專利名稱：高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，屬于高溫超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于地球物理測(cè)量弱磁信號(hào)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)八十年代初，用于大地電磁測(cè)深的低溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)使用低溫超導(dǎo)技術(shù)， 這種低溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)中的超導(dǎo)元件必須在絕對(duì)溫度4K下工作。為提供這種溫度條件，使用了液氦。而液氦資源在自然界匱乏且昂貴，低溫技術(shù)復(fù)雜，不能普遍使用。高溫超導(dǎo)材料的研制成功，使得超導(dǎo)元件工作溫度大大提高。釔鋇銅氧超導(dǎo)材料只需絕對(duì)溫度77K就可工作。而這個(gè)溫度用液氮就可實(shí)現(xiàn)。氮在自然界資源極為豐富，空氣中78%為氮?dú)?，且液氮的制作條件很容易實(shí)現(xiàn)，制造成本低廉，只是液氦價(jià)格的數(shù)百分之一，它被廣泛應(yīng)用。在地球物理電磁法中，傳統(tǒng)測(cè)量磁場(chǎng)是用感應(yīng)線圈作為測(cè)磁傳感器。由于感應(yīng)線圈的靈敏度隨接收信號(hào)的頻率而變化，在低頻段靈敏度很低，而低頻段恰恰是反映地球深部的信息。因此傳統(tǒng)感應(yīng)線圈法測(cè)量的低頻信號(hào)信噪比低。而高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器用高溫超導(dǎo)量子干涉器作為磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器，對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，它的靈敏度高而且頻帶寬，在各頻段靈敏度恒定，低頻響應(yīng)好。在地球物理電磁法弱磁信號(hào)測(cè)量中，可提高低頻信號(hào)的信噪比，使測(cè)量更準(zhǔn)確，提高勘探深度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述背景，本發(fā)明的目的是提供一種在地球物理電磁法中使用的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器。此傳感器具有高擺率、低噪聲、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力。滿足用于地球物理電磁法測(cè)量微弱磁場(chǎng)的需要。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，包括高溫超導(dǎo)器件和鎖相閉環(huán)電路，高溫超導(dǎo)器件作為接收被測(cè)磁場(chǎng)的傳感器，將接收到的外磁場(chǎng)信號(hào)送至鎖相閉環(huán)電路，其特征在于鎖相閉環(huán)電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號(hào)衰減器，積分器、反饋電路組成，其中高溫超導(dǎo)器件的輸出經(jīng)定向耦合器送至高頻放大器；高頻放大器、混頻器、低頻放大器、積分器依次串聯(lián)連接；高頻振蕩器的輸出分為兩路，一路接混頻器的輸入，另一路經(jīng)射頻信號(hào)衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經(jīng)反饋電路反饋至定向耦合器。進(jìn)一步地高溫超導(dǎo)器件采用帶共面諧振器的高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器，在整個(gè)鎖相閉環(huán)電路中作為指零器使用。高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器的偏置信號(hào)頻率為0. 3GHz到1GHz，并使用變頻方式配諧。高頻放大器由由三級(jí)高頻放大器交流耦合級(jí)聯(lián)而成。射頻信號(hào)衰減器由固定衰減器和可調(diào)衰減器相結(jié)合組成。高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器與高頻放大器之間采用同軸屏蔽電纜連接，定向耦合器、高頻放大器、混頻器裝在一個(gè)磁屏蔽盒中，高頻振蕩器、射頻信號(hào)衰減器、高頻放大器的各級(jí)之間均加屏蔽盒。鎖相閉環(huán)電路制作在雙面電路印刷版上，各元器件、線條和焊點(diǎn)放在雙面電路印刷版的同一面上，另一面全部保留作為大面地。本發(fā)明的有益效果是具有高擺率、低噪聲、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，滿足用于地球物理電磁法測(cè)量微弱磁場(chǎng)的需要。


圖1為高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)的原理框圖；圖2為射頻信號(hào)衰減器原理圖；圖3為高頻放大器的原理圖；圖4為低頻電路原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，包括圖1所示的高溫超導(dǎo)器件和鎖相閉環(huán)電路，高溫超導(dǎo)器件作為接收被測(cè)磁場(chǎng)的傳感器，將接收到的外磁場(chǎng)信號(hào)送至鎖相閉環(huán)電路。該鎖相閉環(huán)電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號(hào)衰減器，積分器、反饋電路組成。其中高溫超導(dǎo)器件的輸出經(jīng)定向耦合器送至高頻放大器；高頻放大器、混頻器、低頻放大器、積分器依次串聯(lián)連接；高頻振蕩器的輸出分為兩路，一路接混頻器的輸入，另一路經(jīng)射頻信號(hào)衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經(jīng)反饋電路反饋至定向耦合器。高溫超導(dǎo)器件采用帶共面諧振器的高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器作為測(cè)量磁場(chǎng)的傳感器探頭，在整個(gè)鎖相閉環(huán)電路中作為指零器使用。高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器的偏置信號(hào)頻率為0. 3GHz到1GHz，并使用變頻方式配諧。根據(jù)電壓調(diào)制深度和磁通靈敏度的關(guān)系對(duì)超導(dǎo)量子干涉器選擇合適的載波頻率。一般為IOOMHz以上，選擇載波電流頻率為0. 3GHz到 IGHz。為隔離上行和下行的射頻信號(hào)，在高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器和高頻放大器之間使用定向耦合器。為使射頻信號(hào)振蕩器的輸出功率適應(yīng)不同的高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器對(duì)信號(hào)的要求，使用一個(gè)固定的衰減器和一個(gè)可調(diào)的衰減器組合，作為射頻信號(hào)衰減器。使其既能保證衰減幅度，又能保證可調(diào)的變化范圍。高頻放大器由由三級(jí)高頻放大器交流耦合級(jí)聯(lián)而成。為提高檢波效率，且檢出信號(hào)相位，降低對(duì)高頻放大器增益要求，使用雙平衡混頻器對(duì)調(diào)制信號(hào)檢波。供給高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器的射頻偏置信號(hào)與混頻器的高頻本振信號(hào)使用同一射頻信號(hào)振蕩器作為振蕩源，并同步。振蕩源采用壓控振蕩器，調(diào)整其電壓獲得不同頻率，以適應(yīng)不同高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器器件的工作。采用低噪聲、寬頻帶的運(yùn)算放大器作為低頻放大器。用積分器濾去混頻器混頻后的高頻信號(hào)。鎖相閉環(huán)電路制作在雙面電路印刷版上，考慮印刷電路板材料的介電常數(shù)，高頻損耗及印制線路間的分布電容，選用聚氟乙烯雙面敷銅板作為高頻電路印刷版。其銅箔厚度為35 μ m，絕緣物厚度0.93mm，介電常數(shù)為2. 7。為降低線路阻抗，防止線間的噪聲耦合， 采用大平面接地電路中的各元器件、線條和焊點(diǎn)放在同一面；而另一面全部保留作為大面地。本發(fā)明采用以下嚴(yán)格的屏蔽措施由定向耦合器、高頻放大器、混頻器組成高溫超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)的高頻前置放大器，是一個(gè)寬頻帶、高增益、低噪聲、小信號(hào)高頻放大器。它們作為一個(gè)單獨(dú)的部件設(shè)置于距超導(dǎo)探頭較近的位置。高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器與高頻前置放大器之間采用50 Ω同軸屏蔽電纜連接； 整個(gè)高頻前置放大器電路被屏蔽在一個(gè)特制的鋁合金屏蔽裝置中，該裝置除盒蓋外無(wú)任何縫隙。為避免高頻前置放大器各部分之間的串?dāng)_，高頻電路的振蕩器，衰減器、高頻放大器的各級(jí)之間均加屏蔽盒。使用定向耦合器。用以隔離上行和下行的射頻信號(hào)。只使用一根電纜將高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器中的諧振回路與高頻前置放大器連接，實(shí)現(xiàn)把射頻信號(hào)注入到與高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器耦合的諧振回路中，同時(shí)把該諧振回路中被調(diào)制的外磁場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)礁哳l前置放大器中。標(biāo)有RFIN的一端與高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器的諧振回路相連，標(biāo)有RFOUT 的一端與高頻放大器相連，而標(biāo)有CPL的一端與射頻信號(hào)源相連。本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)為適合野外測(cè)試使用。高溫超射頻導(dǎo)量子干涉器放置在一個(gè)非導(dǎo)磁材料且耐低溫的桿狀探頭中，工作時(shí)該探頭放置在裝有液氮的特制無(wú)磁杜瓦中，高頻前置放大器作為單獨(dú)的部件設(shè)置于距超導(dǎo)探頭較近的位置。系統(tǒng)的其余電子線路構(gòu)成儀器的主機(jī)，儀器面板上安裝有各種插頭、開關(guān)、調(diào)整旋鈕、及指示表和指示燈。本發(fā)明高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器的工作原理當(dāng)有外磁場(chǎng)變化通過超導(dǎo)環(huán)時(shí)，加到與高溫超導(dǎo)量子干涉器耦合諧振回路上的高頻信號(hào)被調(diào)制，被調(diào)制的信號(hào)經(jīng)高頻放大器放大后，送入混頻器檢波解調(diào)，經(jīng)積分器積分后，得到一個(gè)與磁通變化量成比例關(guān)系的電壓值，這個(gè)電壓值經(jīng)過反饋電路電壓-電流轉(zhuǎn)換后反饋到與超導(dǎo)環(huán)耦合的線圈上，在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與外磁通變化量大小相等、方向相反的磁通，這樣使超導(dǎo)環(huán)內(nèi)的磁通變化為零。 積分器輸出的這個(gè)電壓值就反應(yīng)了通過超導(dǎo)環(huán)的磁通變化量的大小，超導(dǎo)環(huán)的面積已知， 就可對(duì)應(yīng)得到磁場(chǎng)值。下面介紹部分單元電路。如圖2，壓控振蕩器P0S1025輸出信號(hào)經(jīng)GSE固定衰減器衰減20dB，經(jīng)過R5和R6 組成的電路衰減，再經(jīng)過由二極管Dl和D2組成的可調(diào)衰減器，使P0S1025輸出信號(hào)衰減到-70daii以上。并把此信號(hào)接到定向耦合器的標(biāo)有CPL的一端，此信號(hào)注入到超導(dǎo)量子干涉器中。同時(shí)壓控振蕩器P0S1025輸出信號(hào)還直接接到混頻器的本振端。使用雙平衡混頻器TFM-2，工作頻率DC-lOOOMHz，本振激勵(lì)電平7dBm，高頻放大器的增益大于45dB。如圖3，高頻放大器為三級(jí)放大。第一級(jí)Al采用的三極管為西門子公司生產(chǎn)的 BFT66，工作在共發(fā)射極狀態(tài)，通過改變基極的電阻改變靜態(tài)工作點(diǎn)，以獲得高增益、低噪聲。第二級(jí)A2采用MAR-6固定增益放大器。第三級(jí)A3采用RF-2301高隔離、固定增益隔離放大器，隔離混頻器本振信號(hào)沿放大器向前端的串?dāng)_。三級(jí)總增益約55dB，帶寬約500MHz， 折合到輸入端的噪聲小于。當(dāng)有磁場(chǎng)通過高溫超導(dǎo)量子干涉器超導(dǎo)環(huán)時(shí)，加在超導(dǎo)環(huán)上的高頻信號(hào)被調(diào)制， 被調(diào)制的高頻信號(hào)通過定向耦合器的輸出端把信號(hào)加到高頻放大器的第一級(jí)，經(jīng)過第一級(jí)放大的信號(hào)再經(jīng)過第二、第三級(jí)的放大，放大的信號(hào)加到混頻器的輸入端，在這里與壓控振蕩器P0S1025輸出信號(hào)進(jìn)行同步檢波?；祛l器輸出的低頻信號(hào)送入低頻電路。選用低噪聲、寬頻帶的運(yùn)算放大器op07作為低頻放大；對(duì)積分器選擇合適的積分常數(shù)(900s)。如圖4，低頻電路包括兩級(jí)放大器和一級(jí)積分器。A4和R13、R14、R15組成第一級(jí)低頻放大器；A5和R16、R17、R19、R20、R2UR22組成第二級(jí)低頻放大器，R19、R20、R21 可以調(diào)整信號(hào)的直流電平；A6與R23、R24、C13組成積分器。送入低頻電路的信號(hào)，經(jīng)過兩級(jí)放大，再經(jīng)積分器積分以后，一路通過A7輸出，一路送入由A9組成的反饋電路，經(jīng)A9 —比一反向放大后的輸出電壓信號(hào)反饋到高溫超導(dǎo)器件的輸入端，這個(gè)電壓信號(hào)被高溫超導(dǎo)器件內(nèi)的線圈轉(zhuǎn)換成一個(gè)與外磁場(chǎng)大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，抵消通過超導(dǎo)環(huán)的磁場(chǎng)，這個(gè)反饋量就是積分器的輸出，代表了磁場(chǎng)的大小。A8是三角波振蕩器，輸出200Hz的三角波。此信號(hào)在調(diào)試高溫超導(dǎo)量子干涉器工作狀態(tài)時(shí)注入一個(gè)已知的磁場(chǎng)信號(hào)。上述的實(shí)施例并不對(duì)本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍構(gòu)成任何形式的限制，本發(fā)明的權(quán)利要求書覆蓋了所有的修改和變更，因此，針對(duì)上述實(shí)施例做出種種修改和變化均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，包括高溫超導(dǎo)器件和鎖相閉環(huán)電路，高溫超導(dǎo)器件作為接收被測(cè)磁場(chǎng)的傳感器，將接收到的外磁場(chǎng)信號(hào)送至鎖相閉環(huán)電路，其特征在于鎖相閉環(huán)電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號(hào)衰減器，積分器、反饋電路組成，其中高溫超導(dǎo)器件的輸出經(jīng)定向耦合器送至高頻放大器；高頻放大器、混頻器、低頻放大器、積分器依次串聯(lián)連接；高頻振蕩器的輸出分為兩路，一路接混頻器的輸入，另一路經(jīng)射頻信號(hào)衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經(jīng)反饋電路反饋至定向耦合器。
2.如權(quán)利要求1所述的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，其特征在于高溫超導(dǎo)器件采用帶共面諧振器的高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器，在整個(gè)鎖相閉環(huán)電路中作為指零器使用。
3.如權(quán)利要求2所述的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，其特征在于高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器的偏置信號(hào)頻率為0. 3GHz到1GHz，并使用變頻方式配諧。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，其特征在于高頻放大器由由三級(jí)高頻放大器交流耦合級(jí)聯(lián)而成。
5.如權(quán)利要求1-3之一所述的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，其特征在于射頻信號(hào)衰減器由固定衰減器和可調(diào)衰減器相結(jié)合組成。
6.如權(quán)利要求1-3之一所述的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，其特征在于高溫超導(dǎo)射頻量子干涉器與高頻放大器之間采用同軸屏蔽電纜連接，定向耦合器、高頻放大器、混頻器裝在一個(gè)磁屏蔽盒中，高頻振蕩器、射頻信號(hào)衰減器、高頻放大器的各級(jí)之間均加屏蔽盒。
7.如權(quán)利要求6所述的高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，其特征在于鎖相閉環(huán)電路制作在雙面電路印刷版上，各元器件、線條和焊點(diǎn)放在雙面電路印刷版的同一面上，另一面全部保留作為大面地。
全文摘要
一種高溫超導(dǎo)弱磁測(cè)量傳感器，包括高溫超導(dǎo)器件和鎖相閉環(huán)電路，鎖相閉環(huán)電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號(hào)衰減器，積分器、反饋電路組成，其中高溫超導(dǎo)器件的輸出經(jīng)定向耦合器送至高頻放大器；高頻放大器、混頻器、低頻放大器、積分器依次串聯(lián)連接；高頻振蕩器的輸出分為兩路，一路接混頻器的輸入，另一路經(jīng)射頻信號(hào)衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經(jīng)反饋電路反饋至定向耦合器。本發(fā)明具有高擺率、低噪聲、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高抗干擾能力，滿足用于地球物理電磁法測(cè)量微弱磁場(chǎng)的需要。
文檔編號(hào)G01R33/035GK102288999SQ20111023394
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者張 杰, 武軍杰, 王赤軍, 趙毅, 陳曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所