專利名稱：梯度計(jì)等效誤差面積系數(shù)的室溫標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種梯度計(jì)等效誤差面積的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是 目前已知最靈敏的磁傳感器，典型低溫超導(dǎo)SQUID的磁場(chǎng)靈敏度為3-5fT/sqrt(Hz)，如此 高的靈敏度，使其在生物磁探測(cè)和研究方面有廣泛的應(yīng)用V. Pizzela et al, Supercond. Sci. Technol. 14(2001)R79-R114。生物磁信號(hào)微弱，典型強(qiáng)度低于ΙΟΟρΤ，而環(huán)境磁場(chǎng)的典型強(qiáng)度為30-50 μ T，為 了在如此強(qiáng)的環(huán)境磁場(chǎng)中檢測(cè)信號(hào)，需要采取有效的噪聲抑制手段。目前，最常使用的噪 聲抑制方案是梯度計(jì)技術(shù)，尤其是在非屏蔽環(huán)境下K. Stemickel et al, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S160-S171。梯度計(jì)是SQUID進(jìn)行磁場(chǎng)檢測(cè)的探測(cè)線圈，兩個(gè)線繞的磁 強(qiáng)計(jì)反向串接構(gòu)成一階梯度計(jì)。根據(jù)階數(shù)的不同，梯度計(jì)可分為一階、二階或者更高階，通 常把距離信號(hào)源最近的線圈稱為接收線圈，遠(yuǎn)的線圈稱為補(bǔ)償線圈。一階梯度計(jì)能有效地 抑制均勻磁場(chǎng)，對(duì)磁場(chǎng)的一階梯度產(chǎn)生響應(yīng)，依此類推更高階的梯度計(jì)。理想情況下，梯度 計(jì)對(duì)均勻磁場(chǎng)不產(chǎn)生響應(yīng)。實(shí)際制作過(guò)程中，由于機(jī)械加工、繞制工藝的等誤差，梯度計(jì)不 可避免地存在不平衡性，導(dǎo)致其對(duì)均勻磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一定的響應(yīng)，其不平衡響應(yīng)可等效為 一個(gè)誤差面積，以接收線圈面積為基準(zhǔn)，等效誤差面積可表示成一個(gè)誤差系數(shù)。梯度計(jì)的不平衡性導(dǎo)致其工作性能降低，特別是在無(wú)屏蔽環(huán)境下，平衡性差 的梯度計(jì)信號(hào)幅度變化大，容易溢出，因此在實(shí)際使用中，需要對(duì)梯度計(jì)的不平衡性進(jìn) 行標(biāo)定，以供優(yōu)化選擇。目前，最常使用的標(biāo)定方法是低溫標(biāo)定法，采用Helmholtz線 圈產(chǎn)生均勻場(chǎng)對(duì)梯度計(jì)的不平衡性進(jìn)行標(biāo)定M. A. Nordahn et al，Supercond. Sci. Technol. 12 (1999) 946-948。此方法雖然有效，但標(biāo)定成本高，效率低，探尋優(yōu)化的標(biāo)定方 法顯得尤為必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種超導(dǎo)梯度計(jì)等效誤差面積的標(biāo)定方法，與傳統(tǒng)不同，本標(biāo)定方法是 在室溫下利用螺線管產(chǎn)生一定頻率的均勻磁場(chǎng)，由于誤差面積的存在，該磁場(chǎng)在梯度線圈 中產(chǎn)生一定頻率的電壓信號(hào)，利用鎖相放大原理進(jìn)行微弱信號(hào)的提取，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)面積誤差系數(shù)的標(biāo)定。具體地說(shuō)，本發(fā)明所述的室溫標(biāo)定方法包括以下三部分(1)梯度計(jì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)理論計(jì)算給定一定頻率ω的正弦信號(hào)，螺線管中的磁場(chǎng)可表示為B = B0 · = μ 0nl0 ·其中l(wèi)·^為真空中的磁導(dǎo)率，η為單位長(zhǎng)度螺線管的匝數(shù)，Itl為螺線管中的電流。根據(jù)梯度計(jì)的誤差面積AS，均勻磁場(chǎng)下的總磁通為
根據(jù)Faraday定理，采用螺線管作為均勻磁場(chǎng)源，梯度計(jì)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 (2)測(cè)試系統(tǒng)搭建及測(cè)量利用信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電路、螺線管、梯度計(jì)、示波器及鎖相放大器搭建標(biāo)定測(cè)試 系統(tǒng)，其中示波器監(jiān)測(cè)螺線管電流，鎖相放大器檢測(cè)梯度計(jì)輸出信號(hào)。在一定的頻率下，改 變信號(hào)幅度，記錄相應(yīng)示波器及鎖相放大器的電壓信號(hào)。(3)電壓線性擬合和梯度計(jì)等效誤差面積系數(shù)計(jì)算根據(jù)測(cè)量的示波器檢測(cè)電壓Vm和鎖相放大器電壓\，線性擬合以確定兩電壓的系 數(shù)關(guān)系 其中a為直線斜率，b為偏移量。利用理論計(jì)算的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和監(jiān)控電壓對(duì)應(yīng)的電阻Rm，得 由此可得等效誤差面積
D “=
μ0ηω已知梯度計(jì)探測(cè)線圈的面積S，可計(jì)算等效誤差面積系數(shù)
AS Rmaη^ — = ~^
S μ0ηω 在(2)中，梯度計(jì)引出線采用交叉雙絞線結(jié)構(gòu)，避免誤差磁通，此措施可保證本征 誤差磁通可忽略不計(jì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明在室溫下進(jìn)行，操作方便，有效地降 低了標(biāo)定成本，提高了效率，為高平衡度梯度計(jì)的選擇提供了有效技術(shù)途徑，保證了梯度計(jì) 的及時(shí)選擇。


圖1是SQUID接收線圈示意圖；圖中1為磁強(qiáng)計(jì)；2為一階梯度計(jì)；3為二階梯度 計(jì)。圖2是標(biāo)定的測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖；圖中4為信號(hào)發(fā)生器；5為恒壓源驅(qū)動(dòng)電路； 6為螺線管；7為梯度計(jì)；8為示波器；9為鎖相放大器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。1、已知螺線管6的固定參數(shù)η及真空磁導(dǎo)率Ptl，給定一定頻率ω的電流，計(jì)算螺 線管軸向方向均勻磁場(chǎng)強(qiáng)度Btl，設(shè)定一誤差面積△ S，根據(jù)均勻磁場(chǎng)計(jì)算梯度計(jì)7的感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)ε。
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2、依圖2所示，信號(hào)發(fā)生器4與恒壓源驅(qū)動(dòng)電路5相連接，恒壓源驅(qū)動(dòng)電路的輸出 端又分別與螺線管6和示波器8相連接。梯度計(jì)7的位置置于螺線管6的軸向中心位置， 以保證梯度計(jì)7及螺線管6的軸向方向一致。信號(hào)發(fā)生器4輸入一定頻率ω的電壓信號(hào) 到恒壓源驅(qū)動(dòng)電路5，驅(qū)動(dòng)螺線管6產(chǎn)生相應(yīng)頻率的均勻磁場(chǎng)，用示波器8監(jiān)控螺線管支路 參考電阻Rm的電壓Vm。以信號(hào)發(fā)生器4輸出信號(hào)為鎖相放大器9的參考信號(hào)，采用鎖相放 大器9檢測(cè)梯度計(jì)7的感應(yīng)電壓信號(hào)\。測(cè)量過(guò)程中，在一定的頻率下，改變信號(hào)發(fā)生器的 電壓，測(cè)量一組監(jiān)控電壓Vm及鎖相電壓值\。使用梯度計(jì)如圖1中一階梯度計(jì)或二階梯度 計(jì)。3、以固定電阻監(jiān)控電壓信號(hào)Vm為橫軸，鎖相放大器電壓信號(hào)\為縱軸，進(jìn)行線性 擬合，得出線性斜率a，設(shè)定一等效誤差面積Δ S，利用等效誤差面積計(jì)算公式，即可定量求 得AS。以探測(cè)線圈面積S為基準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)等效誤差面積系數(shù)η的標(biāo)定。
權(quán)利要求
一種梯度計(jì)等效誤差面積系數(shù)的標(biāo)定方法，其特征在于在室溫下利用螺線管產(chǎn)生一定頻率的均勻磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在梯度線圈中產(chǎn)生一定頻率的電壓信號(hào)，利用鎖相放大原理進(jìn)行微弱信號(hào)的提取，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)面積誤差系數(shù)的標(biāo)定。
2.按權(quán)利要求1所述的標(biāo)定方法，其特征在于所述的包括以下三個(gè)部分，(1)梯度計(jì)感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)理論計(jì)算；(2)測(cè)試系統(tǒng)搭建及測(cè)量；(3)電壓線性擬合的梯度計(jì)等效誤差面積系 數(shù)計(jì)算；其中，在(1)中，以螺線管作為均勻磁場(chǎng)源，利用電磁感應(yīng)進(jìn)行輸出信號(hào)計(jì)算，梯度計(jì) 線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε表示為ε = ω · μ οηΙ0 · AS ·式中ω為一定頻率的正弦信號(hào)，μ。為真空中磁導(dǎo)率，η為單位長(zhǎng)度螺線管的匝數(shù)，I0 為螺線管中的電流；AS為梯度計(jì)等效誤差面積；在(2)中，利用信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)電路、螺線管、梯度計(jì)、示波器及鎖相放大器搭建標(biāo)定 測(cè)試系統(tǒng)，其中示波器監(jiān)測(cè)螺線管電流，利用鎖相放大器檢測(cè)梯度計(jì)輸出信號(hào)；在一定的頻 率下，改變信號(hào)幅度，記錄相應(yīng)示波器及鎖相放大器的電壓信號(hào)；在(3)中，梯度計(jì)等效誤差面積系數(shù)計(jì)算首先，根據(jù)測(cè)量的示波器檢測(cè)電壓Vm和鎖相放大器電壓\，線性擬合以確定兩電壓的 系數(shù)關(guān)系Vl = aVffl+b其中a為直線斜率，b為偏移量。②利用理論計(jì)算的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和監(jiān)控電壓對(duì)應(yīng)的電阻Rm，得Vl = ωμ0η^· ASa = ω·^-· ASJRmRm等效誤差面積為 μ0ηω③已知梯度計(jì)探測(cè)線圈的面積S，計(jì)算等效誤差面積系數(shù)AS Raη =——=——-~ο S μ^πωΞ
3.按權(quán)利要求2所述的標(biāo)定方法，其特征在于在標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)中梯度計(jì)置于螺線管的 軸向中心位置，使螺線管和梯度計(jì)的軸向方向一致，信號(hào)發(fā)生器與恒壓源驅(qū)動(dòng)電路相連接， 恒壓源驅(qū)動(dòng)電路又分別與螺線管連接和示波器連接，輸入一定頻率ω的電壓信號(hào)到恒壓 源驅(qū)動(dòng)電路中，驅(qū)動(dòng)螺線管產(chǎn)生相應(yīng)的均勻磁場(chǎng)；示波器監(jiān)控螺線管支路參考電阻Rm的電 壓Vm ；以信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)為鎖相放大器的參考信號(hào)，采用鎖相放大器檢測(cè)梯度計(jì)的感 應(yīng)電壓信號(hào)測(cè)量過(guò)程中，在一定的頻率下，改變信號(hào)發(fā)生器的電壓，測(cè)量一組監(jiān)控電壓 Vm及鎖相電壓值\。
4.按權(quán)利要求2所述的標(biāo)定方法，其特征在于所述的電壓線性擬合是以固定電阻監(jiān)控 電壓信號(hào)Vm為橫軸，鎖相放大器電壓信號(hào)\為縱軸，進(jìn)行線性擬合，得出線性斜率a。
5.按權(quán)利要求2或3所述的標(biāo)定方法，其特征在于梯度計(jì)的引線采用交叉雙絞線結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種梯度計(jì)等效誤差面積系數(shù)的標(biāo)定方法利用螺線管產(chǎn)生一定頻率的均勻磁場(chǎng)，由于誤差面積的存在，該磁場(chǎng)在梯度線圈中產(chǎn)生一定頻率的電壓信號(hào)，利用鎖相放大原理進(jìn)行微弱信號(hào)的提取，理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)面積誤差系數(shù)的標(biāo)定?；谝陨虾?jiǎn)述，本方法主要包括三個(gè)部分(1)梯度計(jì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)理論計(jì)算；(2)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建及測(cè)量；(3)梯度計(jì)等效誤差面積系數(shù)計(jì)算。相對(duì)于傳統(tǒng)的低溫標(biāo)定方法，本方法基于室溫，有效地降低了標(biāo)定成本，提高了標(biāo)定效率，為高平衡度梯度計(jì)的選擇提供了有效的技術(shù)途徑。
文檔編號(hào)G01R35/00GK101923152SQ20101021297
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者劉揚(yáng)波, 張樹(shù)林, 王永良, 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