專利名稱：高溫超導弱磁測量傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高溫超導弱磁測量傳感器，屬于高溫超導技術應用于地球物理測量弱磁信號領域。
背景技術：
二十世紀八十年代初，用于大地電磁測深的低溫超導磁強計使用低溫超導技術， 這種低溫超導磁強計中的超導元件必須在絕對溫度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，低溫技術復雜，不能普遍使用。高溫超導材料的研制成功，使得超導元件工作溫度大大提高。釔鋇銅氧超導材料只需絕對溫度77K就可工作。而這個溫度用液氮就可實現。氮在自然界資源極為豐富，空氣中78%為氮氣，且液氮的制作條件很容易實現，制造成本低廉，只是液氦價格的數百分之一，它被廣泛應用。在地球物理電磁法中，傳統測量磁場是用感應線圈作為測磁傳感器。由于感應線圈的靈敏度隨接收信號的頻率而變化，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。因此傳統感應線圈法測量的低頻信號信噪比低。而高溫超導弱磁測量傳感器用高溫超導量子干涉器作為磁場強度傳感器，對磁場非常敏感，它的靈敏度高而且頻帶寬，在各頻段靈敏度恒定，低頻響應好。在地球物理電磁法弱磁信號測量中，可提高低頻信號的信噪比，使測量更準確，提高勘探深度。
實用新型內容鑒于上述背景，本實用新型的目的是提供一種在地球物理電磁法中使用的高溫超導弱磁測量傳感器。此傳感器具有高擺率、低噪聲、高靈敏度、高穩定性、高抗干擾能力。滿足用于地球物理電磁法測量微弱磁場的需要。為達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種高溫超導弱磁測量傳感器，包括高溫超導器件和鎖相閉環電路，高溫超導器件作為接收被測磁場的傳感器，將接收到的外磁場信號送至鎖相閉環電路，其特征在于鎖相閉環電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號衰減器，積分器、反饋電路組成，其中高溫超導器件的輸出經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，另一路經射頻信號衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經反饋電路反饋至定向耦合器。進一步地高溫超導器件采用帶共面諧振器的高溫超導射頻量子干涉器，在整個鎖相閉環電路中作為指零器使用。高溫超導射頻量子干涉器的偏置信號頻率為0. 3GHz到1GHz，并使用變頻方式配諧。高頻放大器由由三級高頻放大器交流耦合級聯而成。射頻信號衰減器由固定衰減器和可調衰減器相結合組成。高溫超導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、混頻器裝在一個磁屏蔽盒中，高頻振蕩器、射頻信號衰減器、高頻放大器的各級之間均加屏蔽盒。鎖相閉環電路制作在雙面電路印刷版上，各元器件、線條和焊點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。本實用新型的有益效果是具有高擺率、低噪聲、高靈敏度、高穩定性、高抗干擾能力，滿足用于地球物理電磁法測量微弱磁場的需要。
圖1為高溫超導磁強計的原理框圖；圖2為射頻信號衰減器原理圖；圖3為高頻放大器的原理圖；圖4為低頻電路原理圖。
具體實施方式
本實用新型提供了一種高溫超導弱磁測量傳感器，包括圖1所示的高溫超導器件和鎖相閉環電路，高溫超導器件作為接收被測磁場的傳感器，將接收到的外磁場信號送至鎖相閉環電路。該鎖相閉環電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號衰減器，積分器、反饋電路組成。其中高溫超導器件的輸出經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，另一路經射頻信號衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經反饋電路反饋至定向耦合器。高溫超導器件采用帶共面諧振器的高溫超導射頻量子干涉器作為測量磁場的傳感器探頭，在整個鎖相閉環電路中作為指零器使用。高溫超導射頻量子干涉器的偏置信號頻率為0. 3GHz到1GHz，并使用變頻方式配諧。根據電壓調制深度和磁通靈敏度的關系對超導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，在高溫超射頻導量子干涉器和高頻放大器之間使用定向耦合器。為使射頻信號振蕩器的輸出功率適應不同的高溫超導射頻量子干涉器對信號的要求，使用一個固定的衰減器和一個可調的衰減器組合，作為射頻信號衰減器。使其既能保證衰減幅度，又能保證可調的變化范圍。高頻放大器由由三級高頻放大器交流耦合級聯而成。為提高檢波效率，且檢出信號相位，降低對高頻放大器增益要求，使用雙平衡混頻
4器對調制信號檢波。供給高溫超導射頻量子干涉器的射頻偏置信號與混頻器的高頻本振信號使用同一射頻信號振蕩器作為振蕩源，并同步。振蕩源采用壓控振蕩器，調整其電壓獲得不同頻率，以適應不同高溫超射頻導量子干涉器器件的工作。采用低噪聲、寬頻帶的運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。鎖相閉環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，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、線條和焊點放在同一面；而另一面全部保留作為大面地。本實用新型采用以下嚴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磁強計的高頻前置放大器，是一個寬頻帶、高增益、低噪聲、小信號高頻放大器。它們作為一個單獨的部件設置于距超導探頭較近的位置。高溫超射頻導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； 整個高頻前置放大器電路被屏蔽在一個特制的鋁合金屏蔽裝置中，該裝置除盒蓋外無任何縫隙。為避免高頻前置放大器各部分之間的串擾，高頻電路的振蕩器，衰減器、高頻放大器的各級之間均加屏蔽盒。使用定向耦合器。用以隔離上行和下行的射頻信號。只使用一根電纜將高溫超射頻導量子干涉器中的諧振回路與高頻前置放大器連接，實現把射頻信號注入到與高溫超射頻導量子干涉器耦合的諧振回路中，同時把該諧振回路中被調制的外磁場信號傳輸到高頻前置放大器中。標有RFIN的一端與高溫超射頻導量子干涉器的諧振回路相連，標有RFOUT 的一端與高頻放大器相連，而標有CPL的一端與射頻信號源相連。本實用新型系統設計為適合野外測試使用。高溫超射頻導量子干涉器放置在一個非導磁材料且耐低溫的桿狀探頭中，工作時該探頭放置在裝有液氮的特制無磁杜瓦中，高頻前置放大器作為單獨的部件設置于距超導探頭較近的位置。系統的其余電子線路構成儀器的主機，儀器面板上安裝有各種插頭、開關、調整旋鈕、及指示表和指示燈。本實用新型高溫超導弱磁測量傳感器的工作原理當有外磁場變化通過超導環時，加到與高溫超導量子干涉器耦合諧振回路上的高頻信號被調制，被調制的信號經高頻放大器放大后，送入混頻器檢波解調，經積分器積分后，得到一個與磁通變化量成比例關系的電壓值，這個電壓值經過反饋電路電壓-電流轉換后反饋到與超導環耦合的線圈上，在超導環內產生一個與外磁通變化量大小相等、方向相反的磁通，這樣使超導環內的磁通變化為零。積分器輸出的這個電壓值就反應了通過超導環的磁通變化量的大小，超導環的面積已知，就可對應得到磁場值。下面介紹部分單元電路。如圖2，壓控振蕩器P0S1025輸出信號經GSE固定衰減器衰減20dB，經過R5和R6 組成的電路衰減，再經過由二極管Dl和D2組成的可調衰減器，使P0S1025輸出信號衰減到-70daii以上。并把此信號接到定向耦合器的標有CPL的一端，此信號注入到超導量子干涉器中。同時壓控振蕩器P0S1025輸出信號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，高頻放大器為三級放大。第一級Al采用的三極管為西門子公司生產的 BFT66，工作在共發射極狀態，通過改變基極的電阻改變靜態工作點，以獲得高增益、低噪聲。第二級A2采用MAR-6固定增益放大器。第三級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沿放大器向前端的串擾。三級總增益約55dB，帶寬約500MHz， 折合到輸入端的噪聲小于2 廠/‘。當有磁場通過高溫超導量子干涉器超導環時，加在超導環上的高頻信號被調制， 被調制的高頻信號通過定向耦合器的輸出端把信號加到高頻放大器的第一級，經過第一級放大的信號再經過第二、第三級的放大，放大的信號加到混頻器的輸入端，在這里與壓控振蕩器P0S1025輸出信號進行同步檢波。混頻器輸出的低頻信號送入低頻電路。選用低噪聲、寬頻帶的運算放大器op07作為低頻放大；對積分器選擇合適的積分常數(900s)。如圖4，低頻電路包括兩級放大器和一級積分器。A4和R13、R14、R15組成第一級低頻放大器；A5和R16、R17、R19、R20、R2UR22組成第二級低頻放大器，R19、R20、R21 可以調整信號的直流電平；A6與R23、R24、C13組成積分器。送入低頻電路的信號，經過兩級放大，再經積分器積分以后，一路通過A7輸出，一路送入由A9組成的反饋電路，經A9 —比一反向放大后的輸出電壓信號反饋到高溫超導器件的輸入端，這個電壓信號被高溫超導器件內的線圈轉換成一個與外磁場大小相等、方向相反的磁場，抵消通過超導環的磁場，這個反饋量就是積分器的輸出，代表了磁場的大小。A8是三角波振蕩器，輸出200Hz的三角波。此信號在調試高溫超導量子干涉器工作狀態時注入一個已知的磁場信號。上述的實施例并不對本實用新型所要求的保護范圍構成任何形式的限制，本實用新型的權利要求書覆蓋了所有的修改和變更，因此，針對上述實施例做出種種修改和變化均屬于本實用新型的保護范圍內。
權利要求1.一種高溫超導弱磁測量傳感器，包括高溫超導器件和鎖相閉環電路，高溫超導器件作為接收被測磁場的傳感器，將接收到的外磁場信號送至鎖相閉環電路，其特征在于鎖相閉環電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號衰減器，積分器、反饋電路組成，其中高溫超導器件的輸出經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，另一路經射頻信號衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經反饋電路反饋至定向耦合器。
2.如權利要求1所述的高溫超導弱磁測量傳感器，其特征在于高溫超導器件采用帶共面諧振器的高溫超導射頻量子干涉器，在整個鎖相閉環電路中作為指零器使用。
3.如權利要求2所述的高溫超導弱磁測量傳感器，其特征在于高溫超導射頻量子干涉器的偏置信號頻率為0. 3GHz到1GHz，并使用變頻方式配諧。
4.如權利要求1-3之一所述的高溫超導弱磁測量傳感器，其特征在于高頻放大器由由三級高頻放大器交流耦合級聯而成。
5.如權利要求1-3之一所述的高溫超導弱磁測量傳感器，其特征在于射頻信號衰減器由固定衰減器和可調衰減器相結合組成。
6.如權利要求1-3之一所述的高溫超導弱磁測量傳感器，其特征在于高溫超導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、混頻器裝在一個磁屏蔽盒中，高頻振蕩器、射頻信號衰減器、高頻放大器的各級之間均加屏蔽盒。
7.如權利要求6所述的高溫超導弱磁測量傳感器，其特征在于鎖相閉環電路制作在雙面電路印刷版上，各元器件、線條和焊點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。
專利摘要一種高溫超導弱磁測量傳感器，包括高溫超導器件和鎖相閉環電路，鎖相閉環電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號衰減器，積分器、反饋電路組成，其中高溫超導器件的輸出經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，另一路經射頻信號衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經反饋電路反饋至定向耦合器。本實用新型具有高擺率、低噪聲、高靈敏度、高穩定性、高抗干擾能力，滿足用于地球物理電磁法測量微弱磁場的需要。
文檔編號G01V3/10GK202204940SQ20112029696
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月16日 優先權日2011年8月16日
發明者張 杰, 武軍杰, 王赤軍, 趙毅, 陳曉東 申請人:中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所