专利名称：梯度计等效误差面积系数的室温标定方法
技术领域：
本发明涉及一种梯度计等效误差面积的标定方法。
背景技术：
超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是 目前已知最灵敏的磁传感器，典型低温超导SQUID的磁场灵敏度为3-5fT/sqrt(Hz)，如此 高的灵敏度，使其在生物磁探测和研究方面有广泛的应用V. Pizzela et al, Supercond. Sci. Technol. 14(2001)R79-R114。生物磁信号微弱，典型强度低于ΙΟΟρΤ，而环境磁场的典型强度为30-50 μ T，为 了在如此强的环境磁场中检测信号，需要采取有效的噪声抑制手段。目前，最常使用的噪 声抑制方案是梯度计技术，尤其是在非屏蔽环境下K. Stemickel et al, Supercond. Sci. Technol. 19 (2006) S160-S171。梯度计是SQUID进行磁场检测的探测线圈，两个线绕的磁 强计反向串接构成一阶梯度计。根据阶数的不同，梯度计可分为一阶、二阶或者更高阶，通 常把距离信号源最近的线圈称为接收线圈，远的线圈称为补偿线圈。一阶梯度计能有效地 抑制均勻磁场，对磁场的一阶梯度产生响应，依此类推更高阶的梯度计。理想情况下，梯度 计对均勻磁场不产生响应。实际制作过程中，由于机械加工、绕制工艺的等误差，梯度计不 可避免地存在不平衡性，导致其对均勻磁场也会产生一定的响应，其不平衡响应可等效为 一个误差面积，以接收线圈面积为基准，等效误差面积可表示成一个误差系数。梯度计的不平衡性导致其工作性能降低，特别是在无屏蔽环境下，平衡性差 的梯度计信号幅度变化大，容易溢出，因此在实际使用中，需要对梯度计的不平衡性进 行标定，以供优化选择。目前，最常使用的标定方法是低温标定法，采用Helmholtz线 圈产生均勻场对梯度计的不平衡性进行标定M. A. Nordahn et al，Supercond. Sci. Technol. 12 (1999) 946-948。此方法虽然有效，但标定成本高，效率低，探寻优化的标定方 法显得尤为必要。

发明内容
本发明是一种超导梯度计等效误差面积的标定方法，与传统不同，本标定方法是 在室温下利用螺线管产生一定频率的均勻磁场，由于误差面积的存在，该磁场在梯度线圈 中产生一定频率的电压信号，利用锁相放大原理进行微弱信号的提取，理论计算和实验相 结合，实现面积误差系数的标定。具体地说，本发明所述的室温标定方法包括以下三部分(1)梯度计感应电动势理论计算给定一定频率ω的正弦信号，螺线管中的磁场可表示为B = B0 · = μ 0nl0 ·其中l·^为真空中的磁导率，η为单位长度螺线管的匝数，Itl为螺线管中的电流。根据梯度计的误差面积AS，均勻磁场下的总磁通为
根据Faraday定理，采用螺线管作为均勻磁场源，梯度计线圈的感应电动势为 (2)测试系统搭建及测量利用信号发生器、驱动电路、螺线管、梯度计、示波器及锁相放大器搭建标定测试 系统，其中示波器监测螺线管电流，锁相放大器检测梯度计输出信号。在一定的频率下，改 变信号幅度，记录相应示波器及锁相放大器的电压信号。(3)电压线性拟合和梯度计等效误差面积系数计算根据测量的示波器检测电压Vm和锁相放大器电压\，线性拟合以确定两电压的系 数关系 其中a为直线斜率，b为偏移量。利用理论计算的感应电动势和监控电压对应的电阻Rm，得 由此可得等效误差面积
D “=
μ0ηω已知梯度计探测线圈的面积S，可计算等效误差面积系数
AS Rmaη^ — = ~^
S μ0ηω 在(2)中，梯度计引出线采用交叉双绞线结构，避免误差磁通，此措施可保证本征 误差磁通可忽略不计。本发明与现有技术相比，其显著优点是本发明在室温下进行，操作方便，有效地降 低了标定成本，提高了效率，为高平衡度梯度计的选择提供了有效技术途径，保证了梯度计 的及时选择。


图1是SQUID接收线圈示意图；图中1为磁强计；2为一阶梯度计；3为二阶梯度 计。图2是标定的测试系统连接示意图；图中4为信号发生器；5为恒压源驱动电路； 6为螺线管；7为梯度计；8为示波器；9为锁相放大器。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的实质性特点和显著进步。1、已知螺线管6的固定参数η及真空磁导率Ptl，给定一定频率ω的电流，计算螺 线管轴向方向均勻磁场强度Btl，设定一误差面积△ S，根据均勻磁场计算梯度计7的感应电 动势ε。
4
2、依图2所示，信号发生器4与恒压源驱动电路5相连接，恒压源驱动电路的输出 端又分别与螺线管6和示波器8相连接。梯度计7的位置置于螺线管6的轴向中心位置， 以保证梯度计7及螺线管6的轴向方向一致。信号发生器4输入一定频率ω的电压信号 到恒压源驱动电路5，驱动螺线管6产生相应频率的均勻磁场，用示波器8监控螺线管支路 参考电阻Rm的电压Vm。以信号发生器4输出信号为锁相放大器9的参考信号，采用锁相放 大器9检测梯度计7的感应电压信号\。测量过程中，在一定的频率下，改变信号发生器的 电压，测量一组监控电压Vm及锁相电压值\。使用梯度计如图1中一阶梯度计或二阶梯度 计。3、以固定电阻监控电压信号Vm为横轴，锁相放大器电压信号\为纵轴，进行线性 拟合，得出线性斜率a，设定一等效误差面积Δ S，利用等效误差面积计算公式，即可定量求 得AS。以探测线圈面积S为基准，可实现等效误差面积系数η的标定。
权利要求
一种梯度计等效误差面积系数的标定方法，其特征在于在室温下利用螺线管产生一定频率的均匀磁场，该磁场在梯度线圈中产生一定频率的电压信号，利用锁相放大原理进行微弱信号的提取，理论计算和实验相结合，实现面积误差系数的标定。
2.按权利要求1所述的标定方法，其特征在于所述的包括以下三个部分，(1)梯度计感 应电动势理论计算；(2)测试系统搭建及测量；(3)电压线性拟合的梯度计等效误差面积系 数计算；其中，在(1)中，以螺线管作为均勻磁场源，利用电磁感应进行输出信号计算，梯度计 线圈的感应电动势ε表示为ε = ω · μ οηΙ0 · AS ·式中ω为一定频率的正弦信号，μ。为真空中磁导率，η为单位长度螺线管的匝数，I0 为螺线管中的电流；AS为梯度计等效误差面积；在(2)中，利用信号发生器、驱动电路、螺线管、梯度计、示波器及锁相放大器搭建标定 测试系统，其中示波器监测螺线管电流，利用锁相放大器检测梯度计输出信号；在一定的频 率下，改变信号幅度，记录相应示波器及锁相放大器的电压信号；在(3)中，梯度计等效误差面积系数计算首先，根据测量的示波器检测电压Vm和锁相放大器电压\，线性拟合以确定两电压的 系数关系Vl = aVffl+b其中a为直线斜率，b为偏移量。②利用理论计算的感应电动势和监控电压对应的电阻Rm，得Vl = ωμ0η^· ASa = ω·^-· ASJRmRm等效误差面积为 μ0ηω③已知梯度计探测线圈的面积S，计算等效误差面积系数AS Raη =——=——-~ο S μ^πωΞ
3.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于在标定测试系统中梯度计置于螺线管的 轴向中心位置，使螺线管和梯度计的轴向方向一致，信号发生器与恒压源驱动电路相连接， 恒压源驱动电路又分别与螺线管连接和示波器连接，输入一定频率ω的电压信号到恒压 源驱动电路中，驱动螺线管产生相应的均勻磁场；示波器监控螺线管支路参考电阻Rm的电 压Vm ；以信号发生器输出信号为锁相放大器的参考信号，采用锁相放大器检测梯度计的感 应电压信号测量过程中，在一定的频率下，改变信号发生器的电压，测量一组监控电压 Vm及锁相电压值\。
4.按权利要求2所述的标定方法，其特征在于所述的电压线性拟合是以固定电阻监控 电压信号Vm为横轴，锁相放大器电压信号\为纵轴，进行线性拟合，得出线性斜率a。
5.按权利要求2或3所述的标定方法，其特征在于梯度计的引线采用交叉双绞线结构。
全文摘要
本发明公开了一种梯度计等效误差面积系数的标定方法利用螺线管产生一定频率的均匀磁场，由于误差面积的存在，该磁场在梯度线圈中产生一定频率的电压信号，利用锁相放大原理进行微弱信号的提取，理论计算和实验相结合，实现面积误差系数的标定。基于以上简述，本方法主要包括三个部分(1)梯度计感应电动势理论计算；(2)实验系统搭建及测量；(3)梯度计等效误差面积系数计算。相对于传统的低温标定方法，本方法基于室温，有效地降低了标定成本，提高了标定效率，为高平衡度梯度计的选择提供了有效的技术途径。
文档编号G01R35/00GK101923152SQ20101021297
公开日2010年12月22日 申请日期2010年6月25日 优先权日2010年6月25日
发明者刘扬波, 张树林, 王永良, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所