CN105785288A - 一种基于低温超导 squid 的航空磁测量装置 - Google Patents

一种基于低温超导 squid 的航空磁测量装置 Download PDF

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常凯
荣亮亮
伍俊
刘洋
汪瀛
孔祥燕
谢晓明
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Abstract

本发明提供了一种基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，包括数据采集器、供电单元、无磁辅助***支架、法拉第笼、读出电路和姿态测量模块、低温超导SQUID传感器单元、无磁杜瓦固定桶、吸振材料、无磁装置底撑板和吸振部件；所述无磁辅助***支架和所述无磁杜瓦固定桶均固定在所述无磁装置底撑板上；所述低温超导SQUID传感器单元置于所述无磁杜瓦固定桶内，且所述低温超导SQUID传感器单元和所述无磁杜瓦固定桶间填充有所述吸振材料；所述法拉第笼包覆整个测量装置。本发明的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，能够提升低温超导SQUID***对测试外场复杂电磁环境的抗干扰能力，消减航空磁测量过程中引入的高、低频机械振动。

Description

一种基于低温超导 SQUID 的航空磁测量装置
技术领域
本发明涉及一种磁测量装置，特别是涉及一种基于低温超导SQUID(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，超导量子干涉器件)的航空磁测量装置。
背景技术
航空磁力测量(aeromagneticsurvey)是航空物探方法中使用时间最早、最成熟和最多的磁测方法，其将航空磁力仪***安装在飞机或其他飞行器中通过观测地磁场的总强度T或总磁场异常△T或其梯度，来寻找磁性或与磁性有关的矿体，以了解地质构造、进行磁性填图、解决城市和工程稳定性和考古等问题。根据服务领域不同，分成区域构造填图、油气构造勘查、固体矿产勘查和其他应用类型。
SQUID是一种能测量微弱磁信号的极其灵敏的仪器，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID的基本原理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的。根据偏置电流的不同，分为直流和射频两类。SQUID作为探测器，可以测量出10-11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。利用SQUID探测器侦测直流磁化率信号，灵敏度可达10-8emu；温度变化范围为1.9K～400K；磁场强度变化范围为0～70000高斯。
随着低温超导SQUID磁测量技术的成熟和灵敏度的不断提高，基于高灵敏度超导磁力仪的航空矢量磁测量和全张量梯度测量成为航空磁测量的研究热点。
然而，现有航空超导磁力仪具有以下不足：
(1)现有航空超导磁力仪对地磁场进行直接测量，属于低温超导SQUID处于无磁屏蔽环境下工作。由于外场复杂电磁环境，极易使SQUID***进入失锁状态，让工作状态受到影响，导致测试性能降低，严重时甚至使器件无法正常工作。
(2)由于是基于航空平台，如无人飞机、飞艇、热气球等的磁场测试，测试期间会引入高、低频的机械晃动，这种状态在低温超导SQUID磁测时会引入运动噪声，会影响磁场测量精度，严重时也导致使器件无法正常工作。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，能够提升低温超导SQUID***对测试外场复杂电磁环境的抗干扰能力，消减航空磁测量过程中引入的高、低频机械振动。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，包括数据采集器、供电单元、无磁辅助***支架、法拉第笼、读出电路和姿态测量模块、低温超导SQUID传感器单元、无磁杜瓦固定桶、吸振材料、无磁装置底撑板和吸振部件；所述无磁辅助***支架和所述无磁杜瓦固定桶均固定在所述无磁装置底撑板上；所述低温超导SQUID传感器单元置于所述无磁杜瓦固定桶内，且所述低温超导SQUID传感器单元和所述无磁杜瓦固定桶间填充有所述吸振材料；所述数据采集器和所述供电单元置于所述无磁辅助***支架上；所述吸振部件设置在所述无磁装置底撑板的底部；所述低温超导SQUID传感器单元用于测量空间的磁场变化的信号；所述读出电路和姿态测量模块与所述低温超导SQUID传感器单元相连，包括读出电路和姿态测量模块，所述读出电路用于所述将低温超导SQUID传感器单元传送来的信号放大后输出，所述姿态测量模块用于获取低温超导SQUID传感器单元在测量时的实时姿态信息；所述数据采集器与所述读出电路和姿态测量模块相连，用于接收和存储读出电路和姿态测量模块传送来的信号；所述法拉第笼包覆整个测量装置。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述低温超导SQUID传感器单元包括SQUID器件组、液氦、杜瓦和多层单面导电金属薄膜。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述数据采集器包括A/D采集卡和微控制器。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述法拉第笼用于隔绝笼体外电磁波对整个测量装置的电磁干扰。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述无磁辅助***支架和所述无磁杜瓦固定桶均通过无磁固定螺栓固定在所述无磁装置底撑板上。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述供电单元和所述数据采集器均通过无磁固定螺栓固定在所述无磁辅助***支架上。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述吸振材料采用低频吸振垫。
根据上述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其中：所述吸振部件为铃型吸振部件。
如上所述，本发明的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，具有以下有益效果：
(1)全部支撑机构和固定部件均采用刚性无磁材料，在增加机械强度同时减少了不良因数的引入，使测试结果的准确性和真实性得到了保证；
(2)外采用低温超导传感器单元(杜瓦)外沿进行单层导电薄膜多层包覆和全***独特法拉第笼结构处理，很好的解决了航空运动平台引入的近场电场干扰和复杂外场引入的多频段射频干扰，极大提高测试***对电磁干扰屏蔽性能；
(3)消除航空平台中低频机械振动对测试单元的影响，处理方式是在低温超导传感器单元(杜瓦)和无磁杜瓦固定桶间采用吸振材料填充，以消除低频段的机械振动；
(4)为了应对航空平台引入的高频机械振动，整个装置底部采用了柔性和刚性适中具有一定吸振频率的铃型部件，使其在航空平台上具有良好地消除高频机械振动的效果。
附图说明
图1显示为本发明的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置的结构示意图。
元件标号说明
1数据采集器
2供电单元
3无磁辅助***支架
4法拉第笼
5读出电路和姿态测量模块
6低温超导传感器单元
7无磁杜瓦固定桶
8吸振材料
9无磁装置底撑板
10无磁固定螺栓
11吸振部件
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
参照图1，本发明的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置包括数据采集器1、供电单元2、无磁辅助***支架3、法拉第笼4、读出电路和姿态测量模块5、低温超导SQUID传感器单元6、无磁杜瓦固定桶7、吸振材料8和无磁装置底撑板9。
其中，无磁辅助***支架3和无磁杜瓦固定桶7均固定在无磁装置底撑板9上；低温超导SQUID传感器单元6置于无磁杜瓦固定桶7内，且低温超导SQUID传感器单元6和无磁杜瓦固定桶7间填充有低频吸振材料8；数据采集器1和供电单元2置于无磁辅助***支架3上；数据采集器1与读出电路和姿态测量模块5相连；读出电路和姿态测量模块5置于低温超导SQUID传感器单元6上，并与之相连；法拉第笼4包覆整个测量装置。
低温超导SQUID传感器单元6用于测量空间的磁场变化的信号。具体地，低温超导SQUID传感器单元6包括SQUID器件组、液氦、杜瓦和多层单面导电金属薄膜，从而极大地提高了测量装置对电磁干扰的屏蔽性能。
读出电路和姿态测量模块5包括读出电路和姿态测量模块。其中，读出电路用于将低温超导SQUID传感器单元传送来的信号放大后输出；姿态测量模块用于获取低温超导SQUID传感器单元在测量时的实时姿态信息。
具体地，读出电路将低温超导SQUID传感器单元获取的微弱磁信号转换成电压/电流信号放大并在适当点进行环路锁定，以便于数据采集和工作。姿态测量模块获取低温超导SQUID传感器单元的姿态信息，便于后期数据反演统一空间坐标系。
数据采集器1用于获取和存储读出电路和姿态测量模块5传送来的信号。具体地，数据采集器1包括高性能A/D采集卡和微控制器MCU。
法拉第笼4用于隔绝笼体外电磁波对整个测量装置的电磁干扰。
供电单元2用于为整个测量装置供电。优选地，供电单元2固定在无磁辅助***支架3上。
由于数据采集器1和供电单元2可能对空间磁测量结果产生一定的影响，故将数据采集器1和供电单元2置于无磁辅助***支架3内，使得对磁测量结果产生的影响固化，从而保证空间磁测量结果的准确性和有效性。其中，无磁辅助***支架为多层结构。
在实际使用本发明的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置进行航空磁测量时，将该测量装置置于航空平台上。低温超导SQUID传感器单元测量空间的磁场变化的信号，并传送至读出电路和姿态测量模块；读出电路和姿态测量模块将低温超导SQUID传感器单元所传送来的磁信号转换成电压/电流信号进行放大，同时获取低温超导SQUID传感器单元在测量时的实时姿态信息；数据采集器获取和存储读出电路和姿态测量模块所传送来的信号，从而可获知空间各处的磁信号，实现了航空磁测量。
优选地，无磁辅助***支架3和无磁杜瓦固定桶7均通过无磁固定螺栓10固定在无磁装置底撑板9上。供电单元2和数据采集器1均通过无磁固定螺栓10固定在无磁辅助***支架9上。
优选地，吸振材料8采用低频吸振垫。
优选地，法拉第笼4采用多目金属材质法拉第笼。
在本发明的一个优选实施例中，在无磁装置底撑板底部9设置有吸振部件11，以消减航空磁测量过程中引入的高频机械振动。优选地，吸振部件11为铃型，采用橡胶材质。
综上所述，本发明的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置提升低温超导SQUID***对测试外场复杂环境的抗干扰能力，消减航空磁测量过程中引入的高、低频机械振动；稳定了***的性能，保证了***的正常工作。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：包括数据采集器、供电单元、无磁辅助***支架、法拉第笼、读出电路和姿态测量模块、低温超导SQUID传感器单元、无磁杜瓦固定桶、吸振材料、无磁装置底撑板和吸振部件；
所述无磁辅助***支架和所述无磁杜瓦固定桶均固定在所述无磁装置底撑板上；所述低温超导SQUID传感器单元置于所述无磁杜瓦固定桶内，且所述低温超导SQUID传感器单元和所述无磁杜瓦固定桶间填充有所述吸振材料；所述数据采集器和所述供电单元置于所述无磁辅助***支架上；所述吸振部件设置在所述无磁装置底撑板的底部；
所述低温超导SQUID传感器单元用于测量空间的磁场变化的信号；
所述读出电路和姿态测量模块与所述低温超导SQUID传感器单元相连，包括读出电路和姿态测量模块，所述读出电路用于所述将低温超导SQUID传感器单元传送来的信号放大后输出，所述姿态测量模块用于获取低温超导SQUID传感器单元在测量时的实时姿态信息；
所述数据采集器与所述读出电路和姿态测量模块相连，用于接收和存储读出电路和姿态测量模块传送来的信号；
所述法拉第笼包覆整个测量装置。
2.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述低温超导SQUID传感器单元包括SQUID器件组、液氦、杜瓦和多层单面导电金属薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述数据采集器包括A/D采集卡和微控制器。
4.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述法拉第笼用于隔绝笼体外电磁波对整个测量装置的电磁干扰。
5.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述无磁辅助***支架和所述无磁杜瓦固定桶均通过无磁固定螺栓固定在所述无磁装置底撑板上。
6.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述供电单元和所述数据采集器均通过无磁固定螺栓固定在所述无磁辅助***支架上。
7.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述吸振材料采用低频吸振垫。
8.根据权利要求1所述的基于低温超导SQUID的航空磁测量装置，其特征在于：所述吸振部件为铃型吸振部件。
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