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JP4137836B2 - Apparatus and method for measuring weak magnetic field - Google Patents

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  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Description

本発明は、超電導量子干渉素子(Superconducting Quantum Interference Device: SQUID)磁気センサ自体を移動させながら微弱な磁場、磁気、磁界を検出する計測装置及び計測方法に関する。   The present invention relates to a measurement apparatus and a measurement method for detecting a weak magnetic field, magnetism, and magnetic field while moving a superconducting quantum interference device (SQUID) magnetic sensor itself.

近年、航空機、鉄道車両、船舶、発電設備、橋梁並びに高層ビルなどの構造材料の製造やメンテナンスにおいて、信頼性や精度の向上が要求されるに伴い、非破壊検査技術の重要度が高まっている。特に、エネルギーや輸送分野など社会基盤を構成している大型設備は、新規立地や用地の確保が近年難化傾向にあるため、現有設備の効率的な運用や延命化が求められており、機器や構造物の非破壊検査の潜在的なニーズは高く、最近では原子力発電所の炉心隔壁(シュラウド)のひび割れや鉄道車両の亀裂の問題等もクローズアップされている。   In recent years, the importance of non-destructive inspection technology has increased with the demand for improvements in reliability and accuracy in the manufacture and maintenance of structural materials such as aircraft, railway vehicles, ships, power generation equipment, bridges and high-rise buildings. . In particular, large-scale facilities that constitute social infrastructures such as the energy and transportation fields have recently become difficult to secure new locations and land, so efficient operation of existing facilities and life extension are required. The potential needs for non-destructive inspection of materials and structures are high, and recently, problems such as cracks in core bulkheads (shrouds) of nuclear power plants and cracks in railway vehicles have been highlighted.

このためX線、超音波並びに渦電流探傷などの従来の非破壊検査法に加えて、さらに高精度の非破壊検査技術の開発が期待されている。   For this reason, in addition to conventional nondestructive inspection methods such as X-rays, ultrasonic waves, and eddy current flaws, development of highly accurate nondestructive inspection techniques is expected.

超電導量子干渉素子は、地磁気(数10マイクロテスラ)の1億分の1から10億分の1の小さな磁界を計測できる超高感度磁気センサである(例えば、非特許文献1参照。)。
SQUIDを用いると、材料の微細な亀裂や損傷等の劣化、並びに構造物内部の傷等を非接触で検査できることが実験室レベルで明らかになっており、最近SQUID磁気センサの非破壊検査分野への利用の期待度が高まっている。
A superconducting quantum interference device is an ultra-sensitive magnetic sensor capable of measuring a magnetic field as small as one hundred million to one billionth of geomagnetism (several tens of microtesla) (see, for example, Non-Patent Document 1).
It has become clear at the laboratory level that SQUID can be used for non-contact inspection of deterioration of materials such as fine cracks and damage, as well as scratches inside structures, etc. Recently, the SQUID magnetic sensor has entered the field of non-destructive inspection. The expectation of the use of is increasing.

脳磁計や心磁計など生体磁気計測の分野においてもSQUIDを用いた臨床用の装置が製品化されており、てんかん治療および高次脳機能の解析、ならびに心疾患の検査等に使用されている。また、紙幣や有価証券などの認証の分野においても、SQUIDを使用する試みがなされている。   In the field of biomagnetism measurement such as magnetoencephalograph and magnetocardiograph, clinical equipment using SQUID has been commercialized and used for epilepsy treatment and analysis of higher brain function, and examination of heart disease. There are also attempts to use SQUID in the field of authentication of banknotes and securities.

一方、SQUID磁気センサは、高感度であり、上記のように環境磁気ノイズよりも遥かに小さい磁場を検出するので、磁気シールド室など特殊な設備が必要とされてきた。また、環境磁気ノイズや振動の問題から、SQUID磁気センサ自体を移動させながら連続的な検査を行うことは不可能とされてきた。このため、SQUID磁気センサは固定して被検体自体を動かす方法、あるいは、非常に高価であるが、生体磁気計測のようにSQUID磁気センサは固定して50〜100チャネル程度の多数のセンサを配置させる方式が長年とられてきた。   On the other hand, the SQUID magnetic sensor is highly sensitive and detects a magnetic field much smaller than the environmental magnetic noise as described above, so special equipment such as a magnetic shield room has been required. Also, due to environmental magnetic noise and vibration problems, it has been impossible to perform continuous inspection while moving the SQUID magnetic sensor itself. For this reason, the SQUID magnetic sensor is fixed and the subject itself is moved, or although it is very expensive, the SQUID magnetic sensor is fixed and a large number of sensors of about 50 to 100 channels are arranged as in biomagnetic measurement. The method of making has been taken for many years.

従来のような単体のSQUID磁気センサを固定する検査方法では、被検体としては、ミリメートルからセンチメートル程度の小型のものしか扱うことができず、例えば、発電プラント、橋梁、高層ビル、及び航空機など大規模な被検体の検査を非破壊で行うことはできない。また、検査装置としてはデスクトップ的な据置型であり、発電所や工事現場などの各種フィールドにおいて、検査対象物(ワーク)への据付が自由なものではないといった課題があった。   In the conventional inspection method for fixing a single SQUID magnetic sensor, only a small object such as a millimeter to a centimeter can be handled as an object, for example, a power plant, a bridge, a high-rise building, an aircraft, etc. Large-scale testing of subjects cannot be performed non-destructively. Moreover, the inspection apparatus is a desktop stationary type, and there is a problem that installation on an inspection object (work) is not free in various fields such as a power plant and a construction site.

以上のことから、(1)被検体のサイズ、寸法に制約がないこと、(2)各種フィールドにおいて据付が自由であること、(3)SQUID磁気センサ自体が移動すること、といった新しい計測手法移動機構と移動装置の開発が望まれている。   Based on the above, (1) There are no restrictions on the size and dimensions of the subject, (2) The installation is free in various fields, and (3) The SQUID magnetic sensor itself moves. Development of mechanisms and mobile devices is desired.

SQUIDは、超電導の特性を利用した磁気センサであり、地磁気(数10マイクロテスラ)の1億分の1から10億分の1の、極めて微弱な磁界を計測できる超高感度磁気センサである。   The SQUID is a magnetic sensor that uses the characteristics of superconductivity, and is an ultra-sensitive magnetic sensor that can measure extremely weak magnetic fields, from 1/100 to 1/100 million of geomagnetism (several tens of micro Tesla).

SQUIDを使用した磁気センサは、図1に示すように、SQUIDと磁場を検知する検出コイルとが主要な構成要素となっている。SQUIDは、超電導リング内の磁束の量子化という超電導特有の現象を動作原理としており、外部磁束の変化にともなって量子磁束Φ(2.07×10−15Wb)を単位として出力電圧が変化する回路となっている。以下に、その動作原理を簡単に説明する(例えば、非特許文献2参照。)。 As shown in FIG. 1, a magnetic sensor using SQUID is mainly composed of a SQUID and a detection coil for detecting a magnetic field. SQUID is based on the phenomenon of superconductivity, which is the phenomenon of quantization of magnetic flux in the superconducting ring, and the output voltage changes in units of quantum flux Φ 0 (2.07 × 10 −15 Wb) as the external magnetic flux changes. It is a circuit to do. The operation principle will be briefly described below (for example, see Non-Patent Document 2).

2つの超電導体の間を障壁(例えば、薄い絶縁体や半導体、あるいは超電導体への数100nm以下の括れ等)で挟んだものをジョセフソン接合と呼ぶ。詳細は省略するが、磁場中ではジョセフソン接合両端でのトンネル電流の位相差が障壁面内の場所に依存する効果があり、SQUIDはこのジョセフソン接合の磁場効果を巧みに利用した素子となっている。各種のSQUIDの中で、DC−SQUIDが最も感度が高く、現在主に使用されていることから、DC−SQUIDを一例として説明する。ジョセフソン接合に電源を接続して動作する場合、インピーダンスが低いため定電流動作になる場合が多く、その一定電流をバイアス電流IBと呼ぶ。 A structure in which two superconductors are sandwiched by a barrier (for example, a thin insulator, a semiconductor, or a confinement of several hundred nm or less to the superconductor) is called a Josephson junction. Although details are omitted, there is an effect that the phase difference of the tunnel current at both ends of the Josephson junction depends on the location in the barrier plane in the magnetic field, and SQUID is an element that skillfully uses the magnetic field effect of this Josephson junction. ing. Among various SQUIDs, DC-SQUID has the highest sensitivity and is mainly used at present, so DC-SQUID will be described as an example. When operated to connect the power to the Josephson junction, if the impedance is constant current operation due to low number, I called the constant current and the bias current I B.

簡単のために、接合容量や自己インダクタンスを無視すれば、超電導状態で流しうる最大のバイアス電流IB maxと全磁束φには次の関係がある。
B max=2I0|cos(πΦ/Φ)|
つまり、超電導臨界電流は、磁束量子Φの整数倍の磁束を感知している時に最も大きく、半整数倍の時にはゼロとなり、リングを貫く外部の磁束によって周期的に変動する。さらに、ある一定値にバイアス電流を固定すると、臨界電流の変化を反映して素子の直流電圧もまた外部の磁束に対して周期的に変化する。実際に、磁束/電圧の変換作用が得られる素子とするためには、磁場感度に関わる超電導リングの寸法やヒステリシスが生じないバイアス電流の大きさ等の諸条件を考慮する必要があり、回路設計上のパラメータは、数値計算などにより解析的に解かれる。一例として、シャント抵抗(ジョセフソン接合のトンネル抵抗が大きいため)R=1Ω、自己インダクタンスL=1nH、及びバイアス電流IB=1μAとすれば、Φあたり2μVの電圧が得られる素子が設計できる。
For simplicity, if the junction capacitance and self-inductance are ignored, the maximum bias current I B max that can flow in the superconducting state and the total magnetic flux φ have the following relationship.
I B max = 2I 0 | cos (πΦ / Φ 0 ) |
That is, the superconducting critical current is greatest when a magnetic flux that is an integral multiple of the flux quantum Φ 0 is sensed, becomes zero when it is a half-integer multiple, and periodically varies with the external magnetic flux penetrating the ring. Further, when the bias current is fixed to a certain value, the DC voltage of the element also periodically changes with respect to the external magnetic flux, reflecting the change of the critical current. Actually, in order to obtain an element capable of converting magnetic flux / voltage, it is necessary to consider various conditions such as the size of the superconducting ring related to magnetic field sensitivity and the magnitude of bias current that does not cause hysteresis. The above parameters can be solved analytically by numerical calculations. As an example, if R = 1Ω, self-inductance L = 1 nH, and bias current I B = 1 μA because of the shunt resistance (because the Josephson junction tunnel resistance is large), an element that can obtain a voltage of 2 μV per Φ 0 can be designed. .

以上のように、SQUIDは磁束−電圧の変換作用があることから、増幅器を使って増幅すれば高感度の磁気センサとして用いることが原理的には可能である。しかし、(1)磁束−電圧の関係が非線形であるため正確な換算は煩わしく汎用的には使用できないこと、(2)低い周波数では、増幅器のドリフトの影響が避けられないこと、(3)周期的な特性からわずかなズレが大きな増幅率の変動をまねくこと等の欠点があり、このままでは一般には使用できない。このため、図2に回路の概略を示したように、負のフィードバックを組み合わせることにより、広い入力範囲に対して線形性がたもたれ、磁束量子Φを1周期として、その10万分の1程度の磁束分解能が得られるよう工夫がなされている。尚、図2に示される回路ブロック図において、破線枠内の同期検波回路及び変調回路は、必ずしも必要ではない。 As described above, since SQUID has a magnetic flux-voltage conversion action, it can be used in principle as a highly sensitive magnetic sensor if amplified using an amplifier. However, because (1) the relationship between magnetic flux and voltage is non-linear, accurate conversion is cumbersome and cannot be used for general purposes. (2) At low frequencies, the effect of amplifier drift is unavoidable. (3) Period There are drawbacks such as slight deviations from large characteristics resulting in large gain fluctuations, etc., and in general they cannot be used as they are. Therefore, as shown schematically in FIG. 2, by combining negative feedback, linearity is obtained over a wide input range, and the magnetic flux quantum Φ 0 is one period, which is about 1 / 100,000. Is devised so that the magnetic flux resolution can be obtained. In the circuit block diagram shown in FIG. 2, the synchronous detection circuit and the modulation circuit within the broken line frame are not necessarily required.

図2において、まず素子のフィードバック回路が開いている場合について考え。SQUIDにバイアス電流を流し、変調コイル(フィードバックコイル)に数100kHzの変調電流を流して、時間的に変化する交流変調磁束Φを素子を貫く変調磁束の振幅が±Φ/4程度になるように加える。変調磁束Φを受けることによりSQUIDの出力電圧Vの波形と測定磁場による磁束φsとの関係は、φsに依存して図3の(a)〜(c)のように変化する。φs=2nΦの場合(図3(a)参照)、素子両端には変調電流の偶数倍の高調波のみからなる交流電圧が発生する。次に、φs≠2nΦの場合には(図3(b)、3(c)参照)、素子両端の電圧が測定磁場の周波数を含むようになり、この電圧をロックインアンプ等による同期検波回路に通すと、図3(d)に示すように、φsの周波数成分のみを含む電圧信号が得られる。ここでは、変調電流を正弦波で示したが、検波効率を上げるために矩形波で変調させる方式も考えられる。また、変調電流の周波数も数kHz〜数GHzの範囲で、特に限定するものではない。また、同期検波回路や変調は必ずしも必要ではなく、同期検波回路や変調を用いず負のフィードバックをかける駆動方法も可能である。その場合も、増幅器の出力には、図3(d)に示すように、φsの周波数成分のみを含む電圧信号が得られる。 In FIG. 2, first consider the case where the feedback circuit of the element is open. SQUID is flushed with bias current, flowing a modulation current of several 100kHz to modulation coil (feedback coil), the amplitude of the modulated magnetic flux is about ± Φ 0/4 penetrating the element AC modulation magnetic flux [Phi m time-varying Add as follows. Relationship between the magnetic flux φs by the waveform and the measurement field of the SQUID output voltage V by receiving modulated flux [Phi m, depending on φs changes as in FIG. 3 (a) ~ (c) . In the case of φs = 2nΦ 0 (see FIG. 3A), an alternating voltage consisting only of harmonics that are an even multiple of the modulation current is generated at both ends of the element. Next, in the case of φs ≠ 2nΦ 0 (see FIGS. 3B and 3C), the voltage across the element includes the frequency of the measured magnetic field, and this voltage is detected synchronously by a lock-in amplifier or the like. When passed through the circuit, as shown in FIG. 3D, a voltage signal including only the frequency component of φs is obtained. Here, the modulation current is shown as a sine wave, but a method of modulating with a rectangular wave to increase the detection efficiency is also conceivable. Also, the frequency of the modulation current is not particularly limited in the range of several kHz to several GHz. In addition, a synchronous detection circuit and modulation are not necessarily required, and a driving method for applying negative feedback without using the synchronous detection circuit and modulation is also possible. Also in this case, as shown in FIG. 3D, a voltage signal including only the frequency component of φs is obtained at the output of the amplifier.

次に、図2のフィードバック回路を閉じて、この信号の符号を反転させて、フィードバック磁束φに直してφsと大きさが等しく符号の異なるフィードバックをかける。その結果、φsが図3(d)に一例としてプロットしたようにB点より大きくなるとφは減少し、逆にφsが小さくなるとφは増加してφsとφの和が常に一定となり、磁束−電圧特性上の一点にとどめるように働く。すなわち、SQUIDを貫く磁束が、図3(d)のゼロ点のごく近くに限られた範囲となるようにフィードバックが働きSQUIDが動作する。ここで、B点を動作点、この負のフィードバックを磁束固定ループ(Flux Locked Loop、FLL)と呼び、SQUIDがフィードバックにより正常に動作している状態をロックがかかった状態と呼ぶ。なお、実際には、図3(d)に示すように、φ−V特性は無限につらなっておりフィードバックの動作点(安定点)はA、B、C・・・のように無数に存在し、山と谷どちらが動作点になるかはコイルの向きや検波の位相角によって決まる。本発明では後述するように、この無限につらなるφ−V特性を利用している。さらにFLL方式のフィードバックを用いることにより、非線形であったφ−V特性は、図4(a)に示すような線形性が得られ、磁気センサとして使用することが可能となる。ここでは変調型で説明したが、無変調型でもフィードバックによる線形化の原理は同じである。 Next, by closing the feedback circuit of FIG. 2, by reversing the sign of the signal, applying a different feedback unsigned equal φs and size mended the feedback magnetic flux phi f. As a result, .phi.s is the larger the phi f from point B as plotted decreased as an example in FIG. 3 (d), φs conversely becomes the phi f is increased always constant the sum of .phi.s and phi f small , It works to keep it at one point on the magnetic flux-voltage characteristics. That is, the feedback acts and the SQUID operates so that the magnetic flux penetrating the SQUID is in a limited range very close to the zero point in FIG. Here, point B is the operating point, this negative feedback is called a flux-locked loop (FLL), and the state where SQUID is operating normally by feedback is called the locked state. Actually, as shown in FIG. 3D, the φ-V characteristic is infinite, and there are an infinite number of feedback operating points (stable points) such as A, B, C. Whether the peak or valley is the operating point depends on the direction of the coil and the phase angle of detection. In the present invention, as will be described later, this infinitely-shaped φ-V characteristic is used. Furthermore, by using the feedback of the FLL system, the non-linear φ-V characteristic has a linearity as shown in FIG. 4A and can be used as a magnetic sensor. Although the modulation type has been described here, the principle of linearization by feedback is the same in the non-modulation type.

さて次に、スルーレート(信号の振幅と周波数の積)の高い磁気ノイズが入った場合のSQUIDの動作を考える。ロックがかかった状態で磁気ノイズが入ると、その前後でφの整数倍だけ異なった動作点に対してフィードバックがかかってしまう事態が発生する。例えば、図3(d)中の動作点Bで動作しているSQUIDの入力磁束が、ある時刻で仮にΔφs=1/2φ〜3/2φだけ変化したとすると、SQUID出力は図2の回路により、Δφsに対応した大きな出力を示し実質入力磁束がゼロとなるように動作点Bに戻そうとする。しかし、この状況では、もはや動作点Bからますます離れる方向にフィードバックがかかり、別の動作点Cで安定となった状態が生じ、線形化されたφ−V特性は図4(b)に示すように不要なオフセットが加えられてしまう。このように、スルーレートの高い磁気ノイズを感知したときには、その前後で測定の連続性が失われ、磁気ノイズの大きさによってはロックがかからない状態すら生じる。以上のように、ある閾値以上のノイズがSQUIDに入ると本質的に動作しなくなってしまう性質がSQUIDの欠点である。長年SQUID磁気センサ自体を動かした検査ができなかったのは、SQUIDの動作原理まで踏み込んだ致命的な問題と係わっていることを以下に述べる。 Next, let us consider the operation of SQUID when magnetic noise with a high slew rate (product of signal amplitude and frequency) enters. When the magnetic noise enters in a state in which the lock is applied, feedback takes it causes a situation occurs for only different operating point integer multiple of phi 0 at its front and rear. For example, if the input magnetic flux of the SQUID operating at the operating point B in FIG. 3D changes by Δφs = 1 / 2φ 0 to 3 / 2φ 0 at a certain time, the SQUID output is as shown in FIG. The circuit tries to return to the operating point B so that a large output corresponding to Δφs is shown and the actual input magnetic flux becomes zero. However, in this situation, feedback is no longer applied to the direction away from the operating point B, and a stable state occurs at another operating point C. The linearized φ-V characteristic is shown in FIG. Thus, an unnecessary offset is added. Thus, when magnetic noise with a high slew rate is sensed, the continuity of measurement is lost before and after that, and even a state where no lock is applied occurs depending on the magnitude of the magnetic noise. As described above, the characteristic of SQUID is that it essentially does not work when noise exceeding a certain threshold value enters SQUID. The reason why the inspection that moved the SQUID magnetic sensor itself for many years was not related to a fatal problem that goes into the operation principle of SQUID is described below.

図5に環境磁気ノイズとSQUID磁気センサによって検出する信号レベルの関係を模式的に示した。SQUID磁気センサ自体が動くことによって、正弦波(低周波数)として簡略化した環境磁気ノイズよる空間的(かつ時間的)磁気成分が大きく変化する。一方、本来、被検体が発している微弱な磁気信号は、この低周波数成分に加算された周波数がより高い成分である。環境磁気ノイズとの分離ができない場合には、目的の磁気信号がノイズに埋もれてしまう。   FIG. 5 schematically shows the relationship between the environmental magnetic noise and the signal level detected by the SQUID magnetic sensor. As the SQUID magnetic sensor itself moves, the spatial (and temporal) magnetic component due to environmental magnetic noise simplified as a sine wave (low frequency) changes greatly. On the other hand, the weak magnetic signal emitted from the subject is a component having a higher frequency added to the low frequency component. If it cannot be separated from ambient magnetic noise, the target magnetic signal will be buried in the noise.

定性的には、磁気ノイズにSQUID磁気センサが弱いことが分かったので、地磁気ノイズについて具体的な事例を考える。通常、1mmの傷を探傷するためには、SQUIDと連結した検出コイルが1mm以下でなくてはならない。仮に、検出コイルを1mmφとすると単純な面積換算から量子磁束Φの変化はおよそ1×10−8T(10ナノテスラ)の変化に相当している。 Qualitatively, it was found that the SQUID magnetic sensor is weak against magnetic noise, so we will consider a specific example of geomagnetic noise. Usually, in order to detect a 1 mm flaw, the detection coil connected to the SQUID must be 1 mm or less. If the detection coil is 1 mmφ, the change in the quantum magnetic flux Φ 0 corresponds to a change of about 1 × 10 −8 T (10 nanotesla) from simple area conversion.

環境磁気ノイズを受けた状態で、SQUID磁気センサ自体を動かすと、どのような影響を受けるかを簡単のため地磁気のみを考えて評価する。1mmφのコイルが1mm移動するとすると、地磁気レベルは0.5×10−4T程度であるから、約100Φに相当する外部磁束の変化を受けることが簡単な計算からわかる。この状況では、SQUIDの基準点が一気に100倍も変化し、100dbのダイナミックレンジが必要となるため、固定した動作点がはずれ(ロックがはずれ)、SQUIDが正常に動作しなくなり、磁気センサとして全く機能しない。図4に示すように、第1点目では図4(a)のようにオフセットはなく、第2点目では図4(b)、第3点目では図4(c)、・・・となり、仮に運良く数点の連続した計測ができたとしても、地磁気による磁場の影響がどんどん積算され、ついにセンサが振り切れてしまう。なお環境磁気ノイズの大きさによっては、SQUID磁気センサを動かした測定が1回もできないことすら多い。 In order to simplify the effects of moving the SQUID magnetic sensor itself while receiving environmental magnetic noise, we will evaluate only the geomagnetism. When the coil of 1mmφ is to be 1mm movement, since geomagnetism level is about 0.5 × 10 -4 T, seen from a simple calculation of undergoing a change in external magnetic flux corresponding to approximately 100Φ 0. In this situation, the SQUID reference point changes 100 times at a stretch, and a dynamic range of 100 db is required. Therefore, the fixed operating point is lost (the lock is released), and the SQUID does not operate normally. Does not work. As shown in FIG. 4, at the first point, there is no offset as shown in FIG. 4 (a), at the second point, FIG. 4 (b), at the third point, FIG. 4 (c),. Fortunately, even if several consecutive measurements can be performed, the influence of the magnetic field due to geomagnetism is accumulated more and more, and the sensor is finally shaken out. Depending on the magnitude of the ambient magnetic noise, it is often even impossible to make a single measurement using a SQUID magnetic sensor.

以上は、地磁気のみを考えた過小評価である。実際にはSQUID磁気センサ自体を動かした場合には、この条件よりもさらに厳しい環境磁気ノイズの影響を受ける。このようにSQUID磁気センサ自体が動くことによって発生する環境磁気ノイズの影響はきわめて大きく、環境磁気ノイズよりも小さな磁気信号を計測するには、磁気センサ自体を動かした測定はできない。   The above is underestimation considering only geomagnetism. Actually, when the SQUID magnetic sensor itself is moved, it is affected by environmental magnetic noise that is more severe than this condition. As described above, the influence of the environmental magnetic noise generated by the movement of the SQUID magnetic sensor itself is extremely large, and in order to measure a magnetic signal smaller than the environmental magnetic noise, measurement by moving the magnetic sensor itself cannot be performed.

このため、先行する技術としては、SQUID磁気センサを固定し、被検体を動かした測定方法が一般に行われている。磁気センサが固定されていれば、移動によって変化する地磁気等の環境磁気ノイズの影響を低減することができるためである。しかし、この方法では、被検体のサイズ・寸法に制約がある現場における据付が制約されるといった問題がある。   For this reason, as a prior art, a measurement method in which a SQUID magnetic sensor is fixed and a subject is moved is generally performed. This is because if the magnetic sensor is fixed, the influence of environmental magnetic noise such as geomagnetism that changes due to movement can be reduced. However, this method has a problem that installation in a field where the size and dimensions of the subject are restricted is restricted.

SQUIDを用いる生体磁気計測の事例で、心磁計測の臨床応用例として、心筋梗塞の症例について報告されている(例えば、非特許文献3参照。)。この文献に開示されている計測は、磁気シールド室内で行われている。被検体(患者)をのせたベッド水平面をxy面として、体表の2箇所を指標とし、胸部のxyz座標が決定される。64チャネル(縦8個×横8個)のSQUIDを2.5cm間隔で並べ、時間分解能の高い同時計測により得られた検査結果を開示している。この検査では、被検体(患者)もSQUIDも計測時は静止しており、SQUID磁気センサ自体を動かした測定とはなっていない。   In the case of biomagnetic measurement using SQUID, a case of myocardial infarction has been reported as a clinical application example of magnetocardiography (see, for example, Non-Patent Document 3). The measurement disclosed in this document is performed in a magnetic shield room. The xyz coordinate of the chest is determined using the bed horizontal surface on which the subject (patient) is placed as the xy plane and the two places on the body surface as indices. The inspection results obtained by simultaneous measurement with high time resolution by arranging 64 channels (8 vertical x 8 horizontal) SQUIDs at 2.5 cm intervals are disclosed. In this examination, both the subject (patient) and SQUID are stationary at the time of measurement, and the measurement is not performed by moving the SQUID magnetic sensor itself.

また、SQUID磁気センサ部を磁気遮蔽(シールド)容器で覆い、磁気的に安定した検査結果が得られるように工夫した簡便な検査装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1の装置では、磁気遮蔽容器内部に置かれたSQUIDの検知部分の下を線状の被検体が通過する際、異物や欠陥があった場合に磁気信号の変化を捕らえるシステム構成となっている。このため、被検体としては、ファイバー、ケーブル、あるいはワーヤの類であり、この場合においても、やはり被検体が動きSQUIDは固定されている。この方式は、大型のものとしては、圧延鋼材の検査への応用が考えられる。しかし、発電プラント、橋梁、高層ビル、航空機など大規模な構造物へ適用することは、到底不可能である。
このように、いずれの先行事例をとっても、SQUID磁気センサ自体を移動させて連続測定を行う技術は全く開示されてない。
特開平7−146277号公報 田中三郎著「高温超伝導量子干渉素子(SQUID)を用いた新しい応用計測の可能性」応用物理編集委員会、応用物理、2003年、第72巻、第8号、p.1039−1045 作道恒太郎著「固体物理(磁性・超電導)」裳華房、1993年9月25日、p.136−138 山田さつき、塚田啓二、山口巌 共著「心磁計測による不整脈診断」医学書院、呼吸と循環、2000年12月、第48巻、第12号、p.1207
Further, a simple inspection device has been disclosed in which the SQUID magnetic sensor unit is covered with a magnetic shielding container so that a magnetically stable inspection result can be obtained (see, for example, Patent Document 1). In the apparatus of Patent Document 1, when a linear object passes under the SQUID detection portion placed inside the magnetic shielding container, a system configuration that captures a change in magnetic signal when there is a foreign object or a defect. It has become. For this reason, the subject is a fiber, a cable, or a wire, and in this case, the subject is also moved and the SQUID is fixed. This system can be applied to inspection of rolled steel as a large-sized one. However, it cannot be applied to large-scale structures such as power plants, bridges, high-rise buildings, and aircraft.
As described above, in any of the preceding cases, there is no disclosure of a technique for performing continuous measurement by moving the SQUID magnetic sensor itself.
JP-A-7-146277 Saburo Tanaka "Possibility of new applied measurement using high temperature superconducting quantum interference device (SQUID)" Applied Physics Editorial Committee, Applied Physics, 2003, Vol. 72, No. 8, p. 1039-1045 Tsunetaro Sakudo, “Solid Physics (Magnetic / Superconducting)”, Soka Hana, September 25, 1993, p. 136-138 Satsuki Yamada, Keiji Tsukada, Satoshi Yamaguchi, "Arrhythmia diagnosis by magnetocardiography" Medical School, Respiration and Circulation, December 2000, Vol. 48, No. 12, p. 1207

本発明では、超電導量子干渉素子(SQUID)を用いてSQUID磁気センサ自体を被検体表面を移動させながら、非接触で被検査試料の磁気を連続的に検出し、被検体の磁気分布等を得て非破壊的な検査を行う検査装置とその検査方法を提案するものである。   In the present invention, the SQUID magnetic sensor itself is moved on the surface of the subject using a superconducting quantum interference device (SQUID), and the magnetism of the sample to be examined is continuously detected in a non-contact manner to obtain the magnetic distribution of the subject. An inspection apparatus that performs nondestructive inspection and an inspection method thereof are proposed.

SQUID磁気センサが地磁気等の環境磁気ノイズ中で、磁気センサ自体を移動させる場合、先述したように、地磁気等の環境磁気ノイズでセンサが振り切れる、あるいはSQUID磁気センサの固定したロックがはずれるというダイナミックレンジの問題を解決する必要がある。   If the SQUID magnetic sensor moves the magnetic sensor itself in the environment magnetic noise such as geomagnetism, the dynamic that the sensor is shaken off by the environmental magnetic noise such as geomagnetism or the fixed lock of the SQUID magnetic sensor is released as described above. The range problem needs to be solved.

上記問題点を解決するために本発明は、磁場或いは磁束に対して周期的な入出力特性を有するセンサと、前記センサからの出力をフィードバックすることにより、動作点を一点にロックして被検体の発する微弱な磁場を検出するセンサ駆動機構と、少なくとも前記センサを移動させる移動機構と、前記移動機構の移動/停止を制御する移動制御部と、前記移動制御部による移動/停止に連動し、前記センサ駆動機構のロック状態とロック解除状態の切り替えを制御する計測動作制御部と、を有する微弱磁場の計測装置とした。   In order to solve the above problems, the present invention provides a sensor having a periodic input / output characteristic with respect to a magnetic field or a magnetic flux and an output from the sensor, thereby locking the operating point to a single point. In conjunction with the movement / stop by the movement control unit, a sensor driving mechanism for detecting a weak magnetic field generated by, a movement mechanism for moving at least the sensor, a movement control unit for controlling movement / stop of the movement mechanism, The weak magnetic field measuring device includes a measurement operation control unit that controls switching between the locked state and the unlocked state of the sensor driving mechanism.

また、本発明は、検出コイル及び該検出コイルにより検出された磁場に基づく磁束に応じて電気信号を出力するSQUID素子(超電導量子干渉素子)を有し、前記SQUID素子から出力された電気信号を磁束として当該SQUID素子にフィードバックすることにより前記SQUID素子の周期的な電圧/磁束特性上の一点に動作点をロックして被検体の発する微弱磁場を計測するSQUID磁気センサと、前記SQUID磁気センサを移動させる移動機構と、前記移動機構を、移動/停止を繰り返し、前記SQUID磁気センサで前記被検体の磁場計測範囲を走査させる移動制御部と、前記移動制御部による前記SQUID磁気センサの移動/停止に連動して、前記SQUID磁気センサのロック解除状態とロック状態を繰り返し操作する計測動作制御部と、前記被検体に交流の信号を印加する交流信号印加機構と、を有する微弱磁場の計測装置とした。   The present invention also includes a detection coil and a SQUID element (superconducting quantum interference element) that outputs an electric signal in accordance with a magnetic flux based on a magnetic field detected by the detection coil, and the electric signal output from the SQUID element By feeding back to the SQUID element as magnetic flux, the SQUID magnetic sensor for measuring the weak magnetic field generated by the subject by locking the operating point to one point on the periodic voltage / flux characteristics of the SQUID element, and the SQUID magnetic sensor A movement mechanism for moving, a movement control unit for repeatedly moving / stopping the movement mechanism, and scanning the magnetic field measurement range of the subject with the SQUID magnetic sensor, and movement / stopping of the SQUID magnetic sensor by the movement control unit Linked to the measurement operation control unit that repeatedly operates the unlocked state and the locked state of the SQUID magnetic sensor, and the AC signal that applies an AC signal to the subject. And applying mechanism, and a weak magnetic field measuring device with a.

また、本発明は、磁場或いは磁束に対して周期的な入出力特性を有するセンサと、前記センサからの出力をフィードバックすることにより、動作点を一点にロックして被検体の発する微弱な磁場を検出するセンサ駆動機構とを用い、移動機構で被検体上を走査し計測する際に、前記センサのロック解除工程と、ロック解除の状態で測定位置を移動する移動工程と、目的の測定位置で移動を停止する移動停止工程と、前記センサをロック状態にするロック工程と、前記ロック状態で磁場を計測するデータ取得工程と、を有する微弱磁場の計測方法とした。   In addition, the present invention provides a sensor having a periodic input / output characteristic with respect to a magnetic field or magnetic flux, and a weak magnetic field generated by a subject by locking an operating point to one point by feeding back an output from the sensor. A sensor driving mechanism for detecting, when scanning and measuring the object by the moving mechanism, the sensor unlocking step, the moving step of moving the measurement position in the unlocked state, and the target measurement position The weak magnetic field measurement method includes a movement stop step for stopping movement, a lock step for bringing the sensor into a locked state, and a data acquisition step for measuring a magnetic field in the locked state.

さらに、本発明は、検出コイル及び該検出コイルにより検出された磁場に基づく磁束に応じて電気信号を出力するSQUID素子(超電導量子干渉素子)を有し、前記SQUID素子から出力された電気信号を磁束として当該SQUID素子にフィードバックすることにより前記SQUID素子の周期的な電圧/磁束特性上の一点に動作点をロックして被検体の発する微弱磁場を計測するSQUID磁気センサを用い、前記SQUID磁気センサは、移動工程と移動停止工程で、移動/停止を繰り返して被検体上の磁場計測範囲を走査し、その際、移動時はSQUIDロック解除工程により当該SQUID磁気センサをロック解除状態として磁場の計測を休止し、停止時にはSQUIDロック工程によりSQUID磁気センサをロック状態として、データ取得工程で磁場を計測する微弱磁場の計測方法とした。   Furthermore, the present invention includes a detection coil and a SQUID element (superconducting quantum interference element) that outputs an electric signal according to a magnetic flux based on a magnetic field detected by the detection coil, and the electric signal output from the SQUID element is Using the SQUID magnetic sensor that measures the weak magnetic field generated by the subject by locking the operating point to one point on the periodic voltage / magnetic flux characteristics of the SQUID element by feeding back to the SQUID element as magnetic flux, Scans the magnetic field measurement range on the subject by repeatedly moving / stopping in the moving process and moving stop process, and at that time, the SQUID magnetic sensor is unlocked by the SQUID unlocking process at the time of movement. The SQUID magnetic sensor was locked by the SQUID lock process when stopped, and the magnetic field was measured in the data acquisition process.

本発明では、SQUID磁気センサや、SQUIDのように磁束に対して周期的な入出力特性を有するセンサを用い、移動機構によりセンサ、またはSQUID磁気センサを被検体上で走査させる。センサを移動する移動工程と停止する移動停止工程は移動制御部で制御し、その移動/停止に同期して計測動作制御部により、SQUIDロック工程とSQUIDロック解除工程を切り替え、センサ、またはSQUID磁気センサの動作状態を制御する。移動中はロック解除状態にすることにより、センサ、またはSQUID磁気センサの動作を一時的に休止モードとさせ、停止時にのみ磁場の計測が可能なロック状態とし計測を行うことを考案した。データ取得工程では、非検体に交流の信号を印加する交流信号印加機構によって、電流、電圧、磁気、光、熱などの交流の刺激を与え、それに応じて発生する磁気的な変化を、計測することも可能である。   In the present invention, a SQUID magnetic sensor or a sensor having a periodic input / output characteristic with respect to magnetic flux such as SQUID is used, and the sensor or the SQUID magnetic sensor is scanned on the subject by a moving mechanism. The movement process that moves the sensor and the movement stop process that stops are controlled by the movement control unit, and the SQUID lock process and SQUID lock release process are switched by the measurement operation control unit in synchronization with the movement / stop. Control the operating state of the sensor. It was devised that the sensor or SQUID magnetic sensor is temporarily put into a dormant mode by setting it to the unlocked state while moving, and the measurement is performed in a locked state in which the magnetic field can be measured only when stopped. In the data acquisition process, an AC signal application mechanism that applies an AC signal to a non-analyte gives an AC stimulus such as current, voltage, magnetism, light, and heat, and measures a magnetic change that occurs in response. It is also possible.

SQUID磁気センサを例に説明する。
まず、SQUID磁気センサがあるA地点から次のA´地点に動く場合、たとえ1mm程度でも環境磁気ノイズの影響が大きい事は先に述べた。そこで、センサ自身が自走する連続測定の間、SQUID磁気センサは、図8に示すようにSQUIDロック工程とSQUIDロック解除工程とを連続的に繰り返す。
A SQUID magnetic sensor will be described as an example.
First, as mentioned above, when the SQUID magnetic sensor moves from one A point to the next A 'point, the influence of environmental magnetic noise is large even if it is about 1 mm. Therefore, during the continuous measurement in which the sensor itself runs, the SQUID magnetic sensor continuously repeats the SQUID lock process and the SQUID lock release process as shown in FIG.

環境磁気ノイズの変化をBEX と表わし、被検体から発せられる微弱な信号をBINT として、SQUID磁気センサを動かすと、従来技術による計測値Btotalは、
第1点目では、Btotal =BINT 、第2点目では、Btotal n+1=BEX n+1+BINT n+1、第3点目では、Btotal n+2=(BEX n+1+BEX n+2)+BINT n+2、第4点目では、Btotal n+3=(BEX n+1+BEX n+2+BEX n+3)+BINT n+3・・・となり、前述のようにBEX >>BINT であるから、仮に1〜2点目までの計測は可能であっても、図4に示すようにオフセットが生じ、何点目かではダイナミックレンジを必ず越えてしまう。
The changes in the environmental magnetic noise is expressed as B EX n, a weak signal emanating from the object as a B INT n, move the SQUID magnetic sensor, the measured value B total according to the prior art,
In the first point, B total n = B INT n , in the second point, B total n + 1 = B EX n + 1 + B INT n + 1 , and in the third point, B total n + 2 = (B EX n + 1 + B EX n + 2 ) + B INT n + 2 In the fourth point, B total n + 3 = (B EX n + 1 + B EX n + 2 + B EX n + 3 ) + B INT n + 3 ... And B EX n >> B INT n as described above. Even if measurement up to the second point is possible, an offset occurs as shown in FIG. 4, and the dynamic range is always exceeded at some points.

これに対し本発明では、SQUID磁気センサが移動する時に、地磁気等環境磁気ノイズを感知しないように、SQUID磁気センサのロックをはずして瞬時的な測定休止状態を作ることを特徴としている。従来技術のように、SQUID磁気センサをロックしたままSQUID磁気センサを移動させると、一例として前述したようにわずか1mm動かした場合でもベースが約100Φも地磁気によって変化してしまう。そのため、従来法としてはSQUID磁気センサを固定することによって、環境磁気ノイズの空間変化を一定にさせる目的で被検体を動かした測定がなされているが、この方法では大型の被検体の非破壊検査は不可能である。 On the other hand, the present invention is characterized in that when the SQUID magnetic sensor moves, the SQUID magnetic sensor is unlocked and an instantaneous measurement pause state is created so as not to detect environmental magnetic noise such as geomagnetism. As in the prior art, moving the SQUID magnetic sensor while locked SQUID magnetic sensor, based even when moved slightly 1mm as described above as an example is changed by about 100Fai 0 also geomagnetism. Therefore, as a conventional method, the SQUID magnetic sensor is fixed and the measurement is performed by moving the subject in order to make the spatial change of the environmental magnetic noise constant. In this method, nondestructive inspection of a large subject is performed. Is impossible.

一方、本発明ではSQUID磁気センサ移動中は、一旦SQUID磁気センサをSQUIDロック解除工程によりロック解除状態にすることにより、SQUID磁気センサの動作を一時的に休止モードとさせた状態でSQUID磁気センサを走査する。   On the other hand, in the present invention, during the movement of the SQUID magnetic sensor, the SQUID magnetic sensor is temporarily put into the sleep mode by temporarily setting the SQUID magnetic sensor to the unlocked state by the SQUID unlocking process. Scan.

このような一時的な休止モードを設ける手段を新たに付け加えることによって、SQUID磁気センサが移動するときに感知してしまう不要な地磁気等の環境磁気ノイズ(例えば1mmでは約100Φ)を感知しないで、被検体から発生する微弱な磁気のみを取り出すことができ、SQ UID磁気センサ走査中にロック状態とロック解除とを繰り返すことにより、連続した計測が可能となる。回路上は、SQUIDのφ−V特性は図3(d)のように、無限につらなる周期性をもっており、この周期性を利用し、一旦、ロックを解除することによって磁気ノイズを回避し、次のロック状態では無限につらなるφ−V特性の新たな点を動作点として固定し、不要なオフセットが生じない状態でSQUID磁気センサを動作させることができる。 By newly adding a means for providing such a temporary sleep mode, it is possible to avoid detecting unnecessary environmental magnetic noise such as geomagnetism that is detected when the SQUID magnetic sensor moves (for example, about 100Φ 0 at 1 mm). Only the weak magnetism generated from the subject can be taken out, and continuous measurement can be performed by repeating the locked state and the unlocked state during the scanning of the SQ UID magnetic sensor. On the circuit, as shown in Fig. 3 (d), the SQUID's φ-V characteristic has an infinitely periodicity. By utilizing this periodicity, the magnetic noise is avoided by releasing the lock once. In the locked state, a new point of infinite φ-V characteristics can be fixed as an operating point, and the SQUID magnetic sensor can be operated without causing an unnecessary offset.

すなわち、環境磁気ノイズの変化をBEX と表わし、被検体から発せられる微弱な信号をBINT として、SQUID磁気センサを動かすと、本発明による計測値Btotalは、第1点目では、Btotal =BINT 、第2点目では、Btotal n+1=BINT n+1、第3点目では、Btotal n+2=BINT n+2、第4点目では、Btotal n+3=BINT n+3・・・であり、図4(d)に示すようにオフセットを排除でき、本来計測すべき、被検体から発せられる微弱な信号のみが計測できる。このように、瞬時的にロックを解除し動作を休止させる方法は、環境磁気ノイズの影響をキャンセルさせる効果があり、SQUID磁気センサ自体を動かすと、センサが振り切れたり、SQUIDのロック状態がはずれたりするという、ダイナミックレンジの問題を解決できる。 That is, when the SQUID magnetic sensor is moved with the change in the environmental magnetic noise represented as B EX n and the weak signal emitted from the subject as B INT n , the measured value B total according to the present invention is as follows: B total n = B INT n , B total n + 1 = B INT n + 1 at the second point, B total n + 2 = B INT n + 2 at the third point, B total n + 3 = B INT n + 3 · at the fourth point As shown in FIG. 4D, the offset can be eliminated and only a weak signal emitted from the subject that should be measured can be measured. In this way, the method of instantaneously releasing the lock and pausing the operation has the effect of canceling the influence of environmental magnetic noise, and moving the SQUID magnetic sensor itself may cause the sensor to shake out or the SQUID locked state to be released. It can solve the problem of dynamic range.

検査スピードとしては、従来技術では10cm角を1mmピッチで1万点測定する場合には30〜40分程度必要である。一方、本発明では、SQUID動作の一時的な休止モードを新たに設けた手段を付け加えているものの、ロック状態のON/OFFは遅延なく瞬時(<10ミリ秒)に行うことができるために、本発明を採用することによって検査時間が長くなることはない。一方、被検体の重量や寸法に関しては、従来技術では、xyzステージに被検体をのせた検査であるため、制限されるが本発明はSQUID磁気センサ自体が走査するため原理的には制限がない。一例では、市販のxyzステージの最大荷重は、重量7kgであるので、一般の金属(比重約5g)では、およそ40cm角(厚み1cm)程度の寸法が最大の検査範囲となってしまうが、そのような制約を解消できる。   The inspection speed requires about 30 to 40 minutes in the case of measuring 10,000 points with a 1 mm pitch in a 10 cm square in the prior art. On the other hand, in the present invention, although means for newly providing a temporary pause mode of the SQUID operation is added, ON / OFF of the lock state can be performed instantaneously (<10 milliseconds) without delay. By adopting the present invention, the inspection time is not prolonged. On the other hand, the weight and dimensions of the subject are limited in the prior art because the test is performed by placing the subject on the xyz stage, but the present invention is not limited in principle because the SQUID magnetic sensor itself scans. . In one example, since the maximum load of a commercially available xyz stage is 7 kg in weight, with a general metal (specific gravity about 5 g), a size of about 40 cm square (thickness 1 cm) is the maximum inspection range. Such restrictions can be eliminated.

本発明によれば、SQUID磁気センサを用いる非破壊検査を、発電プラント、橋梁、高層ビルなど大規模な被検体を磁気センサ自身が自走しながら、連続的に検査することができ、被検体のサイズや寸法に制約がなく、各種フィールドにおいてSQUID磁気センサを用いた非破壊検査が可能となる。   According to the present invention, a nondestructive inspection using a SQUID magnetic sensor can be continuously performed while a magnetic sensor itself is self-propelling a large-scale object such as a power plant, a bridge, a high-rise building, and the like. There are no restrictions on the size and dimensions of the sensor, and nondestructive inspection using SQUID magnetic sensors is possible in various fields.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図6は、本発明に係る微弱磁場の計測装置の構成を示すブロック図である。
センサ駆動機構2によって、周期的な入出力特性を有するセンサ1を駆動する。駆動は、センサからの出力をフィードバックし、動作点をセンサの周期的な入出力特性の一点に固定するように行なわれる。これにより、フィードバック量として磁場、或いは磁気を検出する。移動機構3は、周期的な入出力特性を有するセンサ1、或いは周期的な入出力特性を有するセンサ1を含む、移動可能な構成要素全体を機械的に移動し、センサ1を被検体に沿って移動させる。移動可能な構成要素は、センサ1とセンサ駆動機構2、センサ1とセンサ駆動機構2と計測動作制御部4などが考えられる。移動制御部5は、この移動機構3の移動と停止を制御し、移動と停止を繰返しながら被検体に対する所定の検査エリアの走査を可能とする。この移動制御部5と計測動作制御部4は連動して動作する。計測動作制御部4は、センサ或いはセンサを含む移動可能な構成要素の移動時には、センサをロック解除状態としセンサを休止モードとし、動作点は固定せず、その時のセンサへの入力に応じた周期的な入出力特性上の点に移る。センサ或いはセンサを含む移動可能な構成要素の停止時には、計測動作制御部4は、センサをロック状態としセンサの動作点を周期的な入出力特性上の一点に固定することで、入出力特性を線形化し、磁場或いは磁気の計測が可能な状態にする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a weak magnetic field measurement apparatus according to the present invention.
The sensor driving mechanism 2 drives the sensor 1 having periodic input / output characteristics. The driving is performed so that the output from the sensor is fed back and the operating point is fixed to one point of the periodic input / output characteristics of the sensor. Thereby, a magnetic field or magnetism is detected as a feedback amount. The moving mechanism 3 mechanically moves the entire movable component including the sensor 1 having periodic input / output characteristics or the sensor 1 having periodic input / output characteristics, and moves the sensor 1 along the subject. To move. Conceivable components include the sensor 1, the sensor driving mechanism 2, the sensor 1, the sensor driving mechanism 2, the measurement operation control unit 4, and the like. The movement control unit 5 controls the movement and stop of the moving mechanism 3 and enables scanning of a predetermined examination area with respect to the subject while repeating the movement and stop. The movement control unit 5 and the measurement operation control unit 4 operate in conjunction with each other. When the movable component including the sensor or the movable component moves, the measurement operation control unit 4 puts the sensor into the unlocked state, puts the sensor into the sleep mode, does not fix the operating point, and cycles according to the input to the sensor at that time To the point on the typical input / output characteristics. When the sensor or a movable component including the sensor is stopped, the measurement operation control unit 4 sets the sensor in a locked state and fixes the operation point of the sensor to one point on the periodic input / output characteristics, thereby adjusting the input / output characteristics. Linearize to make it possible to measure magnetic field or magnetism.

移動制御部5が制御する機械的な移動、並びに計測動作制御部4によるセンサのロック状態とロック解除状態の切り替えをマッチングさせた制御は図9に基づいて行なわれる。まず、ロック解除工程により、センサをロック解除状態とし計測動作を休止モードにする。次に、センサ移動工程において、最初の、或は次の測定点まで、センサ或いはセンサを含む移動可能な構成要素を移動させる。次の測定点に到達した時点で、センサ移動停止工程において、目的の測定点で停止する。次に、ロック工程により、センサをロック状態とし計測動作を開始する。計測動作は、データ取得工程に行なわれる。このように行なわれる一連の測定手順を連続して繰り返すことにより、検査範囲すべてをセンサ或いはセンサを含む移動可能な構成要素で走査し、計測する。データ取得工程の終了後、次の測定点がある場合は、はじめのロック解除工程に戻り、センサをロック解除状態とし計測動作を休止モードにし、次に、センサ移動工程において、次の測定点まで、センサ或いはセンサを含む移動可能な構成要素を移動させる。これにより、検査範囲すべての検査が終了する。   Control that matches the mechanical movement controlled by the movement control unit 5 and switching between the locked state and the unlocked state of the sensor by the measurement operation control unit 4 is performed based on FIG. First, in the unlocking process, the sensor is brought into the unlocked state, and the measurement operation is set to the pause mode. Next, in the sensor moving step, the movable component including the sensor or the sensor is moved to the first or next measurement point. When the next measurement point is reached, the sensor movement stop process stops at the target measurement point. Next, in the locking process, the sensor is brought into a locked state and a measurement operation is started. The measurement operation is performed in the data acquisition process. By continuously repeating a series of measurement procedures performed in this way, the entire inspection range is scanned and measured with a sensor or a movable component including the sensor. After the data acquisition process, if there is the next measurement point, return to the first unlocking process, put the sensor in the unlocked state, set the measurement operation to the sleep mode, and then move to the next measuring point in the sensor moving process. , Moving the sensor or a movable component including the sensor. Thereby, the inspection of the entire inspection range is completed.

図7は、SQUID磁気センサによる検査装置の構成を示すブロック図である。
SQUID磁気センサ(A-1)を動かす機械的な移動、並びにSQUID磁気センサ(A-1)の動作のロック状態とロック解除状態の切り替えをマッチングさせた制御は図8に基づいて行なわれる。検査する領域(例えば1メートル四方)と検査間隔(例えば1mmピッチ)とを、移動動作設定工程で、SQUID磁気センサ(A-1)を移動させるSQUID移動制御部(B-2)に入力する。必要に応じて交流信号印加機構(A-4)により、被検体に電流、電圧、磁気、光、熱などの方法で、交流の信号を印加する。1チャンネルのSQUID磁気センサの場合を例にとれば、まずデータ取得工程でスタート開始地点の第1点目の計測を行う。次に、SQUIDロック解除工程でSQUID磁気センサ(A-1)のロックを一旦解除しロック解除状態とし、一時的にSQUID磁気センサ(A-1)の動作を休止モードとして、移動工程で検査間隔分だけSQUID磁気センサ(A-1)を動かして、移動停止工程でSQUID磁気センサ(A-1)を停止し、第2点目に移動させ、SQUIDロック工程で、SQUID磁気センサ(A-1)をロック状態に戻し、データ取得工程で計測を行う。このように瞬時で行なわれる一連の計測手順を連続して繰り返すことにより、検査範囲全てをSQUID磁気センサ(A-1)自体が走査することによって検査が完了する。計測時にはSQUID磁気センサ(A-1)は停止するため、その移動はディジタル的に不連続であり、測定時間から逆算すると、一点あたり役0.2秒(参考値)費やしている。言うまでもなく、検査範囲の上限や検査ピッチの下限は、SQUID移動機構(B-1)の機械的な性能に依存しており、検査対象に応じた選定が必要となる。
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of an inspection apparatus using a SQUID magnetic sensor.
Control that matches the mechanical movement for moving the SQUID magnetic sensor (A-1) and the switching of the locked state and the unlocked state of the operation of the SQUID magnetic sensor (A-1) is performed based on FIG. The region to be inspected (for example, 1 meter square) and the inspection interval (for example, 1 mm pitch) are input to the SQUID movement control unit (B-2) that moves the SQUID magnetic sensor (A-1) in the movement operation setting step. If necessary, an AC signal is applied to the subject by an AC signal application mechanism (A-4) by a method such as current, voltage, magnetism, light, or heat. Taking the case of a one-channel SQUID magnetic sensor as an example, first, the first point of the start start point is measured in the data acquisition process. Next, the SQUID magnetic sensor (A-1) is unlocked once in the SQUID unlocking process to be in the unlocked state, the operation of the SQUID magnetic sensor (A-1) is temporarily set to the sleep mode, and the inspection interval in the moving process. Move the SQUID magnetic sensor (A-1) by the same amount, stop the SQUID magnetic sensor (A-1) in the movement stop process, move it to the second point, and move the SQUID magnetic sensor (A-1) in the SQUID lock process. ) Is returned to the locked state, and measurement is performed in the data acquisition process. By repeating a series of measurement procedures performed instantaneously in this way, the inspection is completed when the SQUID magnetic sensor (A-1) itself scans the entire inspection range. Since the SQUID magnetic sensor (A-1) stops at the time of measurement, its movement is digitally discontinuous, and spending 0.2 seconds (reference value) per point when calculated backward from the measurement time. Needless to say, the upper limit of the inspection range and the lower limit of the inspection pitch depend on the mechanical performance of the SQUID moving mechanism (B-1) and must be selected according to the inspection object.

SQUID磁気センサ(A-1)の電子制御系(A:A-1、A-2、A-3、A-4含む)とSQUID磁気センサ(A-1)、或はSQUID磁気センサ(A-1)を含む、移動可能な構成要素全体を機械的に動かす移動系(B:B-1、B-2含む)、並びにこれらを図8の計測手順に基づいてコントロールする計測制御部(C)に大別される。移動可能な構成要素は、SQUID磁気センサ(A-1)とSQUID動作制御部(A-2)と磁気計測部と交流信号印加機構(A-4)の任意の組み合わせが考えられる。A-1はSQUID磁気センサであり、マグネットメータ型、差分型など用途に応じて種類が選択される。A-2は、SQUIDの動作を一時的に休止したり再開したりするSQUIDのロック状態を制御するSQUID動作制御部である。また、A -3は、電気的に磁気の強さのデータを得る磁気計測部である。A-4は、被検体に電流、電圧、磁気、光、熱などの方法で、交流の信号を印加するための交流信号印加機構である。一方、移動系BはSQUID磁気センサ自体を動かす移動機構(B-1)と測定範囲や測定間隔や移動/停止を制御している移動制御部(B-2)で構成されている。Cは電子制御系Aと移動系Bとをコントロールする計測制御部である。   Electronic control system (including A: A-1, A-2, A-3, A-4) and SQUID magnetic sensor (A-1) or SQUID magnetic sensor (A-) 1) including a moving system that mechanically moves the entire movable component (including B: B-1 and B-2), and a measurement control unit (C) that controls these based on the measurement procedure of FIG. It is divided roughly into. The movable component may be any combination of the SQUID magnetic sensor (A-1), the SQUID operation control unit (A-2), the magnetic measurement unit, and the AC signal application mechanism (A-4). A-1 is a SQUID magnetic sensor, and the type is selected according to the application, such as a magnet meter type or a differential type. A-2 is a SQUID operation control unit that controls a locked state of the SQUID that temporarily stops or resumes the operation of the SQUID. A -3 is a magnetic measurement unit that electrically obtains magnetic strength data. A-4 is an AC signal applying mechanism for applying an AC signal to a subject by a method such as current, voltage, magnetism, light, and heat. On the other hand, the moving system B includes a moving mechanism (B-1) that moves the SQUID magnetic sensor itself and a movement control unit (B-2) that controls the measurement range, measurement interval, and movement / stop. C is a measurement control unit that controls the electronic control system A and the moving system B.

一例として、SQUID移動機構(B-1)の諸元を下表に示す。
例えば、図7の点線内がSQUID移動機構(B-1)によって自走する部分であるが、各種フィールドで据付が自由な検査装置の場合は、機器のコンパクト化により、検査装置の各構成部全体又は一部を含めて移動することは任意である。当然、SQUIDのチャンネル数を増やした場合には、1個の場合よりも検査スピードの向上や確度の向上が期待できる。
また、交流信号印加機構(A-4)により交流の信号を印加し、それに対応する磁気信号の変化を、磁気計測部(A-3)で同期検波することは、S/Nの向上や計測値の連続性の精度を上げるために有効である。
As an example, the following table shows the specifications of the SQUID moving mechanism (B-1).
For example, the dotted line in Fig. 7 is the part that is self-propelled by the SQUID moving mechanism (B-1), but in the case of an inspection device that can be installed freely in various fields, each component of the inspection device can be reduced by making the equipment compact. It is arbitrary to move in whole or in part. Of course, when the number of SQUID channels is increased, the inspection speed and accuracy can be improved compared to the case of one.
In addition, applying an AC signal with the AC signal application mechanism (A-4) and synchronously detecting the corresponding change in the magnetic signal with the magnetic measurement unit (A-3) can improve S / N and measure it. This is effective for increasing the accuracy of continuity of values.

なお、本発明のようにSQUID磁気センサ(A-1)自体が移動する検査を行う場合でも、環境磁気ノイズの影響は小さいほど良いため、高感度磁気センサの本体を磁気シールド内部に設置させ、検出コイルを外部に別に設けた検査装置や差分型の磁気センサが有効である。 In addition, even when performing an inspection in which the SQUID magnetic sensor (A-1) itself moves as in the present invention, the smaller the influence of environmental magnetic noise is, the better, the main body of the high-sensitivity magnetic sensor is installed inside the magnetic shield, An inspection device and a differential magnetic sensor provided with a separate detection coil are effective.

図10は、高感度磁気センサとして、差分型ではないマグネットメータ型のSQUID磁気センサを使用し、前記によりセンサ自身が移動する連続測定の間、図8に示すようにSQUIDのロック状態とロック解除状態とを連続的に繰り返しながら検査し、磁気分布をマッピングした実施例である。走査範囲は100mm×40mmであり、矢印は、目視で観察した不良箇所に対応している。不良箇所に対応して、SQUID磁気センサの信号に明瞭な変化が表れている。このように本発明は、SQUID磁気センサ自体を動かすことによって生じる地磁気等の環境磁気ノイズの影響により、SQUIDのロックがはずれ計測不能となったり、ダイナミックレンジをオーバーしたりするといった問題を解決できる。しかも、この実施例では、通常、環境磁気ノイズに弱いとされてきたマグネットメータ型のSQUID磁気センサにおいても、本発明によりSQUID磁気センサ自体を動かした検査が可能となることを示している。   FIG. 10 shows that a high-sensitivity magnetic sensor is a differential-type magnetometer type SQUID magnetic sensor, and the SQUID is locked and unlocked as shown in FIG. This is an example in which the magnetic distribution is mapped by inspecting the state continuously and repeatedly. The scanning range is 100 mm × 40 mm, and the arrows correspond to defective portions observed visually. A clear change appears in the signal of the SQUID magnetic sensor corresponding to the defective part. As described above, the present invention can solve the problem that the SQUID is unlocked and cannot be measured or the dynamic range is exceeded due to the influence of environmental magnetic noise such as geomagnetism caused by moving the SQUID magnetic sensor itself. In addition, in this embodiment, it is shown that, even in a magnetometer type SQUID magnetic sensor, which is usually considered to be weak against environmental magnetic noise, the present invention enables inspection by moving the SQUID magnetic sensor itself.

次に、図11では差分型のSQUID磁気センサを使用して62mm×2mmの範囲を同様の手法で計測し、磁気分布をマッピングした検査結果を示している。この場合も、図10と同様に目視で観測した不良箇所と同じ位置でSQUID磁気センサの信号が明瞭に変化しており、被検体の不良箇所を検査することができた。   Next, FIG. 11 shows a test result obtained by mapping a magnetic distribution by measuring a 62 mm × 2 mm range using a differential SQUID magnetic sensor in the same manner. Also in this case, the signal of the SQUID magnetic sensor clearly changed at the same position as the visually observed defective part, as in FIG. 10, and the defective part of the subject could be inspected.

以上の実施例で示したように、SQUID磁気センサが移動する時に、SQUID磁気センサの測定モードを図8に示したブロック図に基づいて、SQUIDのロック状態とロック解除とを繰り返す手段により計測を行えば、SQUID磁気センサ自体を連続的に走査させた非破壊検査が可能となることを実証している。   As shown in the above embodiment, when the SQUID magnetic sensor moves, the measurement mode of the SQUID magnetic sensor is measured based on the block diagram shown in FIG. 8 by means of repeatedly locking and unlocking the SQUID. This demonstrates that non-destructive inspection is possible by continuously scanning the SQUID magnetic sensor itself.

なお、本実施例で示したこれらの検査結果は、磁気シールドなど特別な磁気ノイズ低減対策は一切せず、本検査に関係しない機器や機械も通常どおり稼働した状態の昼間に計測されたものであり、検査時の環境磁気ノイズは決して小さくはない。   In addition, these inspection results shown in this example were measured in the daytime without any special magnetic noise reduction measures such as magnetic shielding, and equipment and machines not related to this inspection were operating normally. Yes, environmental magnetic noise during inspection is not small.

また、本実施例では、センチメートルレベルの検査範囲を示したが、移動機構を大型にすれば、航空機、発電プラント、橋梁、及び高層ビルなど大規模な被検体の非破壊検査に対応できる。さらに、無線によるコントロールなど、自走ロボットに組込んだ小型の検査機器を製作すれば、発電所や工事現場などの各種フィールドにおいても、検査対象物(ワーク)への据付が自由となる。このように、本発明によって原理的には、被検体のサイズや寸法に制約がなく、各種フィールドにおいて広範囲に磁気分布を計測できるSQUID磁気センサを実現できる。   Moreover, although the inspection range of the centimeter level is shown in the present embodiment, if the moving mechanism is made large, it can cope with non-destructive inspection of a large-scale subject such as an aircraft, a power plant, a bridge, and a high-rise building. Furthermore, if a small inspection device built into a self-propelled robot such as wireless control is manufactured, it can be freely installed on the inspection object (work) in various fields such as a power plant and a construction site. Thus, in principle, the present invention can realize a SQUID magnetic sensor that can measure the magnetic distribution over a wide range in various fields without any restrictions on the size and dimensions of the subject.

SQUID磁気センサの基本構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the basic structure of a SQUID magnetic sensor. 磁束変調を使うフィードバックをもつDC-SQUIDの回路ブロック図である。FIG. 4 is a circuit block diagram of a DC-SQUID with feedback using magnetic flux modulation. SQUIDの出力電圧Vの波形と測定磁場による磁束φsとの関係を示す図であり、磁束固定ループ(FLL)を説明する図である。It is a figure which shows the relationship between the waveform of the output voltage V of SQUID, and the magnetic flux (phi) s by a measurement magnetic field, and is a figure explaining a magnetic flux fixed loop (FLL). フィードバックにより線形化されたφ―V特性を示す図である。It is a figure which shows the φ-V characteristic linearized by feedback. 環境磁気ノイズと被検体から発せられる微弱な磁気信号との空間分布の関係の一例を模式的に表わした図であり、低周波の環境磁気ノイズに微弱な信号が加算されている状態を示す図である。It is the figure which showed typically an example of the relationship of the spatial distribution of environmental magnetic noise and the weak magnetic signal emitted from the subject, and shows the state where the weak signal is added to the low frequency environmental magnetic noise It is. 本発明に係る微弱磁場の計測装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the measuring apparatus of the weak magnetic field which concerns on this invention. 本発明に係るSQUID磁気センサによる検査装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the inspection apparatus by the SQUID magnetic sensor which concerns on this invention. 本発明に係るSQUID磁気センサによる検査装置の計測手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement procedure of the test | inspection apparatus by the SQUID magnetic sensor which concerns on this invention. 本発明に係る微弱磁場の計測装置による計測手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement procedure by the measuring apparatus of the weak magnetic field which concerns on this invention. マグネットメータ型のSQUIDを用いてSQUIDヘッド自体を駆動させて、被検体の不良箇所を検査した実施例を示す図である。(矢印が不良箇所を示す。)It is a figure which shows the Example which driven the SQUID head itself using the magnetometer type | mold SQUID, and test | inspected the defective location of the subject. (The arrow indicates the defective part.) 差分型のSQUIDを用いてSQUIDヘッド自体を駆動させて、被検体の不良箇所を検査した実施例を示す図である。(矢印が不良箇所を示す。)It is a figure which shows the Example which driven the SQUID head itself using the differential type | mold SQUID, and test | inspected the defective location of the subject. (The arrow indicates the defective part.)

符号の説明Explanation of symbols

1 周期的な入出力特性を有するセンサ
2 センサ駆動機構
3 移動機構
4 計測動作制御部
5 移動制御部
A−1 SQUID磁気センサ
A−2 SQUID動作制御部
A−3 磁気計測部
A−4 交流信号印加機構
B−1 SQUID移動機構
B−2 SQUID移動制御部
C 計測制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor which has periodic input-output characteristic 2 Sensor drive mechanism 3 Movement mechanism 4 Measurement operation control part 5 Movement control part A-1 SQUID magnetic sensor A-2 SQUID operation control part A-3 Magnetic measurement part A-4 AC signal Application mechanism B-1 SQUID movement mechanism B-2 SQUID movement control section C Measurement control section

Claims (4)

検出コイル及び該検出コイルにより検出された磁場に基づく磁束に応じて電気信号を出力するSQUID素子と、
前記SQUID素子OLE_LINK1からの出力をフィードバックすることにより、前記SQUID素子の動作点を一点にロックして被検体の発する磁場を検出するセンサ駆動機構と、
少なくとも前記SQUID素子を移動させる移動機構と、
前記移動機構の移動/停止を制御する移動制御部と、
前記移動制御部による移動/停止に連動し、前記センサ駆動機構のロック状態とロック解除状態の切り替えを制御する計測動作制御部と、
を有することを特徴とする微弱磁場の計測装置。
A SQUID element that outputs an electrical signal in accordance with a detection coil and a magnetic flux based on a magnetic field detected by the detection coil;
A sensor driving mechanism for detecting the magnetic field generated by the subject by locking the operating point of the SQUID element at one point by feeding back the output from the SQUID element OLE_LINK1;
A moving mechanism for moving at least the SQUID element ;
A movement control unit for controlling movement / stop of the moving mechanism;
In conjunction with movement / stop by the movement control unit, a measurement operation control unit that controls switching between the locked state and the unlocked state of the sensor drive mechanism;
An apparatus for measuring a weak magnetic field, comprising:
検出コイル及び該検出コイルにより検出された磁場に基づく磁束に応じて電気信号を出
力するSQUID素子を有し、
前記SQUID素子から出力された電気信号を磁束として当該SQUID素子にフィードバックすることにより前記SQUID素子の周期的な電圧/磁束特性上の一点に動作点を ロックして被検体の発する微弱磁場を計測するSQUID磁気センサと、
前記SQUID磁気センサを移動させる移動機構と、
前記移動機構を、移動/停止を繰り返し、前記SQUID磁気センサで前記被検体の磁場計測範囲を走査させる移動制御部と、
前記移動制御部による前記SQUID磁気センサの移動/停止に連動して、前記SQU ID磁気センサのロック解除状態とロック状態を繰り返し操作する計測動作制御部と、
前記被検体に交流の信号を印加する交流信号印加機構と、
を有することを特徴とする微弱磁場の計測装置。
A detection coil and a SQUID element that outputs an electrical signal in accordance with a magnetic flux based on the magnetic field detected by the detection coil;
By feeding back the electric signal output from the SQUID element as a magnetic flux to the SQUID element, the operating point is locked to one point on the periodic voltage / magnetic flux characteristics of the SQUID element, and the weak magnetic field generated by the subject is measured. A SQUID magnetic sensor;
A moving mechanism for moving the SQUID magnetic sensor;
A movement control unit configured to repeatedly move / stop the movement mechanism and scan the magnetic field measurement range of the subject with the SQUID magnetic sensor;
In conjunction with the movement / stop of the SQUID magnetic sensor by the movement control unit, a measurement operation control unit that repeatedly operates the unlocked state and the locked state of the SQUID magnetic sensor;
An AC signal applying mechanism for applying an AC signal to the subject;
An apparatus for measuring a weak magnetic field, comprising:
検出コイル及び該検出コイルにより検出された磁場に基づく磁束に応じて電気信号を出力するSQUID素子と、
前記SQUID素子からの出力をフィードバックすることにより、前記SQUID素子の動作点を一点にロックして被検体の発する磁場を検出するセンサ駆動機構と、を用い、
移動機構で少なくとも前記SQUID素子を被検体上で移動させる時には、前記SQUID素子のロックを解除した状態にし、
移動機構で少なくとも前記SQUID素子を被検体上の目的の測定位置で停止させる時には、前記SQUID素子をロック状態にして、前記ロック状態で前記SQUID素子により磁場を計測するデータ取得する
ことを特徴とする微弱磁場の計測方法。
A SQUID element that outputs an electrical signal in accordance with a detection coil and a magnetic flux based on a magnetic field detected by the detection coil;
Using a sensor driving mechanism that detects the magnetic field generated by the subject by locking the operating point of the SQUID element to one point by feeding back the output from the SQUID element ,
When moving at least the SQUID element on the subject by the moving mechanism, the SQUID element is unlocked,
When at least the SQUID element is stopped at a target measurement position on a subject by a moving mechanism, the SQUID element is locked, and data for measuring a magnetic field by the SQUID element is acquired in the locked state. A method for measuring weak magnetic fields.
検出コイル及び該検出コイルにより検出された磁場に基づく磁束に応じて電気信号を出
力するSQUID素子を有し、
前記SQUID素子から出力された電気信号を磁束として当該SQUID素子にフィードバックすることにより前記SQUID素子の周期的な電圧/磁束特性上の一点に動作点をロックして被検体の発する微弱磁場を計測するSQUID磁気センサを用い、
前記SQUID磁気センサは、移動工程と移動停止工程で、移動/停止を繰り返して被検体上の磁場計測範囲を走査し、
その際、移動時はSQUIDロック解除工程により当該SQUID磁気センサをロック解除状態として磁場の計測を休止し、停止時にはSQUIDロック工程によりSQUID磁気センサをロック状態として、データ取得工程で磁場を計測することを特徴とする微弱磁場の計測方法。
A detection coil and a SQUID element that outputs an electrical signal in accordance with a magnetic flux based on the magnetic field detected by the detection coil;
By feeding back the electric signal output from the SQUID element as a magnetic flux to the SQUID element, the operating point is locked to one point on the periodic voltage / magnetic flux characteristics of the SQUID element, and the weak magnetic field generated by the subject is measured. Using a SQUID magnetic sensor,
The SQUID magnetic sensor scans the magnetic field measurement range on the subject by repeatedly moving / stopping in the movement step and the movement stop step,
At that time, when moving, the SQUID magnetic sensor is unlocked by the SQUID lock releasing process, and the magnetic field measurement is paused. When stopped, the SQUID magnetic sensor is locked by the SQUID locking process, and the magnetic field is measured by the data acquisition process. A method for measuring a weak magnetic field characterized by
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