基于多通道squid磁傳感器的三軸磁探測(cè)模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測(cè)模塊，其特征在于所述的三軸磁場(chǎng)探測(cè)模塊，三個(gè)方向相互正交，分別對(duì)應(yīng)空間的XYZ方向，對(duì)每一個(gè)方向的磁場(chǎng)測(cè)量由多個(gè)通道超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件完成；多個(gè)通道超導(dǎo)SQUID傳感器構(gòu)成串聯(lián)陣列或通過(guò)改變連接次序構(gòu)成并聯(lián)陣列。串聯(lián)陣列可以提高測(cè)量的靈敏度，并聯(lián)陣列可以提高測(cè)量的信噪比和工作效率。變化模塊中每個(gè)組件的連接方法，可以構(gòu)造出不同結(jié)構(gòu)的探測(cè)模塊，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用對(duì)探測(cè)模塊的不同要求，提高探測(cè)系統(tǒng)的靈活性和效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測(cè)模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超導(dǎo)SQUID磁傳感器對(duì)地球磁場(chǎng)的測(cè)量，更確切地說(shuō)本發(fā)明涉及一種基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測(cè)模塊。屬于磁場(chǎng)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)是一種由超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)和超導(dǎo)環(huán)組成的超導(dǎo)量子器件，它的工作原理主要基于約瑟夫森效應(yīng)和磁場(chǎng)量子化，其能夠?qū)⒋艌?chǎng)的微弱變化轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓，磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)到fT量級(jí)，是目前最靈敏的磁場(chǎng)傳感器，因此其在微弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域如生物磁場(chǎng)探測(cè)、無(wú)損檢測(cè)、地球磁場(chǎng)探測(cè)等方面具有極大的發(fā)展和應(yīng)用潛力。例如在地球物理探測(cè)中的大地電磁測(cè)深(Magnetotelluric，MT)和可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)應(yīng)用中都需要高性能的磁場(chǎng)傳感器來(lái)對(duì)目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。
[0003]MT是對(duì)天然存在的區(qū)域性電磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，這類(lèi)天然電磁場(chǎng)具有很寬的頻帶，通過(guò)對(duì)這些天然電磁場(chǎng)的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析，可了解地球巖石圈的電性結(jié)構(gòu)，是研究深部地質(zhì)構(gòu)造和尋找油氣田的基本勘探方法之一，近年來(lái)MT得到了很大的發(fā)展。由于MT天然場(chǎng)源的信號(hào)微弱，因此在應(yīng)用中需要使用高靈敏度的磁傳感器。
[0004]CSAMT與MT同屬頻率電磁測(cè)深范疇，兩者的差異在于CSAMT的激勵(lì)場(chǎng)源可以人工控制，針對(duì)MT場(chǎng)源的隨機(jī)性和信號(hào)微弱，以致觀測(cè)十分困難的狀況，CSAMT采用可以人工控制發(fā)射電流及其頻率的電偶極子或磁偶極子作為場(chǎng)源，通過(guò)測(cè)量距場(chǎng)源較遠(yuǎn)地點(diǎn)位置的不同發(fā)射頻率下的電磁場(chǎng)信號(hào)，來(lái)計(jì)算出不同頻率下的視電阻率，以反映出地下電阻率的分布特征。
[0005]在進(jìn)行大地電磁測(cè)量時(shí)，通常既進(jìn)行MT測(cè)量，也進(jìn)行CSAMT測(cè)量，它們都需要靈敏的磁傳感器。另外，CSAMT的目標(biāo)信號(hào)是不同發(fā)射頻率所引發(fā)的磁場(chǎng)，地球環(huán)境磁場(chǎng)看作噪聲，因此，其系統(tǒng)的信噪比性能是其關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)指標(biāo)，通常利用多次疊加的方法來(lái)降低地球環(huán)境磁場(chǎng)噪聲的影響，因此需要對(duì)單一頻率的場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。
[0006]然而，將超導(dǎo)SQUID磁傳感器應(yīng)用于MT和CSAMT時(shí)，目前都使用單通道SQUID傳感器進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，采用磁通調(diào)制鎖定電路來(lái)讀出SQUID所感應(yīng)的磁信號(hào)(DANTSKER，E etc.HIGH-T-C3-AXIS DC SQUID MAGNETOMETER FOR GEOPHYSICAL APPLICATIONS)，據(jù)報(bào)道，至今中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所也只利用超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件進(jìn)行了 MT和CSAMT方面的應(yīng)用研究。在磁測(cè)過(guò)程中，MT測(cè)量具有頻帶比較寬的特點(diǎn)，而CSAMT為了改善系統(tǒng)的信噪比，采用信號(hào)平均的處理方法，因此需要在一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，測(cè)量時(shí)間大于半小時(shí)，不利于工程化應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明擬針對(duì)上述超導(dǎo)SQUID磁傳感器的測(cè)量特點(diǎn)，試圖提供一種基于多通道SQUID傳感器的三軸探測(cè)模塊，它不但能夠測(cè)量三個(gè)正交方向的磁場(chǎng)，而且可以針對(duì)MT和CSAMT的不同要求，靈活改變模塊結(jié)構(gòu)以適應(yīng)其要求，進(jìn)而可以提高工作效率。另外，這種探測(cè)模塊同樣有望可以應(yīng)用于其它微弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域之中。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測(cè)模塊。本發(fā)明設(shè)計(jì)一種三軸磁場(chǎng)探測(cè)模塊，三個(gè)方向相互正交，分別對(duì)應(yīng)空間中XYZ方向。對(duì)每一個(gè)方向的磁場(chǎng)測(cè)量由多個(gè)通道超導(dǎo)SQUID傳感器完成，多個(gè)通道SQUID既能夠構(gòu)成串聯(lián)陣列，也可以通過(guò)改變連接次序構(gòu)成并聯(lián)陣列，串聯(lián)陣列可以提高測(cè)量的靈敏度，并聯(lián)陣列可以提高測(cè)量的信噪比和工作效率。進(jìn)一步特征描述如下:
[0009](I)三軸磁場(chǎng)探測(cè)模塊
[0010]超導(dǎo)SQUID磁傳感器是一種矢量傳感器，只能測(cè)量垂直于器件平面方向的磁場(chǎng)變化量。在進(jìn)行微弱磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量時(shí)，因?yàn)槲⑷醮艌?chǎng)信號(hào)與超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件平面不是完全垂直的，因此SQUID磁傳感器所感應(yīng)的是待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)垂直于SQUID平面的分量，甚至在某些情況下，單軸SQUID測(cè)量不到磁場(chǎng)信號(hào)，如磁偶極子的電流環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布如圖1，從圖中可以看出來(lái)，在A、B、C、D和E這些列出的點(diǎn)上，若采用單軸測(cè)試，箭頭標(biāo)注的方向磁場(chǎng)就測(cè)不到了，導(dǎo)致測(cè)量出來(lái)的磁場(chǎng)值其實(shí)不準(zhǔn)確，另外，不僅僅是這些特殊點(diǎn)，在偏離這些特殊點(diǎn)不遠(yuǎn)的附近，有時(shí)候磁場(chǎng)信號(hào)是非常微弱的，測(cè)量出來(lái)的效果并不滿(mǎn)意。采用三軸磁探測(cè)模塊可以解決上述問(wèn)題，三軸模塊由3個(gè)方向的磁傳感器構(gòu)成，如圖2所示，這3個(gè)方向相互正交，如此，待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)可以按照這三個(gè)方向進(jìn)行分解，每個(gè)方向的磁傳感器測(cè)量對(duì)應(yīng)其方向的磁場(chǎng)，并可以由此三個(gè)信號(hào)計(jì)算出磁場(chǎng)矢量。
[0011](2)串聯(lián) SQUID 陣列
[0012]在三軸探測(cè)模塊中，探測(cè)每一個(gè)方向的磁探測(cè)組件是由多個(gè)SQUID磁傳感器構(gòu)成，將這些超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件按照串聯(lián)的方式可以構(gòu)成串聯(lián)SQUID組件，如圖3所示，即前一個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件的負(fù)極端連接到相鄰超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件的正極端。這種串聯(lián)SQUID組件具有較大的磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，設(shè)每個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件所感應(yīng)的磁場(chǎng)變化△ B，其輸出電壓為△ V，那么其磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為Λν/ΛΒ，當(dāng)η個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件構(gòu)成串聯(lián)SQUID組件時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)變化為Λ B時(shí)，其陣列的輸出電壓為η* Δ V,其磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為η* Λ V/ Λ B,比單個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件提高了 η倍。磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)的提高使得SQUID讀出電路可以采用直讀電路方式，這種電路方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便使用，而且具有很高的擺率和很大的帶寬，可以達(dá)到MHz量級(jí)，這些優(yōu)點(diǎn)使其在要求高擺率和大帶寬的磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。
[0013](3)并聯(lián) SQUID 陣列
[0014]在三軸探測(cè)模塊中，探測(cè)每一個(gè)方向的磁探測(cè)組件也可以由多個(gè)SQUID磁傳感器構(gòu)成的并聯(lián)陣列，如圖4所示，即多個(gè)SQUID傳感器之間互不相連，每個(gè)SQUID磁傳感器分別感應(yīng)外界磁場(chǎng)信號(hào)，陣列靈敏度由陣列中單個(gè)器件的靈敏度決定，但是由于每個(gè)SQUID傳感器感應(yīng)的 環(huán)境噪聲具有隨機(jī)性和不相關(guān)性，不相關(guān)的磁場(chǎng)噪聲疊加在一起，可以在理論上將磁場(chǎng)噪聲降低η1/2，因此并聯(lián)SQUID陣列能夠?qū)⑾到y(tǒng)的信噪比提高η1/2。
[0015]另外，由于并聯(lián)SQUID安裝于一個(gè)平面上，器件的間距在幾個(gè)厘米，因此可以由相鄰的兩個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件構(gòu)成一個(gè)磁場(chǎng)梯度計(jì)，如圖4所示，SQUID -1測(cè)量的是位置I處的磁場(chǎng)，SQUID-2測(cè)量的是位置2處的磁場(chǎng)，那么根據(jù)這兩個(gè)位置的磁場(chǎng)可以計(jì)算出磁場(chǎng)梯度δΒζ/δχ，根據(jù)位置I和位置3處的磁場(chǎng)測(cè)量值，可以計(jì)算出磁場(chǎng)梯度5Bz/5y。同樣，通過(guò)其它兩個(gè)方向的SQUID陣列，可以計(jì)算出磁場(chǎng)梯度
【權(quán)利要求】
1.一種基于多通道SQUID磁傳感器的三軸磁探測(cè)模塊，其特征在于所述的三軸磁場(chǎng)探測(cè)模塊，三個(gè)方向相互正交，分別對(duì)應(yīng)空間的XYZ方向,對(duì)每一個(gè)方向的磁場(chǎng)測(cè)量由多個(gè)通道超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件完成；多個(gè)通道超導(dǎo)SQUID傳感器構(gòu)成串聯(lián)陣列或通過(guò)改變連接次序構(gòu)成并聯(lián)陣列。
2.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于待測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)按照3個(gè)相互正交的方向進(jìn)行分解，每個(gè)方向的磁傳感器測(cè)量對(duì)應(yīng)其方向的磁場(chǎng)，并由此三個(gè)信號(hào)計(jì)算出磁場(chǎng)矢量。
3.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于: (a)所述的串聯(lián)陣列是前一個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件的負(fù)極端連接到相鄰超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件的正極端； (b)在串聯(lián)陣列中每個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件所感應(yīng)的磁場(chǎng)變化△B，其輸出電壓為Δ V,則磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為Δ V/ Δ B，當(dāng)n個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件構(gòu)成串聯(lián)SQUID組件時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)變化為Δ B時(shí)，其陣列的輸出電壓為n* Δ V,磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為η* △ V/ Δ B，比單個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件提高了 n倍； (c)磁場(chǎng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)的提高使得SQUID讀出電路可以采用直讀電路方式，具有達(dá)到MHz量級(jí)的擺率和帶寬。
4.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于: (a)所述的并聯(lián)陣列是多個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件之間互不相連，每個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器分別感應(yīng)外界磁場(chǎng)信號(hào)； (b)陣列靈敏度由陣列中單個(gè)器件的靈敏度決定； (c)并聯(lián)的超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件陣列系統(tǒng)的信噪比提高n1/2。
5.按權(quán)利要求1、3或4所述的模塊，其特征在于超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件間的串聯(lián)陣列和并聯(lián)陣列不同形式通過(guò)開(kāi)關(guān)完成切換。
6.按權(quán)利要求1所述的模塊，其特征在于將串聯(lián)陣列和并聯(lián)陣列間混合使用，構(gòu)成具有高擺率、大帶寬和高信噪比的測(cè)量系統(tǒng)。
7.按權(quán)利要求6所述的模塊，其特征在于每個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量方向上使用2行2列的并聯(lián)陣列，每一單元由4個(gè)超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件串聯(lián)構(gòu)成。
8.制作如權(quán)利要求1-4所述的模塊的方法，其特征在于采用從上而下的方式制作，所述的三軸模塊分為載體和器件兩大部分，而且載體和器件制作可以分開(kāi)并行完成；在制作模塊的過(guò)程中，先分別完成載體和超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件制作，然后將這兩部分集成在一起，構(gòu)成3軸模塊；2 X 2通道的具體制作步驟是: 首先，確定三軸模塊的尺寸參數(shù)，根據(jù)由模塊提供低溫環(huán)境的杜瓦尺寸確定模塊尺寸，模塊的尺寸與載體的尺寸相同，通常模塊的載體設(shè)計(jì)為立方體結(jié)構(gòu)，載體材料的選擇是在低溫環(huán)境下性能穩(wěn)定的環(huán)氧材料，并利用機(jī)械加工技術(shù)制造出立方體載體，在載體上制作出螺孔輔助的機(jī)械結(jié)構(gòu)；在制作完成后，測(cè)量立方體的表面平整度和各平面之間的角度，比對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整并減小載體的結(jié)構(gòu)誤差； 第二，在載體制作的同時(shí)，利用微加工工藝來(lái)制備超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件，在器件制備完成后，根據(jù)三軸模塊每一個(gè)方向的尺寸，對(duì)器件進(jìn)行封裝；在每一面上排列2X2通道陣列，為防止器件之間的串?dāng)_問(wèn)題，需要在器件之間留有幾個(gè)厘米的間距；在器件封裝之后，將超導(dǎo)SQUID磁傳感器安裝于模塊之前，對(duì)每一個(gè)器件進(jìn)行包括器件噪聲、磁場(chǎng)電壓轉(zhuǎn)換參數(shù)性能的測(cè)試性能測(cè)試和標(biāo)定，并選擇性能接近的器件來(lái)制造磁探測(cè)模塊，保證器件性能的均一性； 第三，按照模塊的設(shè)計(jì)，將超導(dǎo)SQUID磁傳感器器件安裝于三軸模塊上，并對(duì)每一個(gè)方向的陣列進(jìn)行性能測(cè)試，根據(jù)性能參數(shù)的測(cè)量反饋結(jié)果，不斷改進(jìn)和完善三軸模塊； 第四，通過(guò)對(duì)器件、組件、模塊制作步驟中的每一步的檢測(cè)，保證磁探測(cè)模塊的質(zhì)量。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特 征在于立方體結(jié)構(gòu)的模塊的載體的邊長(zhǎng)小于10厘米。
【文檔編號(hào)】G01R33/035GK103901362SQ201410139130
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月9日
【發(fā)明者】徐婷, 王會(huì)武, 榮亮亮, 常凱, 侍文, 蔣坤, 邱隆清, 伍俊, 謝曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所