可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其至少包括依次相連的磁傳感器、放大調(diào)理電路、零點(diǎn)可重置的積分電路、驅(qū)動(dòng)電路及反饋線圈，其中，所述磁傳感器放置在所述反饋線圈產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的中心局域；所述反饋線圈在其中心區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與所述磁傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)的方向相同；所述零點(diǎn)可重置的積分電路采用外部的控制輸入信號(hào)來(lái)控制其復(fù)位和啟動(dòng)。本實(shí)用新型的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置避免在復(fù)位后積分器重新為0建立平衡的時(shí)間，從而快速實(shí)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)的穩(wěn)定，其可配合需要復(fù)位的SQUID微弱磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)SQUID探測(cè)器運(yùn)行環(huán)境磁磁場(chǎng)的平穩(wěn)，確保SQUID傳感器以最大靈敏度測(cè)量，且不造成溢出。
【專利說(shuō)明】可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及磁場(chǎng)消除的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device, SQUID)是目前已知的最靈敏的磁傳感器，其中低溫超導(dǎo)SQUID的靈敏度優(yōu)于10飛特，高溫超導(dǎo)SQUID的靈敏度優(yōu)于100飛特。因此，SQUID是一種重要的高端應(yīng)用傳感器，其廣泛應(yīng)用于生物磁、地球物理探測(cè)、極低場(chǎng)核磁共振儀器等設(shè)備中。
[0003]由于SQUID的靈敏度很高，在無(wú)屏蔽環(huán)境下工作時(shí)，使用SQUID的弱磁探測(cè)系統(tǒng)易受到外部環(huán)境磁場(chǎng)的干擾，而造成傳感器溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此需要使用環(huán)境磁場(chǎng)消除裝置來(lái)消除外部磁場(chǎng)的干擾，保持SQUID傳感器探頭所在區(qū)域環(huán)境磁場(chǎng)平穩(wěn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，避免因磁場(chǎng)波動(dòng)太大以至于超出傳感器測(cè)量量程。
[0004]目前抑制環(huán)境干擾的方法包括采用屏蔽室和采用主動(dòng)磁場(chǎng)消除裝置。屏蔽室采用反磁性的坡莫合金來(lái)抵消外部磁場(chǎng)，該方案需要建造一個(gè)大型裝置，形成一個(gè)封閉空間，在該空間內(nèi)磁場(chǎng)得到抑制。但是該方案造價(jià)昂貴，移動(dòng)性和靈活性差，難以在一般應(yīng)用中推廣。
[0005]采用主動(dòng)磁場(chǎng)消除裝置來(lái)抑制環(huán)境場(chǎng)干擾的方案是基于積分負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)磁傳感器檢測(cè)所在區(qū)域的磁場(chǎng)，磁傳感器的輸出電壓輸入放大調(diào)理電路再接入積分器；如果積分器的輸出端不為零，則積分器開(kāi)始積分，積分器的輸出隨著積分開(kāi)始調(diào)整變化。積分器的輸出再驅(qū)動(dòng)反饋線圈來(lái)產(chǎn)生抵消磁傳感器所在區(qū)域磁場(chǎng)，使得磁傳感器輸出經(jīng)放大調(diào)理后送入積分器的輸入為零。此時(shí)積分器停止積分，整個(gè)反饋電路達(dá)到平衡，傳感器所在區(qū)域的磁場(chǎng)平穩(wěn)。因此基于積分負(fù)反饋原理的磁場(chǎng)消除裝置通過(guò)磁場(chǎng)檢測(cè)、放大、積分、和磁場(chǎng)負(fù)反饋路徑，構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路，來(lái)抵消的環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)。
[0006]通過(guò)上述原理，實(shí)現(xiàn)了磁傳感器所在區(qū)域環(huán)境磁場(chǎng)的平穩(wěn)，在該區(qū)域放置SQUID磁探測(cè)系統(tǒng)，可使SQUID探測(cè)器在平穩(wěn)的環(huán)境磁場(chǎng)下工作，可提供SQUID傳感器的靈敏度，避免溢出。該方案簡(jiǎn)單、造價(jià)低、經(jīng)濟(jì)適用，成為抑制環(huán)境干擾的首選方案。
[0007]上述通過(guò)負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)的環(huán)境磁場(chǎng)消除裝置由磁傳感器、放大調(diào)理電路、積分電路和反饋線圈驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。其中積分電路是磁場(chǎng)消除裝置的運(yùn)算電路，其工作原理是，磁傳感器的輸出電壓經(jīng)放大器放大后接入積分器，積分器根據(jù)輸入電壓進(jìn)行隨時(shí)間的積分，來(lái)調(diào)整其輸出電壓，從而驅(qū)動(dòng)反饋線圈來(lái)調(diào)整傳感器所在區(qū)域的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)的消除。因此整個(gè)環(huán)境磁場(chǎng)消除裝置是基于磁場(chǎng)負(fù)反饋原理，通過(guò)積分器不斷產(chǎn)生抵消磁場(chǎng)，直到輸入積分器的電壓為O。基于反饋原理的環(huán)境磁場(chǎng)消除裝置會(huì)始終將磁場(chǎng)消除到零或某個(gè)設(shè)定的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使得反饋裝置中積分器的輸入端為0，積分器輸入為O時(shí)的狀態(tài)稱為磁場(chǎng)消除裝置的穩(wěn)定工作點(diǎn)。環(huán)境磁場(chǎng)消除裝置工作后，始終將磁場(chǎng)穩(wěn)定在設(shè)定的工作點(diǎn)下。[0008]從上述磁場(chǎng)消除裝置的工作原理可知，由于地球磁場(chǎng)的存在，補(bǔ)償裝置的磁傳感器所在位置的磁場(chǎng)不為零，因此上述反饋補(bǔ)償電路，在反饋補(bǔ)償電路閉環(huán)工作后，由于傳感器所在區(qū)域磁場(chǎng)不為工作點(diǎn)要求的零或某個(gè)設(shè)定值，因此傳感器信號(hào)送入到積分器輸入端不為零。那么上述反饋補(bǔ)償電路，首先要驅(qū)動(dòng)積分器積分，積分器輸出電壓驅(qū)動(dòng)反饋線圈，產(chǎn)生反向磁場(chǎng)對(duì)這部分地球環(huán)境磁場(chǎng)進(jìn)行抵消，直到積分器輸入端回到零點(diǎn)，建立平衡。因此該反饋電路每次重新啟動(dòng)反饋補(bǔ)償時(shí)，電路需要經(jīng)過(guò)一段過(guò)渡時(shí)間，通過(guò)積分器產(chǎn)生抵消地球磁場(chǎng)的反向磁場(chǎng)，將地球磁場(chǎng)抵消掉，之后上述磁場(chǎng)消除反饋回路，通過(guò)積分器對(duì)工作點(diǎn)附近的小波動(dòng)積分，產(chǎn)生環(huán)境場(chǎng)波動(dòng)抵消磁場(chǎng)。保持磁傳感器所在區(qū)域的磁場(chǎng)為零，消除環(huán)境場(chǎng)的波動(dòng)。
[0009]上述的磁場(chǎng)主動(dòng)抵消裝置，由于環(huán)境磁場(chǎng)的存在，使得啟動(dòng)后積分器輸入端不為零，即不在工作點(diǎn)上。因此在啟動(dòng)后首先要先抵消地球磁場(chǎng)這種已經(jīng)存在的磁場(chǎng)，進(jìn)行工作點(diǎn)重建。積分器輸出電壓驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消了固有的環(huán)境磁場(chǎng)，使得積分器輸入為零后，才能使環(huán)境場(chǎng)抵消裝置回到工作點(diǎn)上，并在工作點(diǎn)上，通過(guò)負(fù)反饋回路消除磁傳感器所在區(qū)域磁場(chǎng)的波動(dòng)，再建立穩(wěn)定的平衡。上述過(guò)程是現(xiàn)有磁場(chǎng)消除裝置在啟動(dòng)后必須要經(jīng)歷的工作點(diǎn)恢復(fù)的過(guò)程。由于受積分器積分時(shí)間常數(shù)的限制，磁場(chǎng)消除裝置恢復(fù)工作點(diǎn)需要一段時(shí)間，且該時(shí)間受啟動(dòng)前環(huán)境磁場(chǎng)與工作點(diǎn)設(shè)定的磁場(chǎng)的偏差影響，因此啟動(dòng)時(shí)間不確定。
[0010]在一些SQUID系統(tǒng)應(yīng)用中，如低場(chǎng)核磁共振檢測(cè)系統(tǒng)，由于要加載對(duì)磁傳感器有影響的極化磁場(chǎng)，因此要求在極化磁場(chǎng)開(kāi)啟時(shí)，所有的磁傳感器系統(tǒng)暫時(shí)復(fù)位不工作，而是在極化磁場(chǎng)撤除后與SQUID磁探測(cè)器同時(shí)工作，啟動(dòng)樣品核磁共振信號(hào)的測(cè)量。因此在極低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)中，應(yīng)用磁場(chǎng)消除裝置，要求復(fù)位解除后，立即啟動(dòng)環(huán)境磁場(chǎng)抑制，消除環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)。因此上述傳統(tǒng)環(huán)境磁場(chǎng)消除裝置，由于啟動(dòng)過(guò)程存在，無(wú)法使磁場(chǎng)立刻平穩(wěn)，
[0011]在這類需要先激勵(lì)后測(cè)量的應(yīng)用中，由于激勵(lì)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)磁場(chǎng)消除裝置的穩(wěn)定工作造成破壞，在極化期間，要復(fù)位磁場(chǎng)消除裝置的積分器，使積分器輸出保持為零，以避免對(duì)極化磁場(chǎng)做出響應(yīng)。極化磁場(chǎng)撤除后，磁場(chǎng)消除裝置的積分器啟動(dòng)工作，受積分器時(shí)間常數(shù)限制，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，磁場(chǎng)消除裝置才能重新回到工作點(diǎn)上。在重新穩(wěn)定工作的這段時(shí)間內(nèi)，浪費(fèi)了樣品信號(hào)檢測(cè)的時(shí)機(jī)，同時(shí)由于被測(cè)樣品的磁場(chǎng)沒(méi)有穩(wěn)定，也對(duì)樣品的核磁共振信號(hào)產(chǎn)生破壞。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0012]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，用于解決現(xiàn)有磁場(chǎng)消除裝置在先激勵(lì)后檢測(cè)的SQUID弱磁探測(cè)系統(tǒng)中磁場(chǎng)消除應(yīng)用的缺陷，提供一種可復(fù)位的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其在外部控制輸入信號(hào)的控制下，復(fù)位時(shí)輸出為零，積分器不工作；啟動(dòng)后可立即消除啟動(dòng)時(shí)刻起環(huán)境磁場(chǎng)變化量，即消除增量磁場(chǎng)。
[0013]其中，可復(fù)位是指和超導(dǎo)量子干涉器SQUID磁探測(cè)系統(tǒng)一同在復(fù)位命令的控制下，輸出歸零，積分器不工作，躲避激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的干擾。增量電壓積分是指在積分器復(fù)位控制解除后，積分器只對(duì)輸入電壓與解除時(shí)刻電壓值的差值，即增量電壓進(jìn)行積分。積分器從零開(kāi)始輸出增量積分的電壓，并通過(guò)反饋線圈形成的負(fù)反饋磁場(chǎng)消除裝置實(shí)現(xiàn)了從復(fù)位解除時(shí)刻起的增量磁場(chǎng)的消除和抑制。
[0014]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實(shí)用新型提供一種可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其至少包括依次相連的磁傳感器、放大調(diào)理電路、零點(diǎn)可重置的積分電路、驅(qū)動(dòng)電路及反饋線圈，
[0015]其中，所述磁傳感器放置在所述反饋線圈產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的中心局域；所述反饋線圈在其中心區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與所述磁傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)的方向相同；
[0016]所述零點(diǎn)可重置的積分電路采用外部的控制輸入信號(hào)來(lái)控制其復(fù)位和啟動(dòng)；通過(guò)控制所述控制輸入信號(hào)，所述零點(diǎn)可重置的積分電路在復(fù)位期間不工作，在復(fù)位結(jié)束后啟動(dòng)積分功能，且只對(duì)復(fù)位結(jié)束時(shí)刻的輸入電壓的增量進(jìn)行積分。
[0017]根據(jù)上述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其中:所述反饋線圈為亥姆霍茲線圈。
[0018]根據(jù)上述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其中:所述零點(diǎn)可重置的積分電路包括減法器、采樣/保持器和積分器，其中，所述減法器正輸入端和采樣/保持器的輸入端均與所述放大調(diào)理電路的輸出端相連；所述采樣/保持器的輸出端接入減法器的負(fù)輸入端；所述減法器的輸出端再接入所述積分器；所述采樣/保持器通過(guò)所述控制輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣和保持的切換。
[0019]根據(jù)上述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其中:所述零點(diǎn)可重置的積分電路的結(jié)構(gòu)如下:所述積分電路的輸入端接電阻R1;電阻&另一端接運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端；積分電容Q —端接入運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端，另一端接入運(yùn)算放大器U1的輸出端；電阻R2 一端接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端接入單刀雙擲開(kāi)關(guān)的定點(diǎn)；單刀雙擲開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)接地，常開(kāi)觸點(diǎn)接入運(yùn)算放大器U1的輸出端；采樣/保持器的輸入端接積分電路的輸入端，輸出端接入電阻R3，電阻&另一端接入運(yùn)算放大器U1的正輸入端；運(yùn)算放大器U1的正輸入端接入電阻r4和電容c2，電阻r4和電容C2另一端都接地；運(yùn)算放大器U1的輸出端所述接積分電路的輸出端；采樣/保持器和單刀雙擲開(kāi)關(guān)由同一控制輸入信號(hào)控制。
[0020]根據(jù)上述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其中:所述零點(diǎn)可重置的積分電路包括加法器、采樣/保持器、運(yùn)算放大器和積分器，其中，所述放大調(diào)理電路的輸出端接入所述加法器的一個(gè)輸入端；所述加法器的輸出端接入所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和所述積分器，所述運(yùn)算放大器的正輸入端接地，所述運(yùn)算放大器的輸出端接入所述采樣/保持器的輸入端，所述采樣/保持器的輸出端接入所述加法器的另一端；所述采樣/保持器通過(guò)所述控制輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣和保持的切換。
[0021]根據(jù)上述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其中:所述零點(diǎn)可重置的積分電路的結(jié)構(gòu)如下:所述積分電路的輸入端接電阻R1;電阻&的另一端接入運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器U1的正輸入端接地；電阻R2—端接運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端，另一端接采樣/保持器的輸出端；采樣/保持器的輸入端連接運(yùn)算放大器U1的輸出端；積分電容仏的一端接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端接所述積分電路的輸出端；電阻R3 —端接所述積分電路的輸出端，另一端接地；單刀單擲開(kāi)關(guān)的一端連接運(yùn)算放大器U1的輸出端，另一端連接所述積分電路的輸出端；采樣/保持器和單刀雙擲開(kāi)關(guān)由同一控制輸入信號(hào)控制。
[0022]根據(jù)上述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其中:所述磁傳感器為磁電阻傳感器或磁通門傳感器或者是置于磁場(chǎng)消除區(qū)域的采用超導(dǎo)量子干涉器件的磁強(qiáng)計(jì)。[0023]如上所述，本實(shí)用新型的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，具有以下有益效果:
[0024](1)該磁場(chǎng)消除裝置可復(fù)位，與帶有射頻或強(qiáng)場(chǎng)激勵(lì)的SQUID高靈敏度磁信號(hào)檢測(cè)裝置配合工作時(shí)，可通過(guò)與SQUID傳感器同步復(fù)位的控制，避開(kāi)激勵(lì)磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)干擾；
[0025](2)本實(shí)用新型在傳統(tǒng)的基于反饋原理的磁場(chǎng)消除裝置基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種零點(diǎn)可任意重置的積分電路，即以復(fù)位解除時(shí)刻的環(huán)境磁場(chǎng)為工作零點(diǎn)，積分器從零開(kāi)始積分，消除從此刻起環(huán)境磁場(chǎng)的增量。由于零點(diǎn)可重置積分電路啟動(dòng)后，立即獲得零點(diǎn)重置的工作點(diǎn)，快速啟動(dòng)環(huán)境場(chǎng)波動(dòng)抵消功能，因此啟用速度快，最大限度地保留了 SQUID探測(cè)信號(hào)的時(shí)機(jī)，克服了傳統(tǒng)磁場(chǎng)消除裝置受固定工作點(diǎn)限制，而造成啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、浪費(fèi)信號(hào)探測(cè)時(shí)機(jī)、破壞信號(hào)質(zhì)量的缺陷，完全能滿足基于SQUID的微弱磁探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求；
[0026](3)該可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置保持被測(cè)樣品區(qū)域的環(huán)境磁場(chǎng)穩(wěn)定，消除環(huán)境磁場(chǎng)的波動(dòng)，避免SQUID探測(cè)器輸出的溢出，同時(shí)不對(duì)樣品信號(hào)造化影響。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1顯示為本實(shí)用新型的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2顯示為本實(shí)用新型的零點(diǎn)可重置的積分電路的第一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3顯示為本實(shí)用新型的零點(diǎn)可重置的積分電路的第一優(yōu)選實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖4顯示為本 實(shí)用新型的零點(diǎn)可重置的積分電路的第二優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5顯示為本實(shí)用新型的零點(diǎn)可重置的積分電路的第二優(yōu)選實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。
[0032]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0033]1磁傳感器
[0034]2放大調(diào)理電路
[0035]3 零點(diǎn)可重置的積分電路
[0036]4 驅(qū)動(dòng)電路
[0037]5反饋線圈
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0039]需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本實(shí)用新型的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實(shí)用新型中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0040]圖1是本實(shí)用新型的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，其包括依次相連的磁傳感器1、放大調(diào)理電路2、零點(diǎn)可重置的積分電路3、驅(qū)動(dòng)電路4及反饋線圈5。磁傳感器1放置在反饋線圈5產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的中心局域；反饋線圈5在其中心區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與磁傳感器1檢測(cè)到的磁場(chǎng)的方向相同
[0041]其中，磁傳感器1采用采用矢量磁敏傳感器，如磁電阻傳感器或磁通門傳感器，或者是置于磁場(chǎng)消除區(qū)域的采用超導(dǎo)量子干涉器件的磁強(qiáng)計(jì)。
[0042]放大調(diào)理電路2用于對(duì)磁傳感器1輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。
[0043]本實(shí)用新型中的積分器利用電容充放電原理，對(duì)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行積分，積分輸出接驅(qū)動(dòng)電路4。
[0044]驅(qū)動(dòng)電路4將輸入的電壓同比例的轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)線圈的電流，使得線圈產(chǎn)生和輸入電壓成比例的磁場(chǎng)。
[0045]本實(shí)用新型中的反饋線圈5采用的是亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈為兩個(gè)完全相同的線圈，彼此平行且法向中心軸重合。根據(jù)亥姆霍茲線圈的原理，兩個(gè)線圈通同方向等值的電流，將在兩線圈的中心區(qū)域產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)。磁傳感器1放置在亥姆霍茲線圈的產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的中心局域，磁傳感器探頭檢測(cè)到的磁場(chǎng)向量和亥姆霍茲線圈在其中心區(qū)域產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向保持一致，這樣亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)才能產(chǎn)生抵消磁傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)抵消。
[0046]將磁傳感器1放置在要進(jìn)行環(huán)境磁場(chǎng)消除的空間中，磁傳感器1將檢測(cè)到的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸入放大調(diào)理電路2進(jìn)行放大。放大后的磁傳感器電壓信號(hào)接入積分電路3，積分電路3的輸出為積分器的輸入電壓隨時(shí)間的積分。積分器3的輸出電壓接入驅(qū)動(dòng)電路4，驅(qū)動(dòng)采用亥姆霍茲線圈構(gòu)成的反饋線圈5，從而產(chǎn)生反饋磁場(chǎng)。該反饋磁場(chǎng)將抵消在磁傳感器1附近的環(huán)境磁場(chǎng)，使得磁傳感器1輸出的電壓減小，直到輸入積分器的電壓為零，積分器停止積分。此時(shí)本實(shí)用新型的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)抵消。
[0047]特別地，本實(shí)用新型中的零點(diǎn)可重置的積分電路能夠使積分器只對(duì)從復(fù)位解除時(shí)刻起的增量電壓進(jìn)行積分，從而只消除從復(fù)位解除時(shí)刻起變化的環(huán)境磁場(chǎng)，而不消除已存在的環(huán)境磁場(chǎng)，可快速實(shí)現(xiàn)建立反饋平衡。
[0048]如圖2所示，本實(shí)用新型的零點(diǎn)可重置的積分電路的第一優(yōu)選實(shí)施例中，將放大后的磁傳感器電壓信號(hào)Vi分為兩路，一路接入減法器的正輸入端，另一路接入采樣/保持器的輸入端；采樣/保持器的輸出端接入減法器的負(fù)輸入端；減法器的輸出端再接入積分器，從而得到積分后的電壓信號(hào)Vo。
[0049]其中，采樣/保持器通過(guò)外部的控制輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣和保持的切換。定義控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，米樣/保持器工作在米樣模式下，此時(shí)米樣/保持器輸出同輸入端，等同于跟隨器。此時(shí)減法器輸出為零，積分器不工作，進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)?？刂戚斎胄盘?hào)為低電平時(shí)，采樣/保持器工作在保持模式下，其輸出為采樣跳變?yōu)楸３謺r(shí)刻的電壓。此時(shí)減法器輸出為保持時(shí)刻的輸入電壓\的增量，該增量送入積分器開(kāi)始積分，積分器進(jìn)入啟動(dòng)增量電壓積分狀態(tài)。
[0050]圖3即為上述零點(diǎn)可重置的積分電路的具體電路結(jié)構(gòu)。如圖所示，輸入電壓\分為兩路，一路接電阻R1; R:另一端接運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端。電容Q為積分電容，一端接入運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端，另一端接入運(yùn)算放大器U1的輸出端。電阻R2 —端接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端接入單刀雙擲開(kāi)關(guān)SW1的定點(diǎn)。SW1常閉觸點(diǎn)1接地，常開(kāi)觸點(diǎn)2接入運(yùn)算放大器U1的輸出端。SW1由控制輸入信號(hào)控制，當(dāng)控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，SW1切換到觸點(diǎn)2，電阻R2與運(yùn)算放大器U1的輸出端連接，構(gòu)成反比例放大器；當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，SW1切換到觸點(diǎn)1，電阻R2接地。輸入電壓\的另一路接入采樣/保持器，采樣/保持器的控制輸入信號(hào)與SW1的控制輸入信號(hào)為同一個(gè)控制輸入信號(hào)。在控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，采樣/保持器工作在采樣模式；控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，采樣/保持器工作在保持模式。采樣/保持器的輸出端接入電阻r3，電阻r3另一端接入運(yùn)算放大器U1的正輸入端，運(yùn)算放大器U1的輸出端接積分電路的輸出端。同時(shí)，運(yùn)算放大器U1的正輸入端接入電阻r4和電容c2，電阻r4和電容C2另一端都接地。電容C2和積分電容Ci的取值相同。電阻Rp R2、R3和R4的取值相同，通常取lk~10k。
[0051] 在上述電路中，在控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，米樣/保持器工作在米樣模式下。輸入電壓\分兩路接入運(yùn)算放大器正負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器U1的輸出為0，因此積分電路不工作，保持零輸出。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，采樣/保持器工作在保持模式下，同時(shí)，SW1切換到與觸點(diǎn)1接通模式，此時(shí)運(yùn)算放大器U1工作在積分器模式下，積分器輸出為輸入電壓跳變?yōu)楸３謺r(shí)刻的電壓增量對(duì)時(shí)間的積分。
[0052]如圖4所示，本實(shí)用新型的零點(diǎn)可重置的積分電路的第二優(yōu)選實(shí)施例中，放大后的磁傳感器電壓信號(hào)\接入加法器的一個(gè)輸入端，加法器輸出端接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端。運(yùn)算放大器的正輸入端接地，運(yùn)算放大器的輸出端接入采樣/保持器的輸入端，采樣/保持器的輸出端接入加法器的另一輸入端。同時(shí)，加法器的輸出端再接入積分器，從而得到積分后的電壓信號(hào)Vo。
[0053]采樣/保持器通過(guò)外部的控制輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣和保持的切換。定義控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，采樣/保持器工作在采樣模式下。加法器和運(yùn)算放大器構(gòu)成反比例放大器，采樣/保持器的輸出正好為-vi;則加法器的輸出為零，積分器不工作，進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)?？刂戚斎胄盘?hào)為低電平時(shí)，米樣/保持器工作在保持模式下。加法器的輸出為保持時(shí)刻的輸入電壓增量，該增量送入積分器開(kāi)始積分。
[0054]圖5即為上述零點(diǎn)可重置的積分電路的具體電路結(jié)構(gòu)。如圖所示，磁傳感器放大后的電壓信號(hào)\輸入到圖5中的電阻義，!^的另一端接入運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器U1的正輸入端接地。電阻R2 —端接運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端，另一端接采樣/保持器的輸出端。采樣/保持器由外部的控制輸入信號(hào)進(jìn)行采樣保持模式的控制，當(dāng)控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，采樣/保持器工作在采樣模式；當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，采樣/保持器工作在保持模式。采樣/保持器的輸入端連接運(yùn)算放大器U1的輸出端。電容q為積分電容，電容q的一端接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端接積分電路的輸出端。電阻1?3 —端接積分電路的輸出端，另一端接地，用于對(duì)積分電容Ci的放電。單刀單擲開(kāi)關(guān)SW1的一端連接運(yùn)算放大器U1的輸出端，另一端連接積分電路的輸出端。SW1的控制輸入信號(hào)與采樣/保持器的控制輸入信號(hào)為同一個(gè)控制輸入信號(hào)。控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，SW1斷開(kāi)；控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，SW1接通。
[0055]當(dāng)控制輸入信號(hào)為高電平時(shí)，米樣/保持器工作在米樣模式下，即輸出等同于輸入(1:1跟隨)。此時(shí)運(yùn)算放大器U1工作在反比例放大的模式下，即運(yùn)算放大器U1的輸出電壓為輸入電壓\的-民/%倍。根據(jù)運(yùn)算放大器正負(fù)輸入端虛短的工作原理，運(yùn)算放大器U1的負(fù)輸入端與正輸入端電壓是相同的，都為零電壓。同時(shí)SW1斷開(kāi)，即積分電路的輸出端Vo與運(yùn)算放大器U1的輸出端斷開(kāi)。積分電路的輸出通過(guò)電阻R3接地，其輸出為零。當(dāng)控制輸入信號(hào)為低電平時(shí)，采樣/保持器處于保持狀態(tài)，輸出鎖定保持時(shí)刻的運(yùn)算放大器U1的輸出電壓，并保持不變，同時(shí)SW1閉合，積分電容Ci跨接在運(yùn)算放大器U1的輸出端和負(fù)輸入端之間，與電阻1^構(gòu)成一個(gè)積分器電路。此時(shí)積分電路的輸出Vo與運(yùn)算放大器U1的輸出端連通，運(yùn)算放大器U1輸出\從保持時(shí)刻起的增量電壓隨時(shí)間的積分。
[0056]綜上所述，在傳統(tǒng)的采用普通積分器的磁場(chǎng)消除裝置中，加入本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的零點(diǎn)可重置的積分電路，并使用外部復(fù)位信號(hào)作為積分電路的控制輸入信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)在復(fù)位期間磁場(chǎng)消除裝置不輸出，不受干擾；而復(fù)位結(jié)束后，零點(diǎn)可重置的積分電路只對(duì)復(fù)位結(jié)束時(shí)刻起增量的電壓進(jìn)行積分，從而實(shí)現(xiàn)快速、即時(shí)的增量磁場(chǎng)反饋消除。本實(shí)用新型的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置配合SQUID微弱磁信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)SQUID探測(cè)器運(yùn)行環(huán)境磁場(chǎng)的平穩(wěn)，確保SQUID傳感器以最大靈敏度測(cè)量，且不造成溢出。所以，本實(shí)用新型有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0057]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本實(shí)用新型的原理及其功效，而非用于限制本實(shí)用新型。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本實(shí)用新型的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本實(shí)用新型所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效`修飾或改變，仍應(yīng)由本實(shí)用新型的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于，所述可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置至少包括依次相連的磁傳感器、放大調(diào)理電路、零點(diǎn)可重置的積分電路、驅(qū)動(dòng)電路及反饋線圈， 其中，所述磁傳感器放置在所述反饋線圈產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的中心局域；所述反饋線圈在其中心區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與所述磁傳感器檢測(cè)到的磁場(chǎng)的方向相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于:所述反饋線圈為亥姆霍茲線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于:所述零點(diǎn)可重置的積分電路包括減法器、采樣/保持器和積分器，其中，所述減法器正輸入端和采樣/保持器的輸入端均與所述放大調(diào)理電路的輸出端相連；所述采樣/保持器的輸出端接入減法器的負(fù)輸入端；所述減法器的輸出端再接入所述積分器；所述采樣/保持器通過(guò)控制輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣和保持的切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于:所述零點(diǎn)可重置的積分電路的結(jié)構(gòu)如下:所述積分電路的輸入端接電阻R1,電阻R1另一端接運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端；積分電容仏一端接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，另一端接入運(yùn)算放大器Ul的輸出端；電阻R2—端接入運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端接入單刀雙擲開(kāi)關(guān)的定點(diǎn)；單刀雙擲開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)接地，常開(kāi)觸點(diǎn)接入運(yùn)算放大器Ul的輸出端；采樣/保持器的輸入端接積分電路的輸入端，輸出端接入電阻R3,電阻R3另一端接入運(yùn)算放大器Ul的正輸入端；運(yùn)算放大器Ul的正輸入端接入電阻R4和電容C2,電阻R4和電容C2另一端都接地；運(yùn)算放大器Ul的輸出端所述接積分電路的輸出端；采樣/保持器和單刀雙擲開(kāi)關(guān)由同一控制輸入信號(hào)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于:所述零點(diǎn)可重置的積分電路包括加法器、采樣/保持器、運(yùn)算放大器和積分器，其中，所述放大調(diào)理電路的輸出端接入所述加法器的一個(gè)輸入端；所述加法器的輸出端接入所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端和所述積分器，所述運(yùn)算放大器的正輸入端接地，所述運(yùn)算放大器的輸出端接入所述采樣/保持器的輸入端，所述采樣/保持器的輸出端接入所述加法器的另一端；所述采樣/保持器通過(guò)控制輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣和保持的切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于:所述零點(diǎn)可重置的積分電路的結(jié)構(gòu)如下:所述積分電路的輸入端接電阻R1，電阻R1的另一端接入運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，運(yùn)算放大器Ul的正輸入端接地；電阻R2—端接運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，另一端接采樣/保持器的輸出端；采樣/保持器的輸入端連接運(yùn)算放大器Ul的輸出端；積分電容C1的一端接運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端，另一端接所述積分電路的輸出端；電阻R3 +端接所述積分電路的輸出端，另一端接地；單刀單擲開(kāi)關(guān)的一端連接運(yùn)算放大器Ul的輸出端，另一端連接所述積分電路的輸出端；采樣/保持器和單刀雙擲開(kāi)關(guān)由同一控制輸入信號(hào)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可復(fù)位的增量磁場(chǎng)消除裝置，其特征在于:所述磁傳感器為磁電阻傳感器或磁通門傳感器或者是置于磁場(chǎng)消除區(qū)域的采用超導(dǎo)量子干涉器件的磁強(qiáng)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G01R15/00GK203479873SQ201320486950
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】王永良, 徐小峰, 孔祥燕, 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