三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统及磁测系统

技术领域

本申请属于地球物理磁测技术领域，具体涉及一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统及磁测系统。

背景技术

高温超导磁力仪是利用高温SQUID作为传感器制成的弱磁测量仪器，其可以检测到10

三分量高温超导磁力仪是利用三分量高温SQUID、无磁杜瓦和信号读出电路等组成的磁测仪器，可以用于地磁导航、磁定位、考古及未爆炸物检测等领域。三分量高温超导磁力仪通常工作于磁通锁定状态，其中，锁定环中的反馈电阻决定了仪器的灵敏度和测量范围，反馈电阻值越大，三分量高温超导磁力仪的灵敏度越高，其测量范围越小。由于野外实际测量对三分量高温超导磁力仪的灵敏度要求比较高，因此导致其测量范围较低。当外界磁场异常大或磁力仪的姿态变化较大时，极易超出磁力仪的测量范围而导致磁力仪出现失锁的情况，从而影响测量效果。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统及磁测系统。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统，其包括信号处理模块、补偿档位选择模块、控制电压生成模块、PI调节模块和磁补偿线圈；

所述信号处理模块用于对三分量高温超导磁力仪输出的电压信号进行处理，得到增脉冲信号和减脉冲信号；所述补偿档位选择模块用于根据增脉冲信号和减脉冲信号选择所需的补偿档位，并将补偿档位对应的开关控制信号输出给所述控制电压生成模块；所述控制电压生成模块用于根据开关控制信号生成电流源控制电压并输出给所述PI调节模块；所述PI调节模块用于根据电流源控制电压和磁补偿线圈上的采样电压对电流源的输出电流进行控制；所述电流源的输出电流输入所述磁补偿线圈中，所述磁补偿线圈用于根据电流源的输出电流产生与外界磁场方向相反的补偿磁场。

上述三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中，所述信号处理模块包括第一信号调理电路、第一比较电路、第二比较电路、第一触发器和第二触发器；

所述第一信号调理电路对接收到的电压信号进行稳压和滤波处理后输出给所述第一比较电路和第二比较电路，所述第一信号调理电路输出的电压信号与所述第一比较电路中预设的正阈值和所述第二比较电路中预设的负阈值分别进行比较；

如果所述第一信号调理电路输出的电压信号表示的磁场值大于预设的正阈值，则所述第一触发器输出一个补偿磁场的增脉冲信号；如果所述第一信号调理电路输出的电压信号表示的磁场值小于预设的负阈值，则经过所述第二触发器输出一个补偿磁场的减脉冲信号。

上述三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中，所述补偿档位选择模块包括加法计数器、减法计数器、数字减法器和译码电路；

所述补偿磁场的增脉冲信号输入所述加法计数器中，所述补偿磁场的减脉冲信号输入所述减法计数器中；所述数字减法器将所述加法计数器和减法计数器的输出值相减得到当前的磁场补偿因子；所述磁场补偿因子输入所述译码电路中，所述译码电路根据磁场补偿因子生成模拟开关的控制信号。

进一步地，所述译码电路根据磁场补偿因子生成模拟开关的控制信号时，将磁场补偿因子转换为十六进制码，并将十六进制码作为模拟开关的控制信号。

进一步地，所述控制电压生成模块包括模拟开关和电阻网络；基准电压通过所述电阻网络加载在所述模拟开关上，所述模拟开关在所述译码电路输出的控制信号的控制下产生电流源控制电压。

更进一步地，所述PI调节模块包括采样电阻、第二信号调理电路、加法器、PI调节器和第三信号调理电路；

所述采样电阻与磁补偿线圈连接，其用于对磁补偿线圈中的电流进行采样，得到采样电压；所述采样电压经所述第二信号调理电路调理后与电流源控制电压共同输入所述加法器中；所述加法器根据输入电压输出误差电压，所述误差电压经过所述第三信号调理电路调理后输入电流源中；所述磁补偿线圈根据所述电流源输出的电流产生与外界磁场方向相反的补偿磁场。

更进一步地，所述磁补偿线圈包括线圈支架以及设置在线圈支架上的两个X方向线圈、两个Y方向线圈和两个Z方向线圈，所述线圈支架的内部为中空结构。

更进一步地，所述线圈支架采用一正方体结构或以方波构型围成的框架结构；以所述线圈支架的内部中心为原点，建立空间直角坐标系，在所述线圈支架的前端面和后端面上分别设置一X方向线圈，在所述线圈支架的左侧面和右侧面上分别设置一Y方向线圈，在所述线圈支架的顶面和底面上分别设置一Z方向线圈。

根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种磁测系统其包括上述任一项所述的三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统以及三分量高温超导磁力仪；

所述三分量高温超导磁力仪中的三分量高温SQUID和无磁杜瓦设置在所述磁补偿线圈的内部空间中；所述三分量高温超导磁力仪中的SQUID读出模块与所述测量范围拓展系统连接。

上述磁测系统中，所述三分量高温SQUID包括一个X方向SQUID芯片、一个Y方向SQUID芯片、一个Z方向SQUID芯片、第一支架和第二支架；所述第一支架的一端与第二支架连接，其另一端设置在所述无磁杜瓦的开口处；

以所述第二支架的中心为原点，建立空间直角坐标系；所述X方向SQUID芯片、Y方向SQUID芯片和Z方向SQUID芯片设置在所述第二支架中；

设置有SQUID芯片的所述第二支架设置在所述磁补偿线圈的内部空间中，所述第二支架的内部中心与所述磁补偿线圈的内部中心重合。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请提供的三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统通过磁补偿线圈能够抵消掉大部分待测磁场，采用分档补偿思想，补偿数值易于实现，能够解决三分量高温超导磁力仪在无磁屏蔽的环境下的失锁问题，在不降低磁力仪灵敏度的前提下能够大幅度提高其动态测量范围。

本申请提供的磁测系统能够在无磁屏蔽的环境中稳定工作。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请实施例提供的一种磁测系统的结构示意图。。

图2为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中信号处理模块的结构框图。

图3为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中补偿档位选择模块和控制电压生成模块的结构框图。

图4为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中PI调节模块的结构框图。

图5为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中磁补偿线圈的结构示意图。

附图标记说明：

1、信号处理模块；11、第一信号调理电路；12、第一比较电路；13、第二比较电路；14、第一触发器；15、第二触发器；

2、补偿档位选择模块；21、加法计数器；22、减法计数器；23、数字减法器；24、译码电路；

3、控制电压生成模块；31、模拟开关；32、电阻网络；33、缓冲器；

4、PI调节模块；41、采样电阻；42、第二信号调理电路；43、加法器；44、PI调节器；45、第三信号调理电路；

5、磁补偿线圈；51、线圈支架；52、X方向线圈；53、Y方向线圈；54、Z方向线圈；

6、三分量高温超导磁力仪；61、三分量高温SQUID；611、X方向SQUID芯片；612、Y方向SQUID芯片；613、Z方向SQUID芯片；614、第一支架；615、第二支架；62、无磁杜瓦；63、SQUID读出模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本申请实施例提供的一种磁测系统的结构示意图。

如图1所示，本申请提供的三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统包括信号处理模块1、补偿档位选择模块2、控制电压生成模块3、PI调节模块4和磁补偿线圈5。

三分量高温超导磁力仪6包括三分量高温SQUID61、无磁杜瓦62和SQUID读出模块63。三分量高温SQUID61设置在无磁杜瓦62盛放的液氮中，三分量高温SQUID61与SQUID读出模块63连接，SQUID读出模块63用于将三分量高温SQUID61检测到的微弱磁场转换为电压信号后进行输出。

SQUID读出模块63通过信号处理模块1与补偿档位选择模块2连接，补偿档位选择模块2通过控制电压生成模块3与PI调节模块4连接，PI调节模块4与磁补偿线圈5连接。

信号处理模块1用于对接收到的电压信号进行滤波、稳压和比较等处理，得到增脉冲信号和减脉冲信号。

补偿档位选择模块2用于根据增脉冲信号和减脉冲信号选择所需的补偿档位，并输出补偿档位对应的开关控制信号。

控制电压生成模块3用于根据开关控制信号生成电流源控制电压。

PI调节模块4用于根据电流源控制电压和磁补偿线圈5上的采样电压对电流源的输出电流进行控制。电流源的输出电流输入磁补偿线圈5中，磁补偿线圈5用于根据电流源的输出电流产生与外界磁场方向相反的补偿磁场。

图2为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中信号处理模块的结构框图。

如图2所示，信号处理模块1包括第一信号调理电路11、第一比较电路12、第二比较电路13、第一触发器14和第二触发器15。其中，SQUID读出模块63将外界微弱的磁场信号进行放大后输出电压信号，电压信号输入第一信号调理电路11中。

第一信号调理电路11对接收到的电压信号进行稳压和滤波等处理后输出给第一比较电路12和第二比较电路13，第一信号调理电路11输出的电压信号与第一比较电路12中预设的正阈值和第二比较电路13中预设的负阈值分别进行比较。

如果第一信号调理电路11输出的电压信号表示的磁场值大于预设的正阈值，则第一触发器14输出一个补偿磁场的增脉冲信号；如果第一信号调理电路11输出的电压信号表示的磁场值小于预设的负阈值，则经过第二触发器15输出一个补偿磁场的减脉冲信号。补偿磁场的增脉冲信号和减脉冲信号均输入至控制电压生成模块3。

需要说明的是，第一比较电路12中预设的正阈值和第二比较电路13中预设的负阈值均可以根据三分量高温超导磁力仪6的量程进行设置。例如，三分量高温超导磁力仪6的量程为±10V，则可以将正阈值预设为+8V，将负阈值预设为-8V。

图3为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中补偿档位选择模块和控制电压生成模块的结构框图。

如图3所示，补偿档位选择模块2包括加法计数器21、减法计数器22、数字减法器23和译码电路24。其中，加法计数器21和减法计数器22均与数字减法器23连接，数字减法器23与译码电路24连接。

补偿磁场的增脉冲信号输入加法计数器21中，补偿磁场的减脉冲信号输入减法计数器22中；数字减法器23将加法计数器21和减法计数器22的输出值相减得到当前的磁场补偿因子。该磁场补偿因子输入译码电路24中，译码电路24根据磁场补偿因子生成模拟开关的控制信号。具体地，译码电路24将磁场补偿因子转换为十六进制码，并将十六进制码作为模拟开关的控制信号。

需要说明的是，译码电路24将磁场补偿因子转换为几位十六进制码是根据实际需要进行设置的。例如，译码电路24将磁场补偿因子转换为5位十六进制码，其中，5位十六进制码的最高位用1表示-，用0表示+；用00000表示0档位，其对应补偿0nT的磁场；00001表示正第1档位，其对应补偿50nT的磁场；00002表示正第2档位，其对应补偿100nT的磁场，以此类推，00118表示正第280档位，其对应补偿14000nT的磁场。同理，10001表示负第1档位，其对应补偿-50nT的磁场；10002表示负第2档位，其对应补偿-100nT的磁场，以此类推，10118表示负第280档位，其对应补偿-14000nT的磁场。

另外，通过电磁仿真可以得到300mA的电流输入磁补偿线圈5中，能够产生14000nT的磁场，因此，控制电流源产生300mA的电流，磁补偿线圈5就产生14000nT的磁场。

当然，根据实际需要，还可以选择将磁场补偿因子转换为八进制码、三十二进制码等。

如图3所示，控制电压生成模块3包括模拟开关31和电阻网络32。模拟开关31与电阻网络32和译码电路24连接。

其中，基准电压通过电阻网络32加载在模拟开关31上，模拟开关31在译码电路24输出的控制信号的控制下产生电流源控制电压。电流源控制电压输入PI调节模块4中。

控制电压生成模块3还包括缓冲器33，缓冲器33与模拟开关31连接，其用于对模拟开关31的输出电流源控制电压进行缓冲。

图4为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中PI调节模块的结构框图。

如图4所示，PI调节模块4包括采样电阻41、第二信号调理电路42、加法器43、PI调节器44和第三信号调理电路45。采样电阻41与磁补偿线圈5连接，其用于对磁补偿线圈5中的电流进行采样，得到采样电压。采样电压经第二信号调理电路42调理后与电流源控制电压共同输入加法器43中。加法器43根据输入电压输出误差电压，误差电压经过第三信号调理电路45调理后输入电流源中。磁补偿线圈5根据电流源输出的电流产生与外界磁场方向相反的补偿磁场。

采用本申请提供的三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统，在保证三分量高温超导磁力仪6的灵敏度的前提下，能够大幅度提高地动态测量范围。具体地，可以将三分量高温超导磁力仪6的测量范围由原来的±500nT左右提高到±14000nT左右。

图5为本申请实施例提供的一种三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统中磁补偿线圈的结构示意图。

如图5所示，磁补偿线圈5包括线圈支架51以及设置在线圈支架51上的两个X方向线圈52、两个Y方向线圈53和两个Z方向线圈54。线圈支架51的内部为中空结构。

具体地，线圈支架51可以采用一内部中空的正方体结构，还可以采用以方波构型围成的框架结构。以线圈支架51的内部中心为原点，建立空间直角坐标系，可以在线圈支架51的前端面和后端面上分别设置一X方向线圈52，在线圈支架51的左侧面和右侧面上分别设置一Y方向线圈53，在线圈支架51的顶面和底面上分别设置一Z方向线圈54。

在另一实施例中，如图1所示，本申请还提供了一种磁测系统，其包括上述三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统以及三分量高温超导磁力仪6。三分量高温超导磁力仪6中的三分量高温SQUID61和无磁杜瓦62设置在磁补偿线圈5的内部空间中。三分量高温超导磁力仪6中的SQUID读出模块63与测量范围拓展系统连接。

在一个具体的实施例中，三分量高温SQUID61包括一个X方向SQUID芯片611、一个Y方向SQUID芯片612、一个Z方向SQUID芯片613、第一支架614和第二支架615。第一支架614的一端与第二支架615连接，其另一端设置在无磁杜瓦62的开口处，以封堵无磁杜瓦62。

以第二支架615的中心为原点，建立空间直角坐标系。X方向SQUID芯片611、Y方向SQUID芯片612和Z方向SQUID芯片613设置在第二支架615中。具体地，第二支架615中相交于同一点的三个平面上开设有芯片孔，X方向SQUID芯片611、Y方向SQUID芯片612和Z方向SQUID芯片613分别设置在一个芯片孔中。

X方向SQUID芯片611设置在空间直角坐标系的X轴上，且X轴垂直穿过X方向SQUID芯片611的中心；Y方向SQUID芯片612设置在空间直角坐标系的Y轴上，且Y轴垂直穿过Y方向SQUID芯片612的中心；Z方向SQUID芯片613设置在空间直角坐标系的Z轴上，且Z轴垂直穿过Z方向SQUID芯片的中心。X方向SQUID芯片、Y方向SQUID芯片和Z方向SQUID芯片613与原点之间的距离均相等。

具体地，第一支架614采用T型支架，其包括竖杆和横板，竖杆的一端与第二支架的顶端连接，其另一端与横板连接，横板设置在无磁杜瓦62的开口处，以封堵无磁杜瓦62。

第二支架615可以采用一正方体，正方体的前端面、左侧面和底面上均开设有芯片孔。X方向SQUID芯片611可以设置在前端面上开设的芯片孔中，Y方向SQUID芯片612可以设置在左侧面上开设的芯片孔中，Z方向SQUID芯片613可以设置在底面上开设的芯片孔中。

X方向SQUID芯片611、Y方向SQUID芯片612和Z方向SQUID芯片613通过导线与SQUID读出模块63连接。具体地，导线从第一支架614中穿过。

设置有SQUID芯片的第二支架615设置在磁补偿线圈5的内部空间中，第二支架615的内部中心与线圈支架51的内部中心重合。

本申请提供的三分量高温超导磁力仪的测量范围拓展系统通过磁补偿线圈5能够抵消掉大部分待测磁场，采用分档补偿思想，补偿数值易于实现，能够解决三分量高温超导磁力仪6在无磁屏蔽的环境下的失锁问题，在不降低磁力仪灵敏度的前提下能够大幅度提高其动态测量范围。本申请提供的磁测系统能够在无磁屏蔽的环境中稳定工作。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。