CN103616650B - 一种基于预失真的超导磁补偿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于预失真的超导磁补偿装置及方法，其特征在于所述的装置由参考磁传感器、磁补偿电路和补偿线圈三部分组成，其中参考磁传感器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，然后通过补偿线圈形对特定区域的磁场进行补偿。提供的补偿方法特征在于首先通过模数转换器获取外部参考磁传感器的测量值后在控制器中进行降噪或阈值判断数字信号处理；然后由数模转换器经功率放大器和反馈电阻驱动一个比SQUID器件自身反馈系数高几十倍的线圈对其输入信号选择性地进行预失真，最后通过同步数据采集设备对磁通锁定环和功率放大器的输出信号采样。提供的装置简单、体积小、稳定性高，适合在运动和野外环境下使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁传感器的磁补偿装置及方法，尤其是一种在传统磁通锁定环（FLL：Flux-Locked Loop）读出电路的基础上通过预失真的方式实现磁补偿的装置和方法。属于磁补偿领域。
背景技术
由超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)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，由于外部强磁场变化或者切割地球磁力线等因素引入的磁场信号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体积较大的亥姆霍兹线圈或稳定性较差的二阶负反馈电路来实现。
CN201010228159公开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，实际使用时有诸多不便，不适合在运动和野外环境下工作，而且在磁补偿时将低分辨率的参考磁传感器信号放大后直接驱动亥姆霍兹线圈，导致测量区域的本底噪声受其影响将高于参考磁传感器，SQUID的灵敏度优势受限。
又，CN102353911A公开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于环境场扰动频段（DC～30Hz）的应用环境，所述的方法在传统磁通锁定环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，但因为采用二阶负反馈电路，其稳定性较难控制，而且受SQUID的Feedback线圈（反馈线圈）反馈系数的影响，其可以补偿的磁场强度和频段范围均有限。
综上所述，现有磁补偿方法在运动和野外环境下工作时，不是存在适用性和可靠性问题，就是补偿范围或者本底噪声不理想，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。
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,本发明的目的在于提供一种基于预失真的磁补偿装置及相应的方法，所述的方法不仅能简化磁补偿装置，而且能在保证可靠性和有效提高磁补偿范围的前提下获得被测量的原始信号，同时基本不影响测量区域的本底噪声。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的磁补偿装置通常由参考磁传感器、磁补偿电路和补偿线圈三部分组成，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对特定区域的特定磁场进行补偿。
本发明可根据实际情况选择磁通门、磁阻或者SQUID作为参考磁传感器，但以磁通门的解决方案最佳，它不但能测量稳定的磁场，而且分辨率适中、环境适应能力强。磁补偿电路需要SQUID读出电路的配合方可工作。
与磁补偿电路配合的SQUID读出电路有磁通调制式和直读式两种，两者均基于磁通锁定环，其区别在于磁通调制式在直读式的基础上增加了调制解调电路和用于噪声匹配的变压器。本发明在两种电路上均可适用，现选用一种新型的直读式SBC（SQUID BoottrapCircuit）为例。磁通锁定环主要由SQUID芯片、前端放大器、偏置调节器、模拟积分器、反馈电阻和反馈线圈构成，其中SQUID通过低温电缆连接到前端放大器，然后由前端放大器输出依次串联连接偏置调节器、模拟积分器和反馈电阻，最后将反馈电阻与SQUID的反馈线圈连接。
本发明的基本原理是基于SQUID读出电路本身是一个相对稳定的负反馈系统，如果根据参考磁传感器测量值在SQUID读出电路正常工作的范围内通过补偿线圈产生与外界磁场强度近似，方向相反的预失真信号，虽然产生的预失真信号不可能与实际需要测试的外部磁场完全一致，但标定后系统能提供磁通锁定环电路和预失真电路在同一时刻输出的磁场强度，则可以通过软件补偿的方式获得被测对象的原始信号。需要强调注意的是标定的目的准确获取预失真电路提供的预失真信号强度，以方便后续的软件补偿计算。
基于以上工作原理，提供的补偿方法本发明首先通过模数转换器获取外部参考磁传感器的测量值后在控制器中进行降噪和阈值判断等数字信号处理；然后由高精度的数模转换器经功率放大器和反馈电阻驱动一个比SQUID器件自身反馈系数10-500倍的线圈对其输入信号选择性地进行预失真，该线圈即补偿线圈，采用铌线之类的金属线绕制，放置在SQUID器件的正下方或正上方，反馈系数则根据磁场补偿范围确定；最后通过高精度的同步数据采集设备对磁通锁定环和功率放大器的输出信号采样。此外，为增加预失真电路的可控性，在功率放大器和反馈电阻之间放置一单刀双掷的开关，在必要的时候，可断开它们之间的物理连接并将反馈电阻接地。
由磁补偿电路提供的预失真信号需要进行标定，其标定方法与SQUID器件类似。在良好的磁屏蔽室内，将铌桶内的SQUID器件和补偿线圈浸没于液氦中，通过高精度的数模转换器输出指定的电压信号经功率放大器和反馈电阻驱动补偿线圈，由SQUID读出电路获取该信号的输出，经过拟合则可以获得磁补偿电路的磁场电压转换系数。利用该系数和SQUID读出电路的工作特性参数可将同步采集的磁通锁定环和功率放大器电压信号转换成磁场进行代数运算，从而以软件补偿的方式获得被测量的原始值。
由此可见，本发明提供的一种基于预失真的超导磁补偿装置及方法，根据参考磁传感器的测量值，通过定制的高反馈系数线圈实现软件磁补偿，其特征是：
①采用参考磁传感器、ADC、嵌入式控制器、DAC、功率放大器和高反馈系数线圈等器件在传统磁通锁定环的基础上构建提供SQUID预失真的开环磁补偿电路，通过同步采样磁通锁定环和预失真的输出信号，在标定的转换系数基础上利用软件补偿获取被测对象的原始信号；
②通过嵌入式控制器对参考磁传感器的测量值进行阈值判断和降噪等信号处理后，由DAC经功率放大器和电阻驱动高反馈系数线圈提供使SQUID读出电路处于正常工作范围内的预失真信号；
③利用标定的补偿线圈磁场电压转换系数和SQUID读出电路的工作特性参数将同步采集的磁通锁定环和预失真输出的电压信号转换成磁场进行代数运算，以软件补偿的方式获得被测对象的原始值。
利用模数转换器获得的参考磁传感器测量值对SQUID预失真的策略需要根据磁通锁定环电路的工作参数制定。本发明在磁通锁定环量程的基础上乘以一个小于1的系数，当外部磁场相对基准值变化超出该阈值是则通过预失真使SQUID器件实际输入的信号强度始终保持在该阈值内。基于阈值的预失真方法是选择性的而非实时补偿，可不依赖参考磁传感器的本底噪声，同时结合开环和闭环系统各自的优势，有效地保障系统的稳定性。
综上所述，本发明公开了一种基于预失真的超导磁补偿方法。为克服现有技术中SQUID在运动和非屏蔽环境下磁补偿的技术瓶颈，通过采用参考磁传感器、ADC、嵌入式控制器、DAC、功率放大器和高反馈系数线圈等器件在磁通锁定环的基础上构建稳定的开环磁补偿装置，通过阈值判断的方式选择性地对SQUID的输入信号预失真，迫使其读出电路始终处于正常工作的范围内；通过同步采样磁通锁定环和预失真的输出信号，在标定的转换系数基础上利用软件补偿获取被测量的原始信号；本发明提供的装置及相应的方法可以在实现外部磁场有效补偿的同时，很方便地通过预失真在基本不影响测量区域本底噪声的情况下极大地提高磁补偿的范围，并利用补偿方式可获得无失真的被测量原始信号。此外，按本方法构建的磁补偿装置实现简单、体积小、稳定性高，非常适合在运动和野外环境下应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是基于预失真的超导磁补偿装置框图。
图2是基于预失真的超导磁补偿线圈结构示意图。
图中1.SBC超导磁传感器，2.前端放大器，3.偏置调节器，4.模拟积分器，5.磁通锁定环反馈电阻，6.SQUID Feedback线圈，7.高反馈系数补偿线圈，8.磁补偿反馈电阻，9.单刀双掷开关，10.功率放大器，11.同步采样ADC通道A，12.数模转换器，13.同步采样ADC通道B，14.嵌入式控制器，15.同步采样ADC通道C，16.参考磁传感器，17.SQUID芯片，18.SQUID芯片封装模块，19.高反馈系数补偿线圈架，20.铌线。
具体实施方式
为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
基于磁通锁定环的SBC超导磁传感器1读出电路用于完成待测磁信号的测量，如图1所示，其主要构造如下：放置于杜瓦液氦中的SBC超导磁传感器1通过低温线缆与前端放大器2连接，其中SBC超导磁传感器1有两种工作模式：电流偏置和电压偏置，本发明采用电压偏置模式，而前端放大器2则选用增益为80～100dB的反向放大器，型号是ADI公司AD797低噪声运放，其输出会因SBC超导磁传感器1的电气特性存在直流电压偏移量，故在前端放大器2的输出连接基于加法器的偏置调节器3，用于消除此直流电压偏移量；偏置调节器3的输出与组成PID负反馈的关键电路模拟积分器4连接，模拟积分器4除通过其时间常数可用来调节PID负反馈外还包含复位功能和SBC超导磁传感器1工作在Tune状态下的旁路功能，此外构建偏置调节器3和模拟积分器4的运算放大器均选择德州仪器的OPA4130。在Lock状态，模拟积分器4通过串联磁通锁定环反馈电阻5与SQUID Feedback线圈6连接，将磁通锁定环的磁通反馈信号以耦合的方式传递给SBC超导磁传感器1；在Tune状态，通过调节SBC超导磁传感器1的工作参数（偏置电压、放大器增益等参数）使模拟积分器4在旁路的情况下其输出信号幅度最大，从而达到最佳的工作点。
磁补偿的参考传感器16选用巴林顿公司的磁通门，由同步采样ADC通道C15对其测量值数字化后传输至嵌入式控制器14，然后选定基于磁通锁定环的SBC超导磁传感器1读出电路量程的0.1倍作为阈值对测量结果进行判断，如果参考磁传感器16的测量值相对基准值的变化超过阈值时，则将此测量值作为新的基准值（初始基准值选择SBC超导磁传感器1读出电路进入Lock状态时参考传感器16的测量值），并由嵌入式控制器14控制数模转换器12按照阈值的整数倍在单刀双掷开关9处于常开状态时经功率放大器10和磁补偿反馈电阻8驱动高反馈系数补偿线圈7对SBC超导磁传感器1预失真，其中补偿线圈7的反馈系数为SQUID Feedback线圈的50倍，而且数模转换器12的输出不应超过SQUID读出电路摆率的0.5倍；如果参考磁传感器16的测量值相对基准值的变化未超过阈值时，则嵌入式控制器14只需等待下组测试数据的输入。此外，在SBC超导磁传感器1无需预失真时，则将功率放大器10和磁补偿反馈电阻8之间的单刀双掷开关9置于常闭状态，从而使高反馈系数补偿线圈7远端接地以降低外界的干扰。
应说明的是加入单刀双掷开关9控制接地的目的是：在不用高反馈系数补偿线圈7时，不能让其浮地以引入外界干扰，增加SQUID读出电路的通用性。在使用高反馈系数补偿线圈7时，单刀双掷开关9置于另一端，因为有负载，所以外界干扰对SQUID读出电路无影响。
磁补偿电路由图1中磁补偿反馈电阻8、单刀双掷开关9、功率放大器10、同步采样ADC通道A11、数模转换器12、同步采样ADC通道B13、嵌入式控制器14和同步采样ADC通道C15组成，其中同步采样ADC通道A11、数模转换器12、同步采样ADC通道B13和同步采样ADC通道C15由基于PXI平台的2输入/2输出动态信号分析仪PXI4461提供，并通过图1中粗线所代表的总线与嵌入式控制器14通信，而功率放大器10则选择由运算放大器OPA627构建的跟随器。
为获得SBC超导磁传感器1预失真后被测对象的原始信号，将磁通锁定环中的模拟积分器4和功率放大器10的输出分别连接至同步采样ADC通道B13和同步采样ADC通道A11，并把采集的信号传递至嵌入式控制器14，然后分别按照SBC超导磁传感器1读出电路和预失真电路的磁场电压转换系数将测试结果从电压量换算成磁场强度，最后将转换结果进行代数和运算即可，其中三个通道的同步采样ADC均为24位Delta-Sigma类型。
预失真电路的磁场电压转换系数需要通过标定获得。在磁屏蔽室内将铌桶内的SBC超导磁传感器1和高反馈系数补偿线圈7浸没于液氦中后，首先由嵌入式控制器14在预失真的范围内选定五个标定点，然后在数模转换器12按照此五个标定点驱动高反馈系数补偿线圈7产生对应的预失真信号后，由同步采样ADC通道A11采集SBC超导磁传感器1读出电路的输出，最后用此测量值除以SBC超导磁传感器1读出电路的磁场电压转换系数后，再除以由同步采样ADC通道B13获得的输入标定值，将计算结果用成熟的最小二乘拟合后即可得到预失真电路的磁场电压转换系数。
图2中SQUID芯片17和SQUID芯片封装模块18共同组成SBC超导磁传感器1。为增加磁补偿的范围，在SQUID芯片封装模块18正下方或正上方通过低温胶粘合方式放置一个用铌线绕制的高反馈系数补偿线圈7，其由高反馈系数补偿线圈架19和铌线20两部分组成，铌线20通过低温导线与磁补偿反馈电阻8连接。
本说明书所述的软件补偿是相对硬件补偿而言，即把从前硬件需要完成的工作移到软件上来完成，具有更高的灵活性。在本发明中，软件补偿的含义是通过ADC将原始信号（预失真后的信号和提供预失真的信号）数字化后进行代数和运算，即将预失真后的信号减去提供预失真的信号就可得到实际需要测试的被测量信号。
本发明所述的：
a)ADC：模数转换器Analog-to-Digital Converter；
b)DAC：数模转换器Digital-to-Analog Converter；
c)FLL：磁通锁定环Flux-Locked Loop。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于预失真的超导磁补偿装置，其特征在于所述的磁补偿装置由参考磁传感器、磁补偿电路和补偿线圈三部分组成，其中参考磁传感器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，然后通过补偿线圈形对特定区域的磁场进行补偿；所述装置的三部分组成的特征是：
①与磁补偿电路配合的SQUID读出电路是一个相对稳定的负反馈系统；
②磁补偿电路由磁补偿反馈电阻(8)、单刀双掷开关(9)、功率放大器(10)、同步采样ADC通道A(11)、数模转换器(12)、同步采样ADC通道B(13)、嵌入式控制器(14)和同步采样ADC通道C(15)组成，其中同步采样ADC通道A(11)、数模转换器(12)、同步采样ADC通道B(13)和同步采样ADC通道C(15)由基于PXI平台的2输入/2输出动态信号分析仪PXI 4461提供，并与嵌入式控制器(14)通信，磁补偿反馈电阻(8)通过单刀双掷开关(9)与功率放大器(10)连接；而功率放大器(10)则选择由运算放大器OPA627构建的跟随器；
③补偿线圈采用铌线绕制，放在SQUID器件的正下方或正上方，反馈系数根据磁场补偿范围确定；补偿线圈由高反馈系数补偿线圈架和铌线两部分组成，铌线通过低温导线与磁补偿反馈电阻(8)连接。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于SQUID读出电路基于磁通锁定环，放置于杜瓦液氦中的SBC超导磁传感器(1)通过低温线缆与前端放大器(2)连接，前端放大器(2)则选用增益为80～100dB的反向放大器，前端放大器(2)的输出连接基于加法器的偏置调节器(3)，用于消除此直流电压偏移量；偏置调节器(3)的输出与组成PID负反馈的关键电路模拟积分器(4)连接，模拟积分器(4)除通过其时间常数可用来调节PID负反馈外还包含复位功能和SBC超导磁传感器(1)工作在Tune状态下的旁路功能，构建偏置调节器(3)和模拟积分器(4)的运算放大器均选择德州仪器的OPA4130。
3.按权利要求2所述的装置，其特征在于在Lock状态，模拟积分器(4)通过串联磁通锁定环反馈电阻(5)与SQUID Feedback线圈(6)连接，将磁通锁定环的磁通反馈信号以耦合的方式传递给SBC超导磁传感器(1)；在Tune状态，通过调节SBC超导磁传感器(1)的工作参数使模拟积分器(4)在旁路的情况下其输出信号幅度最大，从而达到最佳的工作点。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于所述的参考磁传感器为磁通门、磁阻或SQUID。
5.由权利要求1～3中任一项所述的装置提供的补偿方法，其特征在于首先通过模数转换器获取外部参考磁传感器的测量值后在控制器中进行降噪或阈值判断数字信号处理；然后由数模转换器经功率放大器和反馈电阻驱动一个比SQUID器件自身反馈系数10-500倍的线圈对其输入信号选择性地进行预失真，最后通过同步数据采集设备对磁通锁定环和功率放大器的输出信号采样。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于进行阀值判断数字信号处理是由同步采样ADC通道C(15)对其测量值数字化后传输至嵌入式控制器(14)，然后选定基于磁通锁定环的SBC超导磁传感器(1)读出电路量程的0.1倍作为阈值对测量结果进行判断，如果参考磁传感器(16)的测量值相对基准值的变化超过阈值时，则将此测量值作为新的基准值，初始基准值选择SBC超导磁传感器(1)读出电路进入Lock状态时参考磁传感器(16)的测量值，并由嵌入式控制器(14)控制数模转换器(12)按照阈值的整数倍在单刀双掷开关(9)处于常开状态时经功率放大器(10)和磁补偿反馈电阻(8)驱动高反馈系数补偿线圈(7)对SBC超导磁传感器(1)预失真，其中补偿线圈(7)的反馈系数为SQUID Feedback线圈的50倍，而且数模转换器(12)的输出不应超过SQUID读出电路摆率的0.5倍；如果参考磁传感器(16)的测量值相对基准值的变化未超过阈值时，则嵌入式控制器(14)只需等待下组测试数据的输入；在SBC超导磁传感器(1)无需预失真时，则将功率放大器(10)和磁补偿反馈电阻(8)之间的单刀双掷开关(9)置于常闭状态，从而使高反馈系数补偿线圈(7)远端接地以降低外界的干扰。
7.按权利要求5或6所述的方法，其特征在于为获得SBC超导磁传感器(1)预失真后被测对象的原始信号，将磁通锁定环中的模拟积分器(4)和功率放大器(10)的输出分别连接至同步采样ADC通道B(13)和同步采样ADC通道A(11)，并把采集的信号传递至嵌入式控制器(14)，然后分别按照SBC超导磁传感器(1)读出电路和预失真电路的磁场电压转换系数将测试结果从电压量换算成磁场强度，最后将转换结果进行代数和运算。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于预失真电路需进行标定，以准确获取预失真信号的强度。
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