超导弱磁信号探测磁力仪的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型公开了超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度。本实用新型是一项国际上最新的弱磁信号探测设备，相比于传统的电子磁力仪，超导弱磁信号探测磁力仪的分辨率高、精度高、高智能化、高稳定性，除用于物探工作外，还可用于医学上的心、脑磁测量；工程上的无损检测等。
【专利说明】超导弱磁信号探测磁力仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于磁场探测领域，特别涉及一种弱磁信号探测设备。
【背景技术】
[0002]磁力仪采集磁场数据的精确度和准确度将直接影响勘探或探测的效果，它主要用于测量地球的一个重要的基本参数一地磁场，是物探方法中的磁力勘探的基础设备，在航天、军事探测与监测(潜艇)、地震预报、地质填图、矿产资源勘探、空间物理研宄、考古、环境监测、生物磁学等众多领域广泛应用。
[0003]我国是历史上最早研宄地球磁场的国家。但是到了近代，磁力仪的技术大大落后于西方国家。新中国成立后，我国的磁力仪技术开始了艰难的起步。先后研制了悬丝式磁力仪、磁通门磁力仪、磁探仪、质子磁力仪、DI磁力仪、光泵磁力仪。改革开放后，我国引进了加拿大的MP-4型质子磁力仪和美国的G-856AX型质子磁力仪。我国的地面磁法勘探水平在短时间内达到了国际先进水平。进入21世纪以来，国家对地质事业投资力度加大，社会对质子磁力仪的需求猛增。但是，我国的磁力仪在工艺水平上、仪器功能上与国外先进的磁力仪有很大差距，在稳定性与可靠性上也落后于国外先进的磁力仪。磁力仪的技术创新远远不够。
[0004]在地质调查和勘探中急需解决以下问题:(I)深部探矿(金属矿和煤矿):由于地表矿产日益枯竭，矿产调查和勘探要求向1000米以上深度勘探，目前的技术手段不能满足要求；(2)油气勘探:目前可测深度不满足要求；(3)航空勘探:目前的航测手段只能满足大面积普查，不能够满足勘探要求；(4)断裂构造的探测与实时监测:山体滑坡、泥石流、溃坝、采空区塌陷、桥梁坍塌、透水等事故探测与监测技术。工程上，一个满意的地下目标探测系统，在设计和实现上都极为复杂。由于地球内部允许使用的信道限制，接收机水平、信息处理技术以及信号本身又非常微弱的缘故，束缚了地下目标探测系统的发展和实际应用。
[0005]瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流；断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快、趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。
[0006]瞬变电磁法的工作效率高，但也不能取代其它电法勘探手段，当周边遇到有大的地面或空间的金属结构时，其灵敏度和稳定性不够，所测到的数据不可使用，此时应补充直流电法或其它物探方法；同时抗干扰能力不足，在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时(如地层表面充满石墨层)瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑地质结构；此外，测量过程比较繁琐，缺乏配套的完备数据处理系统，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造，同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准，才可确保测量的准确性。
[0007]基于超导量子干涉器(SQUID)的弱磁信号与测量系统，是国际上十分关注的尚处于起步阶段的测量方法，且非常敏感和保密。超导量子干涉器(SQUID)利用超导环中弱连接的约瑟夫森效应制成的磁通一电压转换元件，可检测到KT16T/(Hz) V2的微弱磁场信号，具有其他传统传感器不可比拟的磁场灵敏度，是目前灵敏度最高的磁强计。但它并不能直接把磁场转换为测量的电压或电流，必须通过复杂电子元器件即磁通锁定环，才可将磁场信号转换成可测量的电压信号。基于超导量子干涉器(SQUID)的磁力仪，对弱磁信号非常灵敏，且低频响应好，可解决传统基于电磁测量技术的上述勘探问题。
【发明内容】
[0008]发明目的:研发一种超导弱磁信号探测磁力仪，克服现有瞬变电磁法弱磁信号与测量系统的缺陷和不足，提高其灵敏度、稳定性和抗干扰能力，增加数据信号处理系统，提尚实地探测性能。
[0009]技术方案:超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度(如图1)。
[0010]所述超导弱磁信号探测磁力仪中核心部件之间的结构关系具体如下(图2):
[0011](I)无磁杜瓦(图3)中加有液氦，加液氦时要缓慢，以免液氦喷溅到身体；
[0012](2)在所述立体三轴定位仪上安装所述超导量子干涉器，三个所述超导量子干涉器分别置于所述立体三轴定位仪的三个相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金属丝固定连接信号电缆线；
[0013](3)通过探头杆连接所述立体三轴定位仪与微控制处理器，所述立体三轴定位仪的信号电缆线从探头的探头杆中间穿过，将微控制处理器安装在探头杆底部平面上；
[0014](4)将安装好超导量子干涉器的立体三轴定位仪缓慢地放入装有液氦的无磁杜瓦中，所述探头杆的前端与所述立体三轴定位仪一起固定在无磁杜瓦中；
[0015](5)所述探头杆的底部平面与微控制处理器安装在盒式支架上；
[0016](6)所述超导量子干涉器的同轴电缆与所述微控制处理器连接，通过电缆将微控制处理器与电源供电单元、主机连接起来，系统组装完成。
[0017]所述无磁杜瓦的作用是维持超导量子干涉器正常工作所需的低温环境，内部加注液氦作为制冷剂；无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换，以保持内部液氦的低蒸发率；其所选材料均采用磁化率低于I(T5GsA)e的无磁性材料一无磁玻璃钢，无磁性材料可避免在交变磁场作用下出现的感生磁噪声，该无磁玻璃钢为无磁玻璃纤维通过特种环氧粘接剂、聚氨酯固化剂及其他剂粘合固化而成；
[0018]所述超导量子干涉器由一个射频超导量子干涉器(RF-SQUID)构成或由两个直流超导量子干涉器(DC-SQUID)弱连接构成，弱连接处的超导电性受到强烈抑制；所述超导量子干涉器是在约瑟夫森效应和磁通量子化效应基础上发展起来的，可将电场和磁场的微小变化转换为可测量的电压，其性能远远超过常规器件，具有极高的磁场灵敏度，可检测到10_16T/(Hz) V2的微弱磁场信号，具有其他传统传感器不可比拟的磁场灵敏度；所述超导量子干涉器工作在液氦低温状态下约4K。
[0019]为实现空间全方位测量磁场分布，立体三轴定位仪包含三个相互正交的超导环，每个超导环均内嵌连通一个超导量子干涉器(SQUID)，以便能够动态补偿磁扰动；立体三轴定位仪硬件电子电路主要是为超导量子干涉器提供信号，确定超导量子干涉器工作点以及与微控制处理器进行通讯；运用自适应滤波算法来抑制立体三轴定位仪中三个超导环的运动磁场噪声，其噪声源在于超导环在地球空间中扰动地球磁场产生的。自适应滤波算法主要原理是利用量小方差技术，来消除动动磁场噪声。主要是利用金属板、金属网、金属盒等金属体，把电磁场限制在一定空间范围内或把电磁场强度削弱到一定的数量级，其屏蔽结构形式包括屏蔽隔板、共盖屏蔽结构、单独屏蔽和双层屏蔽，从而可实现抑制电路内部串扰和外部干扰等。
[0020]所述超导量子干渉器并不能直接把磁场转换为可测量的电压或电流，必须通过复杂的电子线路进行转换才能将磁场信号转换为可测量的电压信号，这个电子设备就是磁通锁定环。磁通锁定环主要工作原理为:超导量子干涉器要工作在磁通锁定状态，其中外加磁通在超导量子干涉器两端产生的电压被放大并被反馈为正的磁通，这种反馈电路可将超导量子干涉器的响应线性化并且提供大的动态范围。图5给出了工作在磁通模式下的磁通锁定环读出电路示意图，其中超导量子干涉器的偏电流为恒定值Ib，振荡器可产生50-500kHz正弦波或方波调制信号，该信号通过耦合线圈耦合到超导环中，超导量子干涉器的电压输出通过一个变压器LC电路连接到前置放大器上，再经过锁相放大输出到积分器中，然后由积分器输出磁通锁定环电压V.。其中合理选择耦合电路的电压增益可以将超导量子干涉器的动态电阻调到合适的值，从而对前置放大器的噪声进行优化。从锁相环输出的电流经过反馈电阻Rbf馈送到与超导量子干涉器耦合的线圈中，用来抵消外加磁通保证超导量子干涉器中的磁通不变，并且Rbf两端的电压与外加磁通成正比，这样就可以通过测量Rbf两端的电压来计算超导环中磁通变化。
[0021]图6为立体三轴定位仪硬件设计结构框图，两个数模转换器产生两个电压级(偏置与补偿)，控制超导量子干涉器保持适中的电流源；电路板中方波信号发生器(频率5Hz)可以观察超导量子干涉器参数特性，也能通过偏压控制方法自动调整超导量子干涉器工作点即开启超导量子干涉器工作状态的电路环境，自动控制技术可以提高超导量子干涉器工作状态可靠性和有效性。；超导量子干涉器电子元器件控制超导量子干涉器工作状态的数字化控制电子元器件，借助数字控制电子元器件(图6)，既可以加热超导量子干涉器，也可以切换超导量子干涉器电子元器件操作模式(如重启磁通锁定环)。超导量子干涉器电子元器件中输出磁通信号经过输出缓冲进行放大，放大后的磁通信号将调制控制磁通锁定环。所述超导弱磁信号探测磁力仪的硬件模块集成电路布局规划技术主要采用模块划分法，在进行布局时，模块的划分应尽量保持与原电路设计一致，即若无明显的效益，就不要将原来的模块框架破坏，以维持布局与电路设计之间的明确对应关系，使布局验证与修改工作及使用过程中的维护工作容易实施。模块划分法的最大特点在于可兼顾时效或复杂程度考量，布局工程人员可同时并独立地进行各模块布局设计，减少全局工作时间，有利于工作时程的预估及进度的有效掌握。电源线尽量以树枝状分布，其应以交错为原则，并避免相互跨越，必要时以通道方式连线，但应避免用非金属材料，以免造成压降。信号线连线距离越短越好，并应避免用通道方式连接，只可降低信号线上的阻抗，消除电路中可能发生的衰变。数据总线走线应保持路径或距离的一致，有直接将总线贯穿于各模块之中和分布于各模块的间隙中。印刷线路板主要采用双面板和多层板，以增加布线面积，其主要特点在于可高密度化、高可靠性、可设计性、可生产性、可测试性、可组装性和可维护性。硬件模块所选用的元器件均符合国标或国际通用标准，并尽可能选用集成化、数字化元器件，以保证元器件的生命使用周期和性能可靠性。引脚安置所需考虑的引脚有两类:焊接块和功能模块的I/o引脚。硬件模块工艺兼容设计主要采用双极与CMOS工艺，利用薄膜全耗尽SOI膜制造的金属半场效晶体管(MOSFET)不仅具有寄生电容小、抗辐射能力强、可完全消除闭锁效应、可抑制源漏穿通和热载流子效应以及极大改善沟通效应等优点。且与一般体硅器件不同，具有双栅和横向等特殊效应，可在高频和大功率电路中获得广泛应用。
[0022]所述微控制处理器内部包括三个信号处理通道，这三个信号处理通道分别与立体三轴定位仪的三个超导环单独地连接，微控制处理器主要为这些通道提供必备的信号和捕捉输出信号，以及通过封包的形式与立体三轴定位仪进行交换命令流和数据流，从而实现控制三轴定位仪的三个超导环工作状态和采集原始的磁场信号数据；所述微控制处理器使用电磁干扰滤波器对高频电磁信号噪声进行抑制，针对高频电磁噪声中可能同时存在着差模干扰和共模干扰，电磁干扰滤波器结构设计采用共模扼流圈和电容组合用于抑制共模噪声，并采用差模扼流圈和电容组合用于抑制差模噪声，因此，微控制处理器在抑制高频信号噪声干扰的同时，也可提高高频段有用信号的增益。
[0023]图7为多功能微控制处理器硬件设计结构框图。
[0024]所述主机主要作用是为数据信号处理系统运行提供硬件平台，它可以是普通PC计算机。
[0025]所述数据信号处理系统是在Delphi平台下开发实现，主要采用面向对象的程序设计思想，系统界面可视化、友好，可以通过本系统显示被勘探对象的磁场分布时间谱线图。所述数据信号处理系统，主要采用Delphi语言编程实现，Delphi是可面向对象的语言，具有支持抽象性、继承性和封装性等特性，不仅可有效地实现可视化编程，而且可支持面向过程的流程设计，从而可直接实现算法中流程图的条件和循环执行，使系统设计实现达到最优。图8为数据信号处理系统总体工作流程图，图9为数据信号处理系统主界面示意图。
[0026]图8是数据信号处理系统总体工作流程图，所述数据信号处理系统主要功能如下:
[0027]1、磁通锁定环工作点调整，包括手动调节偏置和补偿，也可自动调节偏置和补偿；
[0028]2、量子干涉器中线圈加热触发功能模块，用于触冻超低温工作状态下SQUID器件；
[0029]3、水平基线校准功能，用于调节时间谱线图的基准；
[0030]4、信号幅度增益调节功能；
[0031]5、磁通锁定环系统控制复位功能；
[0032]6、低频滤波功能；
[0033]7、信号记录存储及回放功能；
[0034]8、信号扫频功能。
[0035]本实用新型的优点和有益效果:超导弱磁信号探测磁力仪是一项国际上最新的弱磁信号探测设备，相比于传统的电子磁力仪，超导弱磁信号探测磁力仪的分辨率高、精度高、高智能化、高稳定性。除用于物探工作外，还可用于医学上的心、脑磁测量；工程上的无损检测等。在地球物理勘查上，超导磁力仪可用于深部金属矿、油气资源的勘查。
[0036](I)超导弱磁信号探测磁力仪可以广泛地应用于地震监测、山体监测、道路(含桥遂函)监测，以及探矿等领域，磁场分辨率处于国际领先地位，达到100fT/Hz1/2。
[0037](2)立体三轴定位仪可以帮助超导弱磁信号探测磁力仪获取全方位空间信息，为确定矿体位置和边界提供更多的信息。
[0038](3)无磁杜瓦具有内外壁双层结构以保持低液氦的低蒸发率，所选材料为无磁玻璃钢，其磁化率低于10_5Gs/0e。
[0039](4)磁通锁定环可以将超导量子干涉器接收到的磁场信号转换为电压信号，以便于后期采用通用计算机技术进行分析处理。
[0040](5)多功能微控制处理器，为超导量子干涉器三轴输出通道提供必备的信号和捕捉输出信号，以及与立体三轴定位仪进行交换命令流和数据流。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]图1是本发明的超导弱磁信号探测磁力仪结构框图；
[0042]图2是本发明的超导弱磁信号探测磁力仪安装结构图；
[0043]图3是本发明的无磁杜瓦外观结构图；
[0044]图4是图3的剖面图；
[0045]图5是本发明中的磁通锁定环工作原理示意图；
[0046]图6是立体三轴定位仪硬件设计结构框图；
[0047]图7是微控制处理器硬件设计结构框图；
[0048]图8是数据信号处理系统总体工作流程图；
[0049]图9是数据信号处理系统主界面示意图。
【具体实施方式】
[0050]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0051]超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度(如图1)。
[0052]图2所示，所述超导弱磁信号探测磁力仪中核心部件之间的结构关系具体如下:
[0053](I)无磁杜瓦(图3)中加有液氦，加液氦时要缓慢，以免液氦喷溅到身体；
[0054](2)在所述立体三轴定位仪上安装所述超导量子干涉器，三个所述超导量子干涉器分别置于所述立体三轴定位仪的三个相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金属丝固定连接信号电缆线；
[0055](3)通过探头杆连接所述立体三轴定位仪与微控制处理器，所述立体三轴定位仪的信号电缆线从探头的探头杆中间穿过，将微控制处理器安装在探头杆底部平面上；
[0056](4)将安装好超导量子干涉器的立体三轴定位仪缓慢地放入装有液氦的无磁杜瓦中，所述探头杆的前端与所述立体三轴定位仪一起固定在无磁杜瓦中；
[0057](5)所述探头杆的底部平面与微控制处理器安装在盒式支架上；
[0058](6)所述超导量子干涉器的同轴电缆与所述微控制处理器连接，通过电缆将微控制处理器与电源供电单元、主机连接起来，系统组装完成。
[0059]所述无磁杜瓦的作用是维持超导量子干涉器正常工作所需的低温环境，内部加注液氦作为制冷剂；无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换，以保持内部液氦的低蒸发率；其所选材料均采用磁化率低于I(T5GsA)e的无磁性材料一无磁玻璃钢，无磁性材料可避免在交变磁场作用下出现的感生磁噪声，该无磁玻璃钢为无磁玻璃纤维通过特种环氧粘接剂、聚氨酯固化剂及其他剂粘合固化而成；
[0060]所述超导量子干涉器由一个射频超导量子干涉器(RF-SQUID)构成或由两个直流超导量子干涉器(DC-SQUID)弱连接构成，弱连接处的超导电性受到强烈抑制；所述超导量子干涉器是在约瑟夫森效应和磁通量子化效应基础上发展起来的，可将电场和磁场的微小变化转换为可测量的电压，其性能远远超过常规器件，具有极高的磁场灵敏度，可检测到10_16T/(Hz) V2的微弱磁场信号，具有其他传统传感器不可比拟的磁场灵敏度；所述超导量子干涉器工作在液氦低温状态下约4K。
[0061]为实现空间全方位测量磁场分布，立体三轴定位仪包含三个相互正交的超导环，每个超导环均内嵌连通一个超导量子干涉器(SQUID)，以便能够动态补偿磁扰动；立体三轴定位仪硬件电子电路主要是为超导量子干涉器提供信号，确定超导量子干涉器工作点以及与微控制处理器进行通讯；运用自适应滤波算法来抑制立体三轴定位仪中三个超导环的运动磁场噪声，其噪声源在于超导环在地球空间中扰动地球磁场产生的。自适应滤波算法主要原理是利用量小方差技术，来消除动动磁场噪声。主要是利用金属板、金属网、金属盒等金属体，把电磁场限制在一定空间范围内或把电磁场强度削弱到一定的数量级，其屏蔽结构形式包括屏蔽隔板、共盖屏蔽结构、单独屏蔽和双层屏蔽，从而可实现抑制电路内部串扰和外部干扰等。
[0062]所述超导量子干渉器并不能直接把磁场转换为可测量的电压或电流，必须通过复杂的电子线路进行转换才能将磁场信号转换为可测量的电压信号，这个电子设备就是磁通锁定环。磁通锁定环主要工作原理为:超导量子干涉器要工作在磁通锁定状态，其中外加磁通在超导量子干涉器两端产生的电压被放大并被反馈为正的磁通，这种反馈电路可将超导量子干涉器的响应线性化并且提供大的动态范围。图5给出了工作在磁通模式下的磁通锁定环读出电路示意图，其中超导量子干涉器的偏电流为恒定值Ib，振荡器可产生50-500kHz正弦波或方波调制信号，该信号通过耦合线圈耦合到超导环中，超导量子干涉器的电压输出通过一个变压器LC电路连接到前置放大器上，再经过锁相放大输出到积分器中，然后由积分器输出磁通锁定环电压V.。其中合理选择耦合电路的电压增益可以将超导量子干涉器的动态电阻调到合适的值，从而对前置放大器的噪声进行优化。从锁相环输出的电流经过反馈电阻Rbf馈送到与超导量子干涉器耦合的线圈中，用来抵消外加磁通保证超导量子干涉器中的磁通不变，并且Rbf两端的电压与外加磁通成正比，这样就可以通过测量Rbf两端的电压来计算超导环中磁通变化。
[0063]图6为立体三轴定位仪硬件设计结构框图，两个数模转换器产生两个电压级(偏置与补偿)，控制超导量子干涉器保持适中的电流源；电路板中方波信号发生器(频率5Hz)可以观察超导量子干涉器参数特性，也能通过偏压控制方法自动调整超导量子干涉器工作点即开启超导量子干涉器工作状态的电路环境，自动控制技术可以提高超导量子干涉器工作状态可靠性和有效性。；超导量子干涉器电子元器件控制超导量子干涉器工作状态的数字化控制电子元器件，借助数字控制电子元器件(图6)，既可以加热超导量子干涉器，也可以切换超导量子干涉器电子元器件操作模式(如重启磁通锁定环)。超导量子干涉器电子元器件中输出磁通信号经过输出缓冲进行放大，放大后的磁通信号将调制控制磁通锁定环。所述超导弱磁信号探测磁力仪的硬件模块集成电路布局规划技术主要采用模块划分法，在进行布局时，模块的划分应尽量保持与原电路设计一致，即若无明显的效益，就不要将原来的模块框架破坏，以维持布局与电路设计之间的明确对应关系，使布局验证与修改工作及使用过程中的维护工作容易实施。模块划分法的最大特点在于可兼顾时效或复杂程度考量，布局工程人员可同时并独立地进行各模块布局设计，减少全局工作时间，有利于工作时程的预估及进度的有效掌握。电源线尽量以树枝状分布，其应以交错为原则，并避免相互跨越，必要时以通道方式连线，但应避免用非金属材料，以免造成压降。信号线连线距离越短越好，并应避免用通道方式连接，只可降低信号线上的阻抗，消除电路中可能发生的衰变。数据总线走线应保持路径或距离的一致，有直接将总线贯穿于各模块之中和分布于各模块的间隙中。印刷线路板主要采用双面板和多层板，以增加布线面积，其主要特点在于可高密度化、高可靠性、可设计性、可生产性、可测试性、可组装性和可维护性。硬件模块所选用的元器件均符合国标或国际通用标准，并尽可能选用集成化、数字化元器件，以保证元器件的生命使用周期和性能可靠性。引脚安置所需考虑的引脚有两类:焊接块和功能模块的I/O引脚。硬件模块工艺兼容设计主要采用双极与CMOS工艺，利用薄膜全耗尽SOI膜制造的金属半场效晶体管(MOSFET)不仅具有寄生电容小、抗辐射能力强、可完全消除闭锁效应、可抑制源漏穿通和热载流子效应以及极大改善沟通效应等优点。且与一般体硅器件不同，具有双栅和横向等特殊效应，可在高频和大功率电路中获得广泛应用。
[0064]所述微控制处理器内部包括三个信号处理通道，这三个信号处理通道分别与立体三轴定位仪的三个超导环单独地连接，微控制处理器主要为这些通道提供必备的信号和捕捉输出信号，以及通过封包的形式与立体三轴定位仪进行交换命令流和数据流，从而实现控制三轴定位仪的三个超导环工作状态和采集原始的磁场信号数据；所述微控制处理器使用电磁干扰滤波器对高频电磁信号噪声进行抑制，针对高频电磁噪声中可能同时存在着差模干扰和共模干扰，电磁干扰滤波器结构设计采用共模扼流圈和电容组合用于抑制共模噪声，并采用差模扼流圈和电容组合用于抑制差模噪声，因此，微控制处理器在抑制高频信号噪声干扰的同时，也可提高高频段有用信号的增益。
[0065]图7为多功能微控制处理器硬件设计结构框图。
[0066]所述主机主要作用是为数据信号处理系统运行提供硬件平台，它可以是普通PC计算机。
[0067]所述数据信号处理系统是在Delphi平台下开发实现，主要采用面向对象的程序设计思想，系统界面可视化、友好，可以通过本系统显示被勘探对象的磁场分布时间谱线图。所述数据信号处理系统，主要采用Delphi语言编程实现，Delphi是可面向对象的语言，具有支持抽象性、继承性和封装性等特性，不仅可有效地实现可视化编程，而且可支持面向过程的流程设计，从而可直接实现算法中流程图的条件和循环执行，使系统设计实现达到最优。图14为数据信号处理系统总体工作流程图，图9为数据信号处理系统主界面示意图。
[0068]图8是数据信号处理系统总体工作流程图，所述数据信号处理系统主要功能如下:
[0069]1、磁通锁定环工作点调整，包括手动调节偏置和补偿，也可自动调节偏置和补偿；
[0070]2、量子干涉器中线圈加热触发功能模块，用于触冻超低温工作状态下SQUID器件；
[0071]3、水平基线校准功能，用于调节时间谱线图的基准；
[0072]4、信号幅度增益调节功能；
[0073]5、磁通锁定环系统控制复位功能；
[0074]6、低频滤波功能；
[0075]7、信号记录存储及回放功能；
[0076]8、信号扫频功能。
【权利要求】
1.超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，其特征在于，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度，所述无磁杜瓦中加有液氦；在所述立体三轴定位仪上安装所述超导量子干涉器，三个所述超导量子干涉器分别置于所述立体三轴定位仪的三个相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金属丝固定连接信号电缆线；通过探头杆连接所述立体三轴定位仪与微控制处理器，所述立体三轴定位仪的信号电缆线从探头的探头杆中间穿过，将微控制处理器安装在探头杆底部平面上；安装好超导量子干涉器的立体三轴定位仪放入装有液氦的无磁杜瓦中，所述探头杆的前端与所述立体三轴定位仪一起固定在无磁杜瓦中；所述探头杆的底部平面与微控制处理器安装在盒式支架上；所述超导量子干涉器的同轴电缆与所述微控制处理器连接，通过电缆将微控制处理器与电源供电单元、主机连接起来。
2.根据权利要求1所述的超导弱磁信号探测磁力仪，其特征在于， 所述无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换；其所选材料均采用磁化率低于l(T5Gs/Oe的无磁性材料一无磁玻璃钢。
3.根据权利要求1所述的超导弱磁信号探测磁力仪，其特征在于， 所述超导量子干涉器由一个射频超导量子干涉器构成或由两个直流超导量子干涉器弱连接构成，弱连接处的超导电性受到强烈抑制。
4.根据权利要求1所述的超导弱磁信号探测磁力仪，其特征在于， 为实现空间全方位测量磁场分布，立体三轴定位仪包含三个相互正交的超导环，每个超导环均内嵌连通一个超导量子干涉器，以便能够动态补偿磁扰动；立体三轴定位仪硬件电子电路为超导量子干涉器提供信号，确定超导量子干涉器工作点以及与微控制处理器进行通讯；运用自适应滤波算法来抑制立体三轴定位仪中三个超导环的运动磁场噪声。
【文档编号】G01V3/40GK204188791SQ201420568427
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】艾海明 申请人:北京美尔斯通科技发展股份有限公司