斷等數(shù)字信號(hào)處理；然后由高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器經(jīng)功率放大器和反饋電阻驅(qū)動(dòng)一個(gè)比SQUID器件自身反饋系數(shù)10-500倍的線圈對(duì)其輸入信號(hào)選擇性地進(jìn)行預(yù)失真，該線圈即補(bǔ)償線圈，采用鈮線之類的金屬線繞制，放置在SQUID器件的正下方或正上方，反饋系數(shù)則根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償范圍確定；最后通過(guò)高精度的同步數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)磁通鎖定環(huán)和功率放大器的輸出信號(hào)采樣。此外，為增加預(yù)失真電路的可控性，在功率放大器和反饋電阻之間放置一單刀雙擲的開(kāi)關(guān)，在必要的時(shí)候，可斷開(kāi)它們之間的物理連接并將反饋電阻接地。
[0013]由磁補(bǔ)償電路提供的預(yù)失真信號(hào)需要進(jìn)行標(biāo)定，其標(biāo)定方法與SQUID器件類似。在良好的磁屏蔽室內(nèi)，將鈮桶內(nèi)的SQUID器件和補(bǔ)償線圈浸沒(méi)于液氦中，通過(guò)高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出指定的電壓信號(hào)經(jīng)功率放大器和反饋電阻驅(qū)動(dòng)補(bǔ)償線圈，由SQUID讀出電路獲取該信號(hào)的輸出，經(jīng)過(guò)擬合則可以獲得磁補(bǔ)償電路的磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。利用該系數(shù)和SQUID讀出電路的工作特性參數(shù)可將同步采集的磁通鎖定環(huán)和功率放大器電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，從而以軟件補(bǔ)償?shù)姆绞将@得被測(cè)量的原始值。
[0014]由此可見(jiàn)，本發(fā)明提供的一種基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償裝置及方法，根據(jù)參考磁傳感器的測(cè)量值，通過(guò)定制的高反饋系數(shù)線圈實(shí)現(xiàn)軟件磁補(bǔ)償，其特征是:
[0015]①采用參考磁傳感器、ADC、嵌入式控制器、DAC、功率放大器和高反饋系數(shù)線圈等器件在傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)的基礎(chǔ)上構(gòu)建提供SQUID預(yù)失真的開(kāi)環(huán)磁補(bǔ)償電路，通過(guò)同步采樣磁通鎖定環(huán)和預(yù)失真的輸出信號(hào)，在標(biāo)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)基礎(chǔ)上利用軟件補(bǔ)償獲取被測(cè)對(duì)象的原始信號(hào)；
[0016]②通過(guò)嵌入式控制器對(duì)參考磁傳感器的測(cè)量值進(jìn)行閾值判斷和降噪等信號(hào)處理后，由DAC經(jīng)功率放大器和電阻驅(qū)動(dòng)高反饋系數(shù)線圈提供使SQUID讀出電路處于正常工作范圍內(nèi)的預(yù)失真信號(hào)；
[0017]③利用標(biāo)定的補(bǔ)償線圈磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)和SQUID讀出電路的工作特性參數(shù)將同步采集的磁通鎖定環(huán)和預(yù)失真輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，以軟件補(bǔ)償?shù)姆绞将@得被測(cè)對(duì)象的原始值。
[0018]利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得的參考磁傳感器測(cè)量值對(duì)SQUID預(yù)失真的策略需要根據(jù)磁通鎖定環(huán)電路的工作參數(shù)制定。本發(fā)明在磁通鎖定環(huán)量程的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)小于I的系數(shù)，當(dāng)外部磁場(chǎng)相對(duì)基準(zhǔn)值變化超出該閾值是則通過(guò)預(yù)失真使SQUID器件實(shí)際輸入的信號(hào)強(qiáng)度始終保持在該閾值內(nèi)。基于閾值的預(yù)失真方法是選擇性的而非實(shí)時(shí)補(bǔ)償，可不依賴參考磁傳感器的本底噪聲，同時(shí)結(jié)合開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)，有效地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0019]綜上所述，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償方法。為克服現(xiàn)有技術(shù)中SQUID在運(yùn)動(dòng)和非屏蔽環(huán)境下磁補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)瓶頸，通過(guò)采用參考磁傳感器、ADC、嵌入式控制器、DAC、功率放大器和高反饋系數(shù)線圈等器件在磁通鎖定環(huán)的基礎(chǔ)上構(gòu)建穩(wěn)定的開(kāi)環(huán)磁補(bǔ)償裝置，通過(guò)閾值判斷的方式選擇性地對(duì)SQUID的輸入信號(hào)預(yù)失真，迫使其讀出電路始終處于正常工作的范圍內(nèi)；通過(guò)同步采樣磁通鎖定環(huán)和預(yù)失真的輸出信號(hào)，在標(biāo)定的轉(zhuǎn)換系數(shù)基礎(chǔ)上利用軟件補(bǔ)償獲取被測(cè)量的原始信號(hào)；本發(fā)明提供的裝置及相應(yīng)的方法可以在實(shí)現(xiàn)外部磁場(chǎng)有效補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，很方便地通過(guò)預(yù)失真在基本不影響測(cè)量區(qū)域本底噪聲的情況下極大地提高磁補(bǔ)償?shù)姆秶⒗醚a(bǔ)償方式可獲得無(wú)失真的被測(cè)量原始信號(hào)。此外，按本方法構(gòu)建的磁補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積小、穩(wěn)定性高，非常適合在運(yùn)動(dòng)和野外環(huán)境下應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]圖1是基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償裝置框圖。
[0022]圖2是基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償線圈結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中1.SBC超導(dǎo)磁傳感器，2.前端放大器，3.偏置調(diào)節(jié)器，4.模擬積分器，5.磁通鎖定環(huán)反饋電阻，6.SQUID Feedback線圈，7.高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈,8.磁補(bǔ)償反饋電阻，
9.單刀雙擲開(kāi)關(guān)，10.功率放大器，11.同步采樣ADC通道A，12.數(shù)模轉(zhuǎn)換器，13.同步采樣ADC通道B，14.嵌入式控制器，15.同步采樣ADC通道C，16.參考磁傳感器，17.SQUID芯片，18.SQUID芯片封裝模塊，19.高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈架，20.鈮線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、具體方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]基于磁通鎖定環(huán)的SBC超導(dǎo)磁傳感器I讀出電路用于完成待測(cè)磁信號(hào)的測(cè)量，如圖1所示，其主要構(gòu)造如下:放置于杜瓦液氦中的SBC超導(dǎo)磁傳感器I通過(guò)低溫線纜與前端放大器2連接，其中SBC超導(dǎo)磁傳感器I有兩種工作模式:電流偏置和電壓偏置，本發(fā)明采用電壓偏置模式，而前端放大器2則選用增益為80?IOOdB的反向放大器,型號(hào)是ADI公司AD797低噪聲運(yùn)放，其輸出會(huì)因SBC超導(dǎo)磁傳感器I的電氣特性存在直流電壓偏移量，故在前端放大器2的輸出連接基于加法器的偏置調(diào)節(jié)器3，用于消除此直流電壓偏移量；偏置調(diào)節(jié)器3的輸出與組成PID負(fù)反饋的關(guān)鍵電路模擬積分器4連接，模擬積分器4除通過(guò)其時(shí)間常數(shù)可用來(lái)調(diào)節(jié)PID負(fù)反饋外還包含復(fù)位功能和SBC超導(dǎo)磁傳感器I工作在Tune狀態(tài)下的旁路功能，此外構(gòu)建偏置調(diào)節(jié)器3和模擬積分器4的運(yùn)算放大器均選擇德州儀器的0PA4130。在Lock狀態(tài)，模擬積分器4通過(guò)串聯(lián)磁通鎖定環(huán)反饋電阻5與SQUID Feedback線圈6連接，將磁通鎖定環(huán)的磁通反饋信號(hào)以耦合的方式傳遞給SBC超導(dǎo)磁傳感器I ;在Tune狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)SBC超導(dǎo)磁傳感器I的工作參數(shù)(偏置電壓、放大器增益等參數(shù))使模擬積分器4在旁路的情況下其輸出信號(hào)幅度最大，從而達(dá)到最佳的工作點(diǎn)。
[0026]磁補(bǔ)償?shù)膮⒖紓鞲衅?6選用巴林頓公司的磁通門(mén)，由同步采樣ADC通道C15對(duì)其測(cè)量值數(shù)字化后傳輸至嵌入式控制器14，然后選定基于磁通鎖定環(huán)的SBC超導(dǎo)磁傳感器I讀出電路量程的0.1倍作為閾值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判斷，如果參考磁傳感器16的測(cè)量值相對(duì)基準(zhǔn)值的變化超過(guò)閾值時(shí)，則將此測(cè)量值作為新的基準(zhǔn)值(初始基準(zhǔn)值選擇SBC超導(dǎo)磁傳感器I讀出電路進(jìn)入Lock狀態(tài)時(shí)參考傳感器16的測(cè)量值)，并由嵌入式控制器14控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器12按照閾值的整數(shù)倍在單刀雙擲開(kāi)關(guān)9處于常開(kāi)狀態(tài)時(shí)經(jīng)功率放大器10和磁補(bǔ)償反饋電阻8驅(qū)動(dòng)高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7對(duì)SBC超導(dǎo)磁傳感器I預(yù)失真，其中補(bǔ)償線圈7的反饋系數(shù)為SQUID Feedback線圈的50倍，而且數(shù)模轉(zhuǎn)換器12的輸出不應(yīng)超過(guò)SQUID讀出電路擺率的0.5倍；如果參考磁傳感器16的測(cè)量值相對(duì)基準(zhǔn)值的變化未超過(guò)閾值時(shí)，則嵌入式控制器14只需等待下組測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入。此外，在SBC超導(dǎo)磁傳感器I無(wú)需預(yù)失真時(shí)，則將功率放大器10和磁補(bǔ)償反饋電阻8之間的單刀雙擲開(kāi)關(guān)9置于常閉狀態(tài)，從而使高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7遠(yuǎn)端接地以降低外界的干擾。
[0027]應(yīng)說(shuō)明的是加入單刀雙擲開(kāi)關(guān)9控制接地的目的是:在不用高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7時(shí)，不能讓其浮地以引入外界干擾，增加SQUID讀出電路的通用性。在使用高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7時(shí)，單刀雙擲開(kāi)關(guān)9置于另一端，因?yàn)橛胸?fù)載，所以外界干擾對(duì)SQUID讀出電路無(wú)影響。
[0028]磁補(bǔ)償電路由圖1中磁補(bǔ)償反饋電阻8、單刀雙擲開(kāi)關(guān)9、功率放大器10、同步采樣ADC通道All、數(shù)模轉(zhuǎn)換器12、同步采樣ADC通道B13、嵌入式控制器14和同步采樣ADC通道C15組成，其中同步采樣ADC通道Al 1、數(shù)模轉(zhuǎn)換器12、同步采樣ADC通道B13和同步采樣ADC通道C15由基于PXI平臺(tái)的2輸入/2輸出動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀PXI4461提供，并通過(guò)圖1中粗線所代表的總線與嵌入式控制器14通信，而功率放大器10則選擇由運(yùn)算放大器0PA627構(gòu)建的跟隨器。
[0029]為獲得SBC超導(dǎo)磁傳感器I預(yù)失真后被測(cè)對(duì)象的原始信號(hào)，將磁通鎖定環(huán)中的模擬積分器4和功率放大器10的輸出分別連接至同步采樣ADC通道B13和同步采樣ADC通道All，并把采集的信號(hào)傳遞至嵌入式控制器14，然后分別按照SBC超導(dǎo)磁傳感器I讀出電路和預(yù)失真電路的磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)將測(cè)試結(jié)果從電壓量換算成磁場(chǎng)強(qiáng)度，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行代數(shù)和運(yùn)算即可，其中三個(gè)通道的同步采樣ADC均為24位Delta-Sigma類型。
[0030]預(yù)失真電路的磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)需要通過(guò)標(biāo)定獲得。在磁屏蔽室內(nèi)將鈮桶內(nèi)的SBC超導(dǎo)磁傳感器I和高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7浸沒(méi)于液氦中后，首先由嵌入式控制器14在預(yù)失真的范圍內(nèi)選定五個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，然后在數(shù)模轉(zhuǎn)換器12按照此五個(gè)標(biāo)定點(diǎn)驅(qū)動(dòng)高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的預(yù)失真信號(hào)后，由同步采樣ADC通道Al I采集SBC超導(dǎo)磁傳感器I讀出電路的輸出，最后用此測(cè)量值除以SBC超導(dǎo)磁傳感器I讀出電路的磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)后，再除以由同步采樣ADC通道B13獲得的輸入標(biāo)定值，將計(jì)算結(jié)果用成熟的最小二乘擬合后即可得到預(yù)失真電路的磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。
[0031]圖2中SQUID芯片17和SQUID芯片封裝模塊18共同組成SBC超導(dǎo)磁傳感器I。為增加磁補(bǔ)償?shù)姆秶?，在SQUID芯片封裝模塊18正下方或正上方通過(guò)低溫膠粘合方式放置一個(gè)用鈮線繞制的高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈7，其由高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈架19和鈮線20兩部分組成，鈮線20通過(guò)低溫導(dǎo)線與磁補(bǔ)償反饋電阻8連接。
[0032]本說(shuō)明書(shū)所述的軟件補(bǔ)償是相對(duì)硬件補(bǔ)償而言，即把從前硬件需要完成的工作移到軟件上來(lái)完成，具有更高的靈活性。在本發(fā)明中，軟件補(bǔ)償?shù)暮x是通過(guò)ADC將原始信號(hào)(預(yù)失真后的信號(hào)和提供預(yù)失真的信號(hào))數(shù)字化后進(jìn)行代數(shù)和運(yùn)算，即將預(yù)失真后的信號(hào)減去提供預(yù)失真的信號(hào)就可得到實(shí)際需要測(cè)試的被測(cè)量信號(hào)。
[0033]本發(fā)明所述的:
[0034]a) ADC:模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Analog-to-Digital Converter ；
[0035]b) DAC:數(shù)模轉(zhuǎn)換器 Digital-to-Analog Converter ；
[0036]c)FLL:磁通鎖定環(huán) Flux-Locked Loop。
[0037]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于預(yù)失真的超導(dǎo)磁補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的磁補(bǔ)償裝置由參考磁傳感器、磁補(bǔ)償電路和補(bǔ)償線圈三部分組成，其中參考磁傳感器用于測(cè)量待補(bǔ)償區(qū)域的磁場(chǎng)信號(hào)；磁補(bǔ)償電路則從參考磁傳感器測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)中提取出待補(bǔ)償頻段的信號(hào)，然后通過(guò)補(bǔ)償線圈形對(duì)特定區(qū)域的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。
2.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的參考磁傳感器為磁通門(mén)、磁阻或SQUID。
3.按權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述的參考磁傳感器為磁通門(mén)。
4.按權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于: ①與磁補(bǔ)償電路配合的SQUID讀出電路是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)反饋系統(tǒng)； ②磁補(bǔ)償電路由磁補(bǔ)償反饋電阻(8)、單刀雙擲開(kāi)關(guān)(9)、功率放大器(10)、同步采樣ADC通道A (11)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)、同步采樣ADC通道B (13)、嵌入式控制器(14)和同步采樣ADC通道C (15)組成，其中同步采樣ADC通道A (11 )、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)、同步采樣ADC通道B (13)和同步采樣ADC通道C (15)由基于PXI平臺(tái)的2輸入/2輸出動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀PXI4461提供，并與嵌入式控制器(14)通信，磁補(bǔ)償反饋電阻(8)通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)(9)與功率放大器(10)連接；而功率放大器(10)則選擇由運(yùn)算放大器OPA627構(gòu)建的跟隨器 ③補(bǔ)償線圈采用鈮線繞制，放在SQUID器件的正下方或正上方，反饋系數(shù)根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償范圍確定；補(bǔ)償線圈由高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈架和鈮線兩部分組成，鈮線通過(guò)低溫導(dǎo)線與磁補(bǔ)償反饋電阻(8)連接。
5.按權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于SQUID讀出電路基于磁通鎖定環(huán)，放置于杜瓦液氦中的SBC超導(dǎo)磁 傳感器(I)通過(guò)低溫線纜與前端放大器(2 )連接，前端放大器(2 )則選用增益為80~IOOdB的反向放大器，在前端放大器(2)的輸出連接基于加法器的偏置調(diào)節(jié)器(3)，用于消除此直流電壓偏移量；偏置調(diào)節(jié)器(3)的輸出與組成PID負(fù)反饋的關(guān)鍵電路模擬積分器(4)連接，模擬積分器(4)除通過(guò)其時(shí)間常數(shù)可用來(lái)調(diào)節(jié)PID負(fù)反饋外還包含復(fù)位功能和SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)工作在Tune狀態(tài)下的旁路功能，構(gòu)建偏置調(diào)節(jié)器(3)和模擬積分器(4)的運(yùn)算放大器均選擇德州儀器的0PA4130。
6.按權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于在Lock狀態(tài)，模擬積分器(4)通過(guò)串聯(lián)磁通鎖定環(huán)反饋電阻(5)與SQUID Feedback線圈(6)連接，將磁通鎖定環(huán)的磁通反饋信號(hào)以耦合的方式傳遞給SBC超導(dǎo)磁傳感器(I);在Tune狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)的偏置電壓或放大器增益參數(shù)工作參數(shù)使模擬積分器(4)在旁路的情況下其輸出信號(hào)幅度最大，從而達(dá)到最佳的工作點(diǎn)。
7.由權(quán)利要求1和4-6中任一項(xiàng)所述的裝置提供的補(bǔ)償方法，其特征在于首先通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取外部參考磁傳感器的測(cè)量值后在控制器中進(jìn)行降噪或閾值判斷數(shù)字信號(hào)處理；然后由數(shù)模轉(zhuǎn)換器經(jīng)功率放大器和反饋電阻驅(qū)動(dòng)一個(gè)比SQUID器件自身反饋系數(shù)10-500倍的線圈對(duì)其輸入信號(hào)選擇性地進(jìn)行預(yù)失真，最后通過(guò)同步數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)磁通鎖定環(huán)和功率放大器的輸出信號(hào)米樣。
8.按權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于進(jìn)行閥值判斷數(shù)字信號(hào)處理是由同步采樣ADC通道C (15)對(duì)其測(cè)量值數(shù)字化后傳輸至嵌入式控制器(14)，然后選定基于磁通鎖定環(huán)的SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)讀出電路量程的0.1倍作為閾值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判斷，如果參考磁傳感器(16)的測(cè)量值相對(duì)基準(zhǔn)值的變化超過(guò)閾值時(shí)，則將此測(cè)量值作為新的基準(zhǔn)值(初始基準(zhǔn)值選擇SBC超導(dǎo)磁傳感器(1)讀出電路進(jìn)入Lock狀態(tài)時(shí)參考傳感器(16)的測(cè)量值)，并由嵌入式控制器(14)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)按照閾值的整數(shù)倍在單刀雙擲開(kāi)關(guān)(9)處于常開(kāi)狀態(tài)時(shí)經(jīng)功率放大器(10)和磁補(bǔ)償反饋電阻(8)驅(qū)動(dòng)高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈(7)對(duì)SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)預(yù)失真，其中補(bǔ)償線圈(7)的反饋系數(shù)為SQUID Feedback線圈的50倍，而且數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)的輸出不應(yīng)超過(guò)SQUID讀出電路擺率的0.5倍；如果參考磁傳感器(16)的測(cè)量值相對(duì)基準(zhǔn)值的變化未超過(guò)閾值時(shí)，則嵌入式控制器(14)只需等待下組測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入；在SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)無(wú)需預(yù)失真時(shí)，則將功率放大器(10)和磁補(bǔ)償反饋電阻(8)之間的單刀雙擲開(kāi)關(guān)(9)置于常閉狀態(tài)，從而使高反饋系數(shù)補(bǔ)償線圈(7)遠(yuǎn)端接地以降低外界的干擾。
9.按權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于為獲得SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)預(yù)失真后被測(cè)對(duì)象的原始信號(hào)，將磁通鎖定環(huán)中的模擬積分器(4)和功率放大器(10)的輸出分別連接至同步采樣ADC通道B (13)和同步采樣ADC通道A (11)，并把采集的信號(hào)傳遞至嵌入式控制器(14)，然后分別按照SBC超導(dǎo)磁傳感器(I)讀出電路和預(yù)失真電路的磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)將測(cè)試結(jié)果從電壓量換算成磁場(chǎng)強(qiáng)度，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行代數(shù)和運(yùn)算。
10.按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于預(yù)失真電路需進(jìn)行標(biāo)定，以準(zhǔn)確獲取預(yù)失真信號(hào)的強(qiáng)度。
【文檔編號(hào)】G01R33/035GK103616650SQ201310602036
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】伍俊, 榮亮亮, 王會(huì)武, 邱隆清, 蔣坤, 孔祥燕, 謝曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所