CN101907693A - Squid平面三轴磁强计串扰定量标定及消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SQUID平面三轴磁强计串扰定量标定及消除方法，其特征在于平面三轴磁强计的串扰存在于反馈线圈与相邻SQUID之间，测试反馈线圈与SQUID间的互感可对串扰进行定量标定，在此基础上消除串扰。本方法包括以下步骤：(1)SQUID平面三轴磁强计准备；(2)三轴串扰定量标定；(3)串扰分析与消除。其特征是：采用平面裸SQUID组成的三轴磁强计代替传统线绕磁强计，以互感为指标标定串扰大小并进行消除。本发明的优点是：平面SQUID磁强计集成度高，避免了线路传输带来的磁通干扰，串扰的标定和消除保证了平面SQUID磁强计的优化使用。

Description

SQUID平面三轴磁强计串扰定量标定及消除方法

技术领域

本发明涉及一种SQUID平面三轴磁强计串扰定量标定及消除方法。

背景技术

超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是目前已知最灵敏的磁通传感器，广泛地应用于微弱生物磁信号的探测【V.Pizzela et al，Supercond.Sci.Technol.14(2001)R79-R114】。

弱的磁信号和强的环境磁场是SQUID生物磁探测必须面临的问题。为了抑制环境磁场，梯度计技术是最常用方法之一，它能很好的抑制远场噪声，探测近生物磁信号。理想的梯度计对均匀磁场的响应为零，由于绕制过程中机械、制作精确等原因，梯度计不可避免的存在不平衡性，存在一定的误差面积。为了补偿梯度计不平衡性带来的误差面积，最常使用的是参考磁强计，配以三个方向【D.Drung，IEEE Trans.Appl.Supercond.5(1995)2112-2117】。传统的三轴磁强计由三个正交的磁强计线圈组成，配以三个超导屏蔽的SQUID器件，实现背景磁场的探测。线绕磁强计由于机械、绕制工艺等误差，三轴正交性存在一定的偏差，且磁强计线圈与SQUID之间的传输线不可避免的存在磁通耦合，导致三轴磁强计的设计偏离理论，影响补偿性能。

相对于传统的磁强计，平面磁强计是直接采用裸SQUID环进行磁场探测，避免了线绕磁强计带来的正交性及传输线磁通耦合带来的误差。由于裸SQUID器件没有超导屏蔽，反馈线圈与各SQUID环之间存在互感，导致三个磁强计之间存在串扰。减小SQUID反馈线圈直径和增大SQUID之间的空间距离在一定程度上可以减小串扰影响，但无法消除，所以急需探寻三轴串扰的定量评估及消除方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SQUID平面三轴磁强计串扰定量标定及消除方法。具体的说，本发明利用裸SQUID器件构筑平面三轴磁强计，平面三轴磁强计的串扰存在于反馈线圈与相邻SQUID之间测试反馈线圈与SQUID间的互感可对串扰进行定量标定，在此构型基础上消除串扰，从而实现三轴串扰的定量标定和消除分析。

本发明所述的SQUID平面三轴磁强计串扰定量标定及消除方法包括以下各步骤：

(1)SQUID平面三轴磁强计准备

选取三个工作良好的SQUID器件构筑三轴磁强计组件(见实施例步骤1)。整个三轴磁强计及辅助引线接口集成在一根测试杆上。

(2)三轴串扰定量标定

三轴磁强计之间的串扰通过反馈线圈与SQUID之间的互感来标定。以反馈线圈与SQUID间的组合，可把互感分为内部互感和外部互感。内部互感主要指单个磁强计反馈线圈与SQUID环的互感。向反馈线圈中输入一定强度的低频测试信号，测量一个磁通量子Φ₀对应的输出信号强度，有

${\mathrm{\Φ}}_0=M_i\·\frac{V_{\mathrm{fi}}}{R_{\mathrm{fi}}}$ ${\mathrm{\ζ}}_i=\frac{V_{\mathrm{oi}}}{{\mathrm{\Φ}}_0}$

其中M_i为反馈线圈与SQUID的内部互感，V_fi为测试低频信号电压强度，R_fi为反馈线圈传输回路的反馈电阻，ζ_i为磁通电压传输系数，V_oi为SQUID读出电路锁定电压幅度。通过测量，可对M_i进行标定，并可计算ζ_i。

设定三轴磁强计内部互感分别为M_x，M_y和M_z，磁通电压传输系数分别为ζ_x，ζ_y和ζ_z，有

$M_x=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0{R}_{\mathrm{fx}}}{V_{\mathrm{fx}}}$ $M_y=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0{R}_{\mathrm{fy}}}{V_{\mathrm{fy}}}$ $M_z=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0{R}_{\mathrm{fz}}}{V_{\mathrm{fz}}}$ ${\mathrm{\ζ}}_x=\frac{V_{\mathrm{ox}}}{{\mathrm{\Φ}}_0}$ ${\mathrm{\ζ}}_y=\frac{V_{\mathrm{oy}}}{{\mathrm{\Φ}}_0}$ ${\mathrm{\ζ}}_z=\frac{V_{\mathrm{oz}}}{{\mathrm{\Φ}}_0}$

在标定内部互感的基础上，向i方向SQUID对应的反馈线圈中输入一定的电压信号V_fi，调节j方向SQUID的最佳工作状态并锁定，测量输出电压V_oj，可对SQUID间的外部互感M_ij进行标定

${\mathrm{\ζ}}_j\·M_{\mathrm{ij}}\·\frac{V_{\mathrm{fi}}}{R_{\mathrm{fi}}}=V_{\mathrm{oj}}$

依次标定可计算三轴间的外部互感M_xy，M_xz，M_yx，M_yz，M_zx和M_zy，这些外部互感反映了三轴磁强计之间的串扰。

(3)串扰分析与消除

在磁通锁定环(Flux Looked Loop，FLL)锁定的情况下，FLL通过反馈线圈耦合磁通Φ_f到SQUID环中与外磁场Φ_e相抵消，以保持SQUID环内的环流恒定

Φ_e+Φ_f＝0

反馈的磁通同FLL电压输出成正比

${\mathrm{\Φ}}_f=M\·I_f=M\·\frac{V_o}{R_f}$

其中，M为SQUID与其反馈线圈互感，R_f为反馈电阻，V_o为FLL输出电压。FLL输出电压同外部磁通的线性关系如下

${\mathrm{\Φ}}_e=-M\·\frac{V_o}{R_f}$

考虑到三轴磁强计同时工作，有

[Φ_e]+[Φ_f′]＝0

$\left[{{\mathrm{\Φ}}_f}^{\′}\right]=M^{\′}\·\left[I_f\right]=M^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}$

$\left[{\mathrm{\Φ}}_e\right]=-M^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}$

其中 $\left[{\mathrm{\Φ}}_e\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ex}}\\ {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ey}}\\ {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ez}}\end{array}\right];$ $\left[{{\mathrm{\Φ}}_f}^{\′}\right]=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fx}}}^{\′}\\ {{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fy}}}^{\′}\\ {{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fz}}}^{\′}\end{array}\right];$ $M^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}{M}_x& M_{\mathrm{xy}}& M_{\mathrm{xz}}\\ M_{\mathrm{yx}}& M_y& M_{\mathrm{yz}}\\ M_{\mathrm{zx}}& M_{\mathrm{zy}}& M_z\end{array}\right];$ $\left[I_f\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{fx}}\\ I_{\mathrm{fy}}\\ I_{\mathrm{fz}}\end{array}\right]$ $\left[V_o\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ox}}\\ V_{\mathrm{oy}}\\ V_{\mathrm{oz}}\end{array}\right];$ $\left[R_f\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{\mathrm{fx}}& 0& 0\\ 0& R_{\mathrm{fy}}& 0\\ 0& 0& R_{\mathrm{fz}}\end{array}\right]$

为消除外部互感带来的串扰，可正交化SQUID三轴的输出，修正SQUID电压输出为

$\left[{\mathrm{\Φ}}_e\right]=-M\·\frac{\left[V_o^{\′}\right]}{R_f}$

其中

考虑到外磁通的一致性，有

$M^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}=M\·\frac{\left[V_o^{\′}\right]}{R_f}$

消除串扰后的SQUID三轴输出为

$\frac{\left[V_o^{\′}\right]}{R_f}=M^{-1}{M}^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}$

SQUID平面三轴磁强计的使用有利于***集成，通过串扰标定和消除，保证了更好的正交性，解决串扰给三轴性能带来的不利影响。

由此可见，本发明的优点是：平面SQUID磁强计集成度高，避免了线路传输带来的磁通干扰，串扰的标定和消除保证了平面SQUID磁强计的优化使用。

附图说明

图1是平面三轴磁强计构型：图中1为SQUID器件，2为反馈线圈，3为环氧立方体

图2是单一磁强计反馈线圈与SQUID间的内部互感和外部互感示意图

图3是三轴间内部互感和外部互感示意图

具体实施方式

1、用双面胶把三个SQUID器件(1)分别紧贴在环氧立方体(3)互相垂直的三个平面上，以此构筑三轴磁强计，整个器件、引线及接口集成在一根测试杆上；

2、将测试杆置于低温杜瓦中，三轴磁强计工作于液氦温度下，首先分别测试每个单磁强计反馈线圈(2)与SQUID环(1)的内部互感M_i，利用信号发生器向反馈线圈中中输入一定强度的低频测试信号V_f，调节读出电路的参数，使磁通锁定环FLL工作在非锁定状态的最佳工作点，调整反馈线圈(2)输入信号的强度，使FLL输出信号上下对称相接，此时SQUID探测的磁通为一个磁通量子Φ₀，锁定FLL，记录相应频率的输出信号强度V_o，计算SQUID1与反馈线圈(2)的内部互感M_x，M_y和M_z；与测量内部互感类似，调节j方向SQUID的FLL工作状态并锁定，撤除j方向SQUID对应反馈线圈中的外界输入信号，向相邻i方向SQUID的反馈线圈中通入一定幅度测试信号，测量锁定状态j方向SQUID的输出电压，计算外部互感M_ij，即得M_xy，M_xz，M_yx，M_yz，M_zx和M_zy。(见图2和图3)

3、在一般非屏蔽环境下，记录SQUID平面三轴磁强计锁定状态的输出信号V_o，利用串扰消除公式消除通道间的串扰消除互感带来的串扰，实现正交化。

Claims (7)

1.一种SQUID平面三轴磁强计串扰定量标定方法，其特征在于利用裸SQUID器件构筑平面三轴磁强计，平面三轴磁强计的串扰存在于反馈线圈与相邻的SQUID之间，测试反馈线圈与SQUID之间的内部互感和外部互感，从而对串扰进行定量标定。

2.按权利要求1所述的串扰定量标定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)用双面胶把三个SQUID器件(1)分别紧贴在环氧立方体(3)互相垂直的三个平面上，以此构筑三轴磁强计，整个器件、引线及接口集成在一根测试杆上；

(2)将测试杆置于低温杜瓦中，三轴磁强计工作于液氦温度下，首先分别测试每个单磁强计反馈线圈(2)与SQUID环(1)的内部互感M_i，利用信号发生器向反馈线圈中中输入一定强度的低频测试信号V_f，调节读出电路的参数，使磁通锁定环FLL工作在非锁定状态的最佳工作点，调整反馈线圈(2)输入信号的强度，使FLL输出信号上下对称相接，此时SQUID探测的磁通为一个磁通量子Φ₀，锁定FLL，记录相应频率的输出信号强度V_o，计算SQUID

(1)与反馈线圈(2)的内部互感M_x，M_y和M_z；与测量内部互感类似，调节j方向SQUID的FLL工作状态并锁定，撤除j方向SQUID对应反馈线圈中的外界输入信号，向相邻i方向SQUID的反馈线圈中通入一定幅度测试信号，测量锁定状态j方向SQUID的输出电压，计算外部互感M_ij，即得M_xy，M_xz，M_yx，M_yz，M_zx和M_zy。

3.按权利要求2所述的串扰定量标定方法，其特征在于所述的内部互感指单个磁强计反馈线圈与SQUID环的互感；通过内部互感计算出磁通电压传输系数：

${\mathrm{\Φ}}_0=M_i\·\frac{V_{\mathrm{fi}}}{R_{\mathrm{fi}}}$ ${\mathrm{\ζ}}_i=\frac{V_{\mathrm{oi}}}{{\mathrm{\Φ}}_0}$

式中M_i为反馈线圈与SQUID的内部互感，V_fi为测试低频信号电压强度，R_fi为反馈线圈传输回路的反馈电阻，ζ_i为磁通电压传输系数，V_oi为SQUID读出电路锁定电压幅度；通过测量对M_i进行标定，从而计算ζ_i。

4.按权利要求2所述的串扰定量标定方法，其特征在于在标定内部互感的基础上，向i方向SQUID对应的反馈线圈中输入一定的电压信号V_fi，调节j方向SQUID的最佳工作状态并锁定，测量输出电压V_oj，可对SQUID间的外部互感M_ij进行标定

${\mathrm{\ζ}}_j\·M_{\mathrm{ij}}\·\frac{V_{\mathrm{fi}}}{R_{\mathrm{fi}}}=V_{\mathrm{oj}}$

依次标定可计算三轴间的外部互感M_xy，M_xz，M_yx，M_yz，M_zx和M_zy，六个方向的外部互感反映了三轴磁强计之间的串扰。

5.按权利要求2所述的串扰定量标定方法，其特征在于三轴偏置电流和反馈线圈的引线选用0.1mm直径的漆包线，双绞引出。

6.按权利要求2所述的串扰定量标定方法，其特征在于步骤2低频测试信号频率为60Hz，强度依测试回路反馈电阻R_f而定。

7.按权利要求1-4中任一项所述的串扰标定方法的串扰消除方法，其特征在于在非屏蔽条件下，记录SQUID平面三轴磁强计稳定状态的输出信号V_o，利用串扰消除公式，消除通道间的串扰，实现正交化；包括的步骤为：

①在磁通锁定环锁定的情况下，FLL通过反馈线圈耦合磁通Φ_f到SQUID环中与外磁场Φ_e相抵消，以保持SQUID环内的环流恒定

Φ_e+Φ_f＝0

反馈的磁通同FLL电压输出成正比

${\mathrm{\Φ}}_f=M\·I_f=M\·\frac{V_o}{R_f}$

式中，M为SQUID与其反馈线圈互感，R_f为反馈电阻，V_o为FLL输出电压，FLL输出电压同外部磁通的线性关系如下

${\mathrm{\Φ}}_e=-M\·\frac{V_o}{R_f};$

②考虑到三轴磁强计同时工作，有

[Φ_e]+[Φ_f′]＝0

$\left[{{\mathrm{\Φ}}_f}^{\′}\right]=M^{\′}\·\left[I_f\right]=M^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}$

$\left[{\mathrm{\Φ}}_e\right]=-M^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}$

其中 $\left[{\mathrm{\Φ}}_e\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ex}}\\ {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ey}}\\ {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ez}}\end{array}\right];$ $\left[{{\mathrm{\Φ}}_f}^{\′}\right]=\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fx}}}^{\′}\\ {{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fy}}}^{\′}\\ {{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{fz}}}^{\′}\end{array}\right];$ $M^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}{M}_x& M_{\mathrm{xy}}& M_{\mathrm{xz}}\\ M_{\mathrm{yx}}& M_y& M_{\mathrm{yz}}\\ M_{\mathrm{zx}}& M_{\mathrm{zy}}& M_z\end{array}\right];$ $\left[I_f\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{fx}}\\ I_{\mathrm{fy}}\\ I_{\mathrm{fz}}\end{array}\right]$ $\left[V_o\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{ox}}\\ V_{\mathrm{oy}}\\ V_{\mathrm{oz}}\end{array}\right];$ $\left[R_f\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_{\mathrm{fx}}& 0& 0\\ 0& R_{\mathrm{fy}}& 0\\ 0& 0& R_{\mathrm{fz}}\end{array}\right]$

为消除外部互感带来的串扰，正交化SQUID三轴的输出；修正SQUID电压输出为

$\left[{\mathrm{\Φ}}_e\right]=-M\·\frac{\left[V_o^{\′}\right]}{R_f}$

其中

考虑到外磁通的一致性，则

$M^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}=M\·\frac{\left[V_o^{\′}\right]}{R_f};$

③消除串扰后的SQUID三轴输出为

$\frac{\left[V_o^{\′}\right]}{R_f}=M^{-1}{M}^{\′}\·\frac{\left[V_o\right]}{R_f}.$

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