[发明专利]一种基于超导磁传感器的数字化实时磁场补偿装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导磁传感器的磁场补偿装置及方法，尤其是一种通过数字电路和传统磁通锁定环组成二阶负反馈系统实现外部干扰磁场实时补偿的方法。属于超导应用技术领域。

背景技术

由超导量子干涉仪(SQUID)组成的超导磁传感器是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在磁屏蔽室内和静态工作环境下已有众多应用，但在无屏蔽环境或者运动平台中，由于地球磁场漂移或者切割地球磁力线等外部因素引入的磁场干扰极容易导致高灵敏度的SQUID读出电路出现基线漂移甚至溢出而无法正常工作。

磁补偿方法是目前一种很实用的防止SQUID读出电路基线漂移或者溢出的方法，已知的磁补偿方法均采用复杂的亥姆霍兹线圈和灵活性相对较差的模拟电路来实现。

CN201010228159专利公布了一种基于空间相关性的磁场主动补偿系统和方法，该系统利用磁通门和参考亥姆霍兹线圈处的环境波动反馈到测量亥姆霍兹线圈，虽然可以实现该线圈内三轴环境磁场的动态补偿，但是亥姆霍兹线圈构造复杂、体积较大，而且额外增加一个磁通门传感器，实际使用时有诸多不便，不适合在运动和野外环境下工作。

又如，CN102353911A专利公布了一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，主要适用于待测磁场信号频率高雨环境场扰动频段（DC～30Hz）的应用环境，该方法在传统磁通锁定环（FLL）读出电路的基础上引入具有不同通带特性的两级负反馈设计，分别实现高灵敏度磁场信号的读取和低频磁场干扰的补偿。虽然该方法可在不影响微弱信号测量的前提下抑制环境场扰动对SQUID磁测量的影响，但是因为采用模拟电路以及未对FLL直流偏置进行预调节，鉴于SQUID在磁通锁定后的直流偏置具有一定的随机性，所以实际工作时会在二阶负反馈环路中引入不确定因素，而且灵活性和自动化程度也不如数字实现方法，尤其是低通滤波器和针对工频干扰的陷波滤波器的实现。此外，考虑到SQUID读出电路对摆率的敏感性，未加入软启动的二阶负反馈极容易导致SQUID工作点漂移。

综上所述，现有磁补偿方法在运动和野外环境下工作时，均存在适用性和可靠性问题，或自动化和灵活性程度不够，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。从而引导出本发明的构思。

发明内容

为了解决现有的磁补偿方法在运动和野外环境下应用的局限性,针对待补偿和待测量信号频段存在差异的应用领域，本发明目的在于提供一种通过数字电路和传统磁通锁定环组成二阶负反馈系统实现外部干扰磁场实时自动补偿装置及方法，本发明提供的方法不仅能简化磁补偿装置，而且能方便地实现数字化、自动化和软启动，从而提高磁补偿装置的灵活性、可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所采用磁补偿装置通常由参考磁传感器、磁补偿电路和线圈三部分组成，其中参考磁传感器可以是磁通门、磁阻或者SQUID，主要用于测量待补偿区域的磁场信号；磁补偿电路则从参考磁传感器测得的磁场信号中提取出待补偿频段的信号，然后按照某种函数关系通过补偿线圈形成负反馈，对特定区域的特定磁场进行补偿。

本发明采用SQUID作为参考磁传感器，并把由SQUID组成的传统磁通锁定环电路输出作为数字PID（proportional–integral–derivative）磁补偿电路的输入，然后充分利用SQUID自身的feedback线圈，将其作为磁补偿反馈线圈，从而最终构建一个基于超导磁传感器和二阶负反馈的数字实时磁补偿装置。此磁补偿装置可以实现对待补偿频段的信号进行抑制，同时使磁通锁定环电路可以在高灵敏的工作状态下只输出待测量频段的信号。需要特别注意和强调的是待补偿和待测量信号频段须存在差异，可以通过滤波器进行分离。