CN103744035A - 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 - Google Patents

Abstract

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***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。

Description

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：

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：

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。

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。

《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。

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。

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。

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：

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；

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；

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。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

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）1经读出电路3、模拟隔离模块4、数据采集***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。

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。

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(±ΔΦ)；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。

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：

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Φ₀/4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。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Φ₀/2的磁通（Φ₀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。

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；

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Φ₀/2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；

式中的Φ₀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Φ₀/2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。

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：

$B_X=(N_1*{\mathrm{\Φ}}_1+N_2*{\mathrm{\Φ}}_2\±\frac{V_X-V_P}{k})/S$

式中：B_X为当前所测磁场的单位面积内的磁通变化量；

S为超导环的面积，可通过SQUID的技术手册获得；

±运算符取决于磁场的变化方向，磁场增加为+，磁场减小为﹣；

k为V-Φ曲线的斜率，即磁通调制信号电压差值与对应的磁通变化量的比值，采集开始前可通过测量获得，其绝对值为定值，极性可根据状态检测模块的输出信号确定；

Φ₁为定值，在所测磁场变化方向不变的情况下，从撤消反馈到下次开始反馈之间超导环内磁通量的变化值，即未反馈过程对应的磁通变化量；

Φ₂为定值，在所测磁场变化方向不变的情况下，从反馈开始到反馈结束之间超导环内磁通量的变化值，即反馈过程对应的磁通变化量；

N₁为测量开始后，Φ₁的变化个数，计算方法如下：当反馈开始时，判断在未反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₁值不变；若磁场变化方向没有改变则N₁值±1，±与磁场的变化方向相同；

N₂为测量开始后，Φ₂的变化个数，计算方法如下：当撤消反馈时，判断在反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₂值不变；若磁场变化方向没有改变则N₂值±1，±与磁场的变化方向相同；

V_P为反馈模块的反馈状态改变且磁通调制信号稳定时的磁通调制信号电压值，即上述的测量基点；

V_X为采集***采集点的电压值。

有益效果：实现了超导磁力仪的计数式测量模式。与现有的基于零磁通锁定的超导磁力仪相比，通过对超导环内大于某一固定磁通量值的磁通变化量进行计数，对小于此磁通量值的磁通变化量进行采集，使得采集信号对应的磁通变化量始终在小于一个磁通量子的固定磁通量值内变化，因此提高了采集***的灵敏度与精度；通过对超过某一固定磁通量值的部分进行计数，在提高磁力仪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；摒弃了现有锁定式工作模式，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，更能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高精度的测量工作。

附图说明：

附图1为工作点迁移法的计数式超导磁力仪结构框图；

附图2为工作点迁移法的计数式超导磁力仪状态检测模块结构框图；

附图3为工作点迁移法的计数式超导磁力仪反馈模块结构框图；

附图4为未采用工作点迁移法时无法确定磁场变化方向的情况；

附图5为测量开始时确定磁场变化方向方法的波形；

附图6为采用工作点正迁移法与未采用工作点迁移法的对比波形；

附图7为采用工作点负迁移法与未采用工作点迁移法的对比波形；

1超导量子探头（SQUID），2杜瓦瓶，3SQUID读出电路，4模拟隔离模块，5数据采集***，6微处理器，7状态检测模块，8数字隔离模块，9反馈模块，10模拟开关，11模拟开关，12模拟开关，13模拟开关，14过零迟滞比较器，15迟滞比较器，16迟滞比较器，17迟滞比较器，18迟滞比较器，19基准信号模块，20反馈量选择模块，21反馈开关模块。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明：

如图1所示，基于工作点迁移法的计数式超导磁力仪结构如下：放置于杜瓦瓶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***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。其中，超导量子探头（SQUID）1输出磁场调制信号；读出电路3读取SQUID输出的磁场调制信号并将其放大；隔离模块消除数字电路对SQUID1的干扰，包括模拟隔离模块4与数字隔离模块8；数据采集***5对磁场调制信号进行采集；状态检测模块7检测当前磁场调制信号的状态；微处理器6是磁力仪的控制核心，负责①根据状态检测模块输出的状态值对采集到的数据进行数据处理②根据状态值控制状态检测模块中模拟开关的信号选择③根据状态值判断磁场的变化方向并输出相应的反馈量选择信号及反馈开关控制信号；反馈模块9根据微处理器6输出的反馈量选择信号及反馈开关控制信号对SQUID1进行反馈。

为了更好地阐释图1所示的工作点迁移法计数式超导磁力仪，首先介绍图4所示的计数式超导磁力仪首先要解决的无法确定磁场变化方向的问题。具体包括：①无法从V-t波形图上判断出Φ的变化方向；②若Φ的变化方向在V为峰值时发生改变（如图4中的B′、E′两点），将无法通过V的波形变化判断出Φ的变化方向已发生改变（将以V峰值所对应的磁通量为中心的临域称为拐点检测的盲区）。

针对上述问题，本发明提供了一种解决方法——采用工作点迁移法对磁通调制信号进行调理：①在反馈模块未反馈状态下，当磁通调制信号V的幅值接近峰值时，反馈模块对SQUID补偿一个固定的小于Φ₀/2的磁通（Φ₀为一个磁通量子），使V的幅值快速越过或远离峰值，而后磁力仪将以V稳定时刻的幅值为新的工作基点继续进行测量；②在反馈过程中，当Φ中属于所测磁场的分量越过或远离峰值所对应的磁通量时反馈模块撤消反馈，随着反馈磁通的撤消，V值将发生跳变，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。根据反馈磁通量的极性与所测磁场的变化方向是否相同，可将工作点迁移法分为工作点正迁移法如图6和工作点负迁移法如图7，下面将分别对其进行阐述：

工作点正迁移法：①在反馈模块未反馈状态下，当V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Φ₀/2的且极性与磁场变化方向相同的磁通（Φ₀为一个磁通量子），使V的幅值快速越过峰值跳变到一个新的幅值，而后磁力仪将以此幅值为新的工作基点继续进行测量；②在反馈过程中，当Φ中属于所测磁场的分量越过或远离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。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。图6描述了采用工作点正迁移法和未采用工作点迁移法的对比Φ-t曲线及与之对应的V-t曲线。图中虚线部分为未采用工作点迁移法的波形图，实线部分为采用了工作点正迁移法的波形图。通过对比波形可以看出，采用工作点正迁移法可清楚地通过V-t曲线检测出Φ的变化拐点。下面将结合图6对工作点正迁移法进行分步骤详细说明：

步骤⑴：在未反馈状态下进行测量的过程中，当V由小增大到V₁时，反馈模块对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φ₀/2的且极性与磁场变化方向相同的磁通±ΔΦ（±取决于磁场的变化方向，磁场增加为+，磁场减小为-），随着Φ的跳变，|V|将由V₁跳变到V₃（例如图6中的ABC、EFG等曲线），由于反馈磁通的补偿速度远远大于所测磁场的变化速度，因此，磁通跳变不会对磁场的测量结果造成影响。待V稳定后，磁力仪将以±V₃（±与开始反馈时刻V的极性相同）为基点继续进行测量，由于此时|V|已越过峰值，因此不会遇到无法检测拐点的情况。

步骤⑵：在反馈补偿状态下进行测量的过程中，随着Φ的改变，|V|值将出现两种变化：①|V|由V₃逐步减小，表示磁场的变化方向未发生改变，待|V|减小到V₄时，反馈模块撤消对SQUID的反馈，|V|相应地由V₄跳变到V₂（例如图6中的BCDE、OPQR等曲线），由于|V|已越过峰值，避开了拐点检测的盲区，待|V|稳定后，磁力仪将以±V₂（±与撤消反馈时刻V的极性相同）为基点继续进行测量；②再次出现|V|大于V₁的情况，表示在反馈过程中出现拐点，反馈模块撤消对SQUID的反馈，|V|相应地由V₁跳变到V₃（例如图6中的FGHIJ曲线），同理，|V|已越过峰值，避开了拐点检测的盲区，待V稳定后，磁力仪将以±V₂（±与撤消反馈时刻V的极性相同）为基点继续进行测量。

工作点负迁移法：①在反馈模块未反馈状态下，当V的幅值接近峰值时，对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φ₀/2的且极性与磁场变化方向相反的磁通，使V的幅值快速退到远离峰值的某值，而后磁力仪以此值为新的工作基点继续进行测量；②在反馈过程中，当Φ中属于所测磁场的分量越过或远离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。图7描述了采用工作点负迁移法和未采用工作点迁移法的对比Φ-t曲线及与之对应的V-t曲线。图中虚线部分为未采用工作点迁移法的波形图，实线部分为采用了工作点负迁移法的波形图，通过对比波形可以看出，采用工作点负迁移法同样可清楚地通过V-t曲线检测出Φ的变化拐点。下面将结合图7对工作点负迁移法进行分步骤详细说明：

步骤⑴：在未反馈状态下，|V|由小增大到V₁时，反馈模块对SQUID反馈补偿一个固定的小于Φ₀/2的且极性与磁场变化方向相反的磁通±ΔΦ（±取决于磁场的变化方向，磁场增加为-，磁场减小为+），随着Φ的跳变，|V|将由V₁跳变到V₄（例如图7中的abc、efg等曲线），由于反馈磁通的补偿速度远远大于所测磁场的变化速度，因此，磁通跳变不会对磁场的测量结果造成影响。待V稳定后，磁力仪将以±V₄（±与反馈时刻V的极性相同）为基点继续进行测量，由于此时|V|已远离峰值，因此不会遇到无法检测拐点的情况。

步骤⑵：在反馈补偿状态下进行测量的过程中，随着Φ的改变，|V|值将出现两种变化：①|V|由V₄逐步增加，表示磁场的变化方向未发生改变，待|V|再次增大到V₁时，反馈模块撤消对SQUID的反馈，|V|相应地由V₁快速越过峰值跳变到V₃（例如图7中的bcde、opqr等曲线），由于|V|已越过峰值，因此避开了拐点检测的盲区，待V稳定后，磁力仪将以±V₃（±与撤消反馈时刻V的极性相同）为基点继续进行测量；②出现了|V|＝V₅的情况，则表示在反馈过程中出现拐点，反馈模块撤消对SQUID的反馈，|V|相应地由V₅跳变到V₂（例如图7中的fghij曲线），同理，|V|已越过峰值，避开了拐点检测的盲区，待V稳定后，磁力仪将以±V₃（±与撤消反馈时刻V的极性相同）为基点继续进行测量。

结合上述的工作点迁移法，本发明提供了一种检测V状态的状态检测模块7：由四个二选一型模拟开关和五个迟滞比较器组成。具体连接方式如图2所示：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。此外，状态检测模块7可由上述器件搭建，也可移植入微处理器6中，由数据采集***5配合进行工作。

所述的状态检测模块7中的五个迟滞比较器中，迟滞比较器14为过零迟滞比较器，用于检测V的极性；迟滞比较器15与迟滞比较器17用于检测反馈时刻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用于检测反馈过程中的拐点。其中，过零迟滞比较器14的正负阈值电压设置为0V上下，幅值根据采集时的信号幅度及噪声水平进行确定，另外四个迟滞比较器的正负阈值电压需根据磁力仪所采用的工作点迁移方法的不同分以下两种情形进行设置：

①当磁力仪采用工作点正迁移法时，迟滞比较器15正阈值电压为图6中的V₁，负阈值电压为图6中的V₄；迟滞比较器16正阈值电压为图6中的V₁，负阈值电压为图6中的V₃；迟滞比较器17正阈值电压为图6中的-V₁，负阈值电压为图6中的-V₄；迟滞比较器18正阈值电压为图6中的-V₁，负阈值电压为图6中的-V₃。

②当磁力仪采用工作点负迁移法时，迟滞比较器15正阈值电压为图7中的V₁，负阈值电压为图7中的V₅；迟滞比较器16正阈值电压为图7中的V₁，负阈值电压为图7中的V₃；迟滞比较器17正阈值电压为图7中的-V₁，负阈值电压为图7中的-V₅；迟滞比较器18正阈值电压为图7中的-V₁，负阈值电压为图7中的-V₃。

结合上述迟滞比较器的阈值电压设置，所述的状态检测模块中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，一个输入端口并行连接模拟地线。其信号选择模式为：一般情况下，模拟开关10与模拟开关12选择连接磁通调制信号线，模拟开关11与模拟开关13选择连接模拟地线；当且仅当迟滞比较器15输出高电平时，模拟开关11选择连接磁通调制信号线；当且仅当迟滞比较器16输出高电平时，模拟开关10选择连接模拟地线；当且仅当迟滞比较器17输出高电平时，模拟开关13选择连接磁通调制信号线；当且仅当迟滞比较器18输出高电平时，模拟开关12选择连接模拟地线。

通过微处理器6按照上述的信号选择模式对四个模拟开关进行控制，本磁力仪实现了①未反馈状态下，模拟开关10与模拟开关12选择连接磁通调制信号线，迟滞比较器15与迟滞比较器17根据V值判断是否需要反馈；模拟开关11与模拟开关13选择模拟地线，因输入信号小于负阈值，迟滞比较器16与迟滞比较器18输出低电平；②在反馈过程中，模拟开关11或模拟开关13选择连接V信号，与之相应，迟滞比较器16或迟滞比较器18根据V值判断是否出现拐点及是否撤消反馈；③当反馈模块撤消反馈时，对迟滞比较器15或迟滞比较器17的输出信号进行复位，主要针对以下情况：在反馈过程中，若迟滞比较器16或迟滞比较器18输出高电平，尽管对于不同的工作点迁移法此高电平所表示的情况不同，但反馈模块都将撤消反馈，由于V信号稳定后的幅值高于迟滞比较器15与迟滞比较器17的负阈值电压，导致与之相应的迟滞比较器15或迟滞比较器17的输出不能随着反馈状态跳变为零。若此时磁场的变化方向再次发生改变，磁力仪将无法检测到该拐点，因此当反馈模块撤消反馈后，需立即对迟滞比较器15或迟滞比较器17的输出进行复位。

如图3所示：反馈模块9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(±ΔΦ)；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，微处理器6输出的反馈量选择信号由磁力仪所采用的工作点迁移方法及当前磁场的变化方向决定，即①若磁力仪采用工作点正迁移法，则反馈信号极性与磁场变化方向相同，②若采用工作点负迁移法，则反馈信号极性与磁场变化方向相反；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，微处理器6输出的反馈开关控制信号由状态检测模块的迟滞比较器的输出值决定，即①当迟滞比较器15或迟滞比较器17输出高电平时反馈开关闭合，②当迟滞比较器15或迟滞比较器17输出低电平时反馈开关断开，③当迟滞比较器16或迟滞比较器18输出高电平时反馈开关断开。

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，即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拐点间接确定磁场的变化方向。包括以下步骤：

a、如图5所示，开始测量时，当过零迟滞比较器14的输出信号发生变化时，若对SQUID反馈一个固定的小于+Φ₀/4的磁通，SQUID输出的磁通调制信号V将出现超前或滞后两种不同的变化，通过比较过零迟滞比较器14在反馈后Δt时间内的输出值与开始反馈时刻的输出值是否相等即可确定待测点的Φ变化方向，相同则表示Φ变化方向为增，不同则表示Φ变化方向为减。待确定完磁场的变化方向后，取消反馈。

b、测量过程中，采用工作点迁移法对磁场调制信号进行调理。

c、在对磁通调制信号V进行调理的过程中检测拐点，拐点的判定标准应根据磁力仪所采用的具体的工作点迁移方法进行选择：

⑴若磁力仪采用工作点正迁移法，则在测量过程中，出现以下两种情况之一便表明磁场方向发生改变：①迟滞比较器15或迟滞比较器17连续两次或多次输出上升沿（例如图6中OPQRSTUVW曲线）②迟滞比较器16或迟滞比较器18输出上升沿（例如图6中FGHIJ曲线）。

⑵若磁力仪采用工作点负迁移法，则在测量过程中，出现以下两种情况之一便表明磁场方向发生改变：①迟滞比较器15或迟滞比较器17连续两次或多次输出上升沿（例如图7中opqrstuvw曲线）②反馈过程中迟滞比较器16或迟滞比较器18未输出上升沿（例如图7中fghij曲线）。

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，根据状态检测模块7输出的状态值，在反馈状态改变时，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；

$B_X=(N_1*{\mathrm{\Φ}}_1+N_2*{\mathrm{\Φ}}_2\±\frac{V_X-V_P}{k})/S$

式中：

B_X为当前所测磁场的单位面积内的磁通变化量；

S为超导环的面积，可通过SQUID的技术手册获得；

V_X为采集***采集到的采集点的电压值；

±运算符取决于磁场的变化方向，磁场增加为+，磁场减小为-；

k为V-Φ曲线的斜率，即磁通调制信号电压差值与对应的磁通变化量的比值，可在开始采集前进行测量，其绝对值为定值，极性需要根据磁力仪所采用的具体的工作点迁移法及状态检测模块的输出信号进行确定；

其余参数值需要结合磁力仪所采用的具体的工作点迁移法进行确定：

①当磁力仪采用工作点正迁移时：

Φ₁为未反馈过程对应的磁通变化量，定值，以图6为例，Φ₁＝(V₁+V₂)/|k|；

Φ₂为反馈过程对应的磁通变化量，定值，以图6为例，Φ₂＝(V₃-V₄)/|k|；

k的极性可通过状态检测模块的输出信号确定；迟滞比较器15输出上升沿到迟滞比较器17输出上升沿之间，k为-；迟滞比较器17输出上升沿到迟滞比较器15输出上升沿之间，k为+；

N₁计算方法如下：当迟滞比较器15或迟滞比较器17输出上升沿时，首先判断在未反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₁值不变；若磁场变化方向没有改变则N₁值±1，其中运算符±由磁场的变化方向决定，磁场增加运算符为+，磁场减小运算符为-；

N₂计算方法如下：当迟滞比较器15或迟滞比较器17输出下降沿时，判断在反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₂值不变；若磁场变化方向没有改变则N₂值±1，其中运算符±由磁场的变化方向决定，磁场增加运算符为+，磁场减小运算符为-；

V_P为测量基点的电压，取值如下：以图6为例，迟滞比较器15输出高电平时，V_P＝V₃；在迟滞比较器15输出下降沿到迟滞比较器17输出上升沿的过程中，V_P＝V₂；迟滞比较器17输出高电平时，V_P＝-V₃；在迟滞比较器17输出下降沿到迟滞比较器15输出上升沿的过程中，V_P＝-V₂。

②当磁力仪采用工作点负迁移时：

Φ₁为未反馈过程对应的磁通变化量，定值，以图7为例，Φ₁＝(V₁+V₃)/|k|；

Φ₂为反馈过程对应的磁通变化量，定值，以图7为例，Φ₂＝(V₁-V₄)/|k|；

k的极性可通过状态检测模块的输出信号确定；迟滞比较器15输出下降沿到迟滞比较器17输出下降沿之间，k为-；迟滞比较器17输出下降沿到迟滞比较器15输出下降沿之间，k为+；

N₁计算方法如下：当迟滞比较器15或迟滞比较器17输出上升沿时，首先判断在未反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₁值不变；若磁场变化方向没有改变则N₁值±1，其中运算符±由磁场的变化方向决定，磁场增加运算符为+，磁场减小运算符为-；

N₂计算方法如下：当迟滞比较器15或迟滞比较器17输出下降沿时，判断在反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₂值不变；若磁场变化方向没有改变则N₂值±1，其中运算符±由磁场的变化方向决定，磁场增加运算符为+，磁场减小运算符为-；

V_P为测量基点的电压，取值如下：以图7为例，迟滞比较器15输出高电平时，V_P＝V₄；在迟滞比较器15输出下降沿到迟滞比较器17输出上升沿的过程中，V_P＝V₃；迟滞比较器17输出高电平时，V_P＝-V₄；在迟滞比较器17输出下降沿到迟滞比较器15输出上升沿的过程中，V_P＝-V₃。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的解释和说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

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(1)、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***(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。

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(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Φ₀/4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Φ₀/2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Φ₀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Φ₀/2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：

$B_X=(N_1*{\mathrm{\Φ}}_1+N_2*{\mathrm{\Φ}}_2\±\frac{V_X-V_P}{k})/S$

式中：B_X为当前所测磁场的单位面积内的磁通变化量；

S为超导环的面积，可通过SQUID的技术手册获得；

±运算符取决于磁场的变化方向，磁场增加为+，磁场减小为﹣；

k为V-Φ曲线的斜率，即磁通调制信号电压差值与对应的磁通变化量的比值，采集开始前可通过测量获得，其绝对值为定值，极性可根据状态检测模块的输出信号确定；

Φ₁为定值，在所测磁场变化方向不变的情况下，从撤消反馈到下次开始反馈之间超导环内磁通量的变化值，即未反馈过程对应的磁通变化量；

Φ₂为定值，在所测磁场变化方向不变的情况下，从反馈开始到反馈结束之间超导环内磁通量的变化值，即反馈过程对应的磁通变化量；

N₁为测量开始后，Φ₁的变化个数，计算方法如下：当反馈开始时，判断在未反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₁值不变；若磁场变化方向没有改变则N₁值±1，±与磁场的变化方向相同；

N₂为测量开始后，Φ₂的变化个数，计算方法如下：当撤消反馈时，判断在反馈过程中所测磁场的变化方向是否改变，若磁场变化方向改变则N₂值不变；若磁场变化方向没有改变则N₂值±1，±与磁场的变化方向相同；

V_P为反馈模块的反馈状态改变且磁通调制信号稳定时的磁通调制信号电压值，即上述的测量基点；

V_X为采集***采集点的电压值。

Images