一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，该装置包括：信号发生器产生选定频率和设定幅度的正弦信号；线圈在正弦信号的驱动下产生恒定的交流磁场；低温恒温器维持超导量子干涉器件三轴磁强计的工作温度；旋转机构安装线圈和低温恒温器，使线圈相对于超导量子干涉器件三轴磁强计在水平面和垂直平面内以任意角度调节，在超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生均匀的交流磁场；锁相放大器在正弦信号的参考下将超导量子干涉器件三轴磁强计响应交流磁场的结果检测出来。本实用新型避免了SQUID三轴磁强计探头本身的旋转和磁强计不能测量绝对磁场而难以标定的问题，实现了校正系数的计算。
【专利说明】一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于磁场测量【技术领域】，涉及一种标定装置，特别是涉及一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置。
【背景技术】
[0002]超导量子干涉器件(superconductingQuantum Interference Device, SQUID)是目前已知的最灵敏的磁传感器，广泛应用于微弱磁信号的探测。SQUID是一个超导环，通过读出超导环内感受到的磁通来读出磁场。由于SQUID超导环的面积很小，环内磁场均匀，SQUID测的磁通就与SQUID超导环耦合的磁场强度成正比。因此使用SQUID超导环平面耦合磁通以及SQUID测量磁场就构成了 SQUID磁强计。
[0003]SQUID磁强计是矢量传感器，只测量SQUID超导环平面法线方向的磁场。在实际应用中，要测量磁场总场，需要测量磁场矢量的三个分量，即X轴，Y轴，Z轴三个轴向的分量。通过三个轴向的分量获得磁场总场。要使用现有的SQUID磁强计测量磁场的总场，需使用三个SQUID磁强计，三个磁强计相互垂直，分别定义为X轴，Y轴，Z轴三个垂直分量。三轴磁强计测得矢量磁场在XYZ三个垂直方向的矢量分量，从而获得总场的测量。因此三轴磁强计的正交性，即轴与轴之间的垂直特性以及磁强计之间的一致性对总场的测量准确性至关重要。若正交性不高，则三轴磁强计获得的不是完全正交的磁场分量，还包括正交角度偏差引入的其他磁场分量，因此按上述公式计算获得的总场和与实际总场是有误差的。另一方面，磁强计将磁场强度转换成电压进行测量，因此三个轴的磁强计的磁场电压转换系数要准确标定，否则也会在总场计算中引入误差。综上所述，三轴磁强计在总场测量应用之前，要进行正交性标定以及磁场电压转换系数的标定，以满足变化矢量磁场的测量要求，获取准确的总场数值。
[0004]三轴磁强计的标定和校正方法可分两类，一类是矢量校准，即磁强计与给定的标准矢量磁场进行比较校准。另一类则是标量校准，给三轴磁强计一个恒定的磁场，磁场的标量值与三轴磁传感器输出合成的总场标量进行对比校准。由于矢量标定需要精度很高的空间定位装置，成本高，实施难度大。目前主流的方法是采用标量校准方法。标量校准的思想是,给三轴磁强计加载一个恒定的磁场，改变三轴磁强计在磁场中的角度，获得三轴磁场分量，根据在任意角度下三轴磁场分量合成的总场恒定不变的原则，通过参数求解的方法，将实际三轴磁强计的正交角度偏差和磁场电压转换系数求出。采用参数求解方法标定三轴磁强计的过程中，需要提供恒定的磁场或均匀恒定的磁场空间，使三轴磁强计在该磁场内旋转，变换角度，测得三轴分量。由一组任意角度下测得的三轴分量数据组建方程。在均匀恒定磁场下，任意变换角度，三轴合成的总场是不变的。因此获取一组任意变换角度下三轴传感器的测量数据，通过最小二乘等参数求解算法，即可求出三轴传感器的磁场电压转换系数和三轴正交模块的角度误差。
[0005]SQUID磁强计与传统磁阻或磁通磁强计不同，SQUID磁强计只能测量从传感器启动测量的时刻起的磁场变化量，而无法实现绝对磁场的测量。SQUID传感器构成的SQUID三轴磁强计，只能实现交流变化磁场的测量。因此要实现正交性标定，就要在三轴磁强计所在空间产生一个交流的恒定变化磁场，同时要使三轴磁强计围绕磁场变化，使得三轴磁强计的输出发生变化。
[0006]另一方面，SQUID磁强计使用低温或高温SQUID器件，器件工作在低温或高温环境下时，如低温超导SQUID浸泡在灌有液氦的低温恒温器中维持4.2K的温度；高温超导则浸泡在灌有液氮的低温恒温器中维持7.7K的工作温度。由于低温恒温器体积较大，使得整个探测器体积大，不方便移动。同时低温恒温器中灌注低温液体，旋转探头会引起低温液体大幅度波动，使得SQUID因为温度不稳定或低温液体产生汽包而影响工作。因此SQUID传感器探头是不能随意旋转的。
[0007]上述SQUID三轴磁强计在应用上有两个特殊因素:1)采用SQUID的三轴磁强计测量的是相对变化磁场，无法计算绝对磁场；2)采用灌注低温液体的恒温器来维持SQUID传感器的运行，整个传感器探头不能随意旋转。
实用新型内容
[0008]鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，用于解决现有标定过程中SQUID三轴磁强计只识别变化磁场及传感器探头不能随意旋转的问题。
[0009]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置。
[0010]一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，包括:信号发生器，线圈，低温恒温器，旋转机构，锁相放大器；所述信号发生器产生选定频率和设定幅度的正弦信号；所述线圈与所述信号发生器相连，在所述正弦信号的驱动下产生幅度恒定的交流磁场；所述低温恒温器内置超导量子干涉器件三轴磁强计，用于维持超导量子干涉器件三轴磁强计的工作温度；所述旋转机构用于安装所述线圈和所述低温恒温器，使线圈相对于所述超导量子干涉器件三轴磁强计在水平面和垂直平面内以任意角度调节，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生均匀的幅度恒定的交流磁场；所述锁相放大器与所述信号发生器相连，在所述正弦信号的参考下将标定过程中所述超导量子干涉器件三轴磁强计响应所述交流磁场的结果检测出来。
[0011]优选地，所述旋转机构包括:支架，用于垂直固定所述低温恒温器，使位于所述低温恒温器内的超导量子干涉器件三轴磁强计静止；底座，支撑所述支架；旋转盘，套接于所述支架上，在水平面上围绕所述支架旋转，同时带动所述线圈围绕所述支架在水平面上以任意角度旋转；旋转轴，设置于所述旋转盘的边缘，在垂直平面上以任意角度自转，在水平面上随旋转盘以任意角度公转；所述线圈安装于所述旋转轴上，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生在水平面和垂直平面上以任意角度调节的幅度恒定的交流磁场。
[0012]优选地，所述线圈包括第一侧面线圈、第二侧面线圈和连接杆；所述连接杆内置有连接线，所述连接线的一端与所述第一侧面线圈电连通，另一端与所述第二侧面线圈电连通；所述连接杆的中心固定于所述旋转轴上；所述第一侧面线圈和第二侧面线圈为亥姆霍兹线圈。
[0013]优选地，所述支架包括上支架和下支架，所述上支架和下支架的连接部分易组合且易拆开；所述底座为一字型结构，一字型结构的底座从所述下支架的底部支撑所述支架；所述线圈中的连接杆的长度大于所述上支架的高度；当所述下支架穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈与所述上支架相连时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置。
[0014]优选地，所述底座与支架分离组装，底座与支架的连接部分易组合且易拆开；所述底座为倒T型结构，倒T型结构的底座设置于所述支架的底部，从支架底部支撑所述支架；所述线圈中的连接杆的长度大于所述支架的高度；当所述倒T型结构的底座穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈的中间部分与所述支架连接时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置；当所述倒T型结构的底座替换为倒Π型结构的底座时，所述倒Π型底座设置于所述支架的底部或两侧，从支架的底部支撑所述支架或从支架的侧面支撑所述支架。
[0015]优选地，所述旋转机构包括固定机架，旋转轴承；所述固定机架包括设置在水平面上的圆形导轨、沿所述圆形导轨滑动的固定模块和支撑固定所述圆形导轨的臂杆；所述固定模块固定所述低温恒温器，且带动所述低温恒温器在水平面上以任意角度旋转；所述旋转轴承设置于所述臂杆上，在垂直平面上以任意角度自转；所述线圈安装于所述旋转轴承上，且在旋转轴承的自转带动下在垂直平面上以所述超导量子干涉器件三轴磁强计为中心以任意角度旋转；所述线圈为亥姆霍兹线圈。
[0016]如上所述，本实用新型所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，具有以下有益效果:
[0017]本实用新型避免了 SQUID磁强计探头相对于低温恒温器的旋转，保证了低温恒温器内液体的稳定性，规避了低温恒温器内的液体波动对SQUID磁强计探头造成的影响，同时针对SQUID磁强计不能测量绝对磁场而难以使用恒定磁场标定的问题，采用了交流标定的方法，并通过锁相放大检测的方式，采用最小二乘算法实现了所需数据的获取，实现了校正系数的计算。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1a为本实用新型所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置的结构示意图。
[0019]图1b为本实用新型所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定方法的流程示意图。
[0020]图2a至图2d为实施例一所述的线圈安装在旋转机构上的结构示意图。
[0021]图3a至图3b为实施例一所述的线圈旋转角度调节盲区的第一解决方案的结构示意图。
[0022]图3c至图3d为实施例一所述的线圈旋转角度调节盲区的第二解决方案的第一种结构示意图。
[0023]图3e至图3f为实施例一所述的线圈旋转角度调节盲区的第二解决方案的第二种结构示意图。
[0024]图4为实施例一所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定方法的流程示意图。
[0025]图5a为实施例二所述的固定支架的结构示意图。
[0026]图5b为实施例二所述的低温恒温器在水平面上的旋转结构示意图。
[0027]图5c为实施例二所述的线圈在垂直平面上的旋转结构示意图。[0028]图5d为实施例二所述的旋转机构的侧视图。
[0029]图6为实施例二所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定方法的流程示意图。
[0030]元件标号说明
[0031]100标定装置
[0032]110信号发生器
[0033]120 线圈
[0034]121第一侧面线圈
[0035]122第二侧面线圈
[0036]123连接杆
[0037]130低温恒温器
[0038]140、500 旋转机构
[0039]141支架
[0040]1411 上支架
[0041]1412 下支架
[0042]142底座
[0043]143旋转盘
[0044]144旋转轴
[0045]150锁相放大器
[0046]160导轨
[0047]170滚轮
[0048]510固定机架
[0049]511圆形导轨
[0050]512固定模块
[0051]513臂杆
[0052]514滚轴
[0053]515圆柱筒
[0054]520旋转轴承
[0055]600超导量子干涉器件三轴磁强计
【具体实施方式】
[0056]以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
[0057]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0058]首先，基于SQUID传感器的SQUID三轴磁强计的正交性校正具有其特殊性，SPSQUID三轴磁强计只测量相对变化磁场，无法测得绝对磁场；其次，SQUID三轴磁强计放置在灌注低温液体的低温恒温器中，整个传感器探头不能移动。本实用新型针对上述两点特性设计了所述的超导量子干涉器件(SQUID)三轴磁强计的标定装置及标定方法。该标定装置及标定方法为了能应用目前正交三轴校正方法，需针对SQUID三轴磁强计只识别变化磁场及不能移动的特点，设计校验装置，该校验装置用来提供一个恒定变化场，并以三轴磁强计为中心，以任意角度旋转，根据获取的数据，通过校正算法，实现校正系数求解。
[0059]本实用新型采用的超导量子干涉器件(简称SQUID)的三轴磁传感器不同于普通磁传感器的地方是:1)超导量子干涉器件(简称SQUID)磁传感器只能测量磁场的变化量，不能测得绝对磁场；2)超导量子干涉器件磁传感器需要在灌有液氦的低温恒温器中工作，因此整个三轴磁传感器受低温恒温器中液氦(液体)的限制，不能随意转动，以免液氦晃动，造成温度波动，干扰器件工作，因此SQUID传感器只能在垂直静止放置状态下工作。
[0060]磁场是矢量。三轴正交磁传感器分别定义为X、Y、Z轴磁传感器，每个轴磁传感器测得的是磁场矢量在该轴的投影，即磁场分量。因此，理想的三轴正交磁传感器可获得磁场的三个正交分量。如果用三轴正交磁传感器来测某个恒定的磁场，即需要使该恒定磁场与三轴正交磁传感器成任意的角度。通过三轴磁场分量合成的总磁场值
B = s/X-X + Y-Y + Z.Z就是该任意角度的恒定磁场的磁场强度，这个强度是恒定不变的。
三轴磁传感器标定校准方法就是基于三轴正交磁传感器测量任意角度恒定磁场，其合成总磁场保持恒定不变这个原则来进行的。因此，三轴磁传感器标定方法必须满足以下三个条件:
[0061]I)需要一个恒定磁场；
[0062]2)该恒定磁场与三轴正交磁传感器可保持任意角度；
[0063]3)通过任意改变恒定磁场与三轴正交磁传感器的角度，获得三轴正交磁传感器各轴的输出。
[0064]本实用新型在针对SQUID三轴磁传感器的特点，以及满足三轴正交磁传感器的标定原理的前提条件下，基于合成总磁场不变的原则，通过参数求解，获得三轴正交磁传感器的校准参数。三轴正交磁传感器的校准参数包括X、Y、Z三轴的磁场电压转换系数，X轴相对于Z的角度误差，Y轴相对于X-Z面的角度误差。下面结合实施例和附图对本实用新型进行详细说明。
[0065]实施例一
[0066]本实施例提供一种三轴正交超导量子干涉器件(SQUID)磁强计的标定装置，如图1a所示，该标定装置100包括:信号发生器110，线圈120，低温恒温器130，旋转机构140(未图不)，锁相放大器150。
[0067]所述信号发生器110产生选定频率和设定幅度的正弦信号。所述正弦信号作为交流磁场激励可以使线圈产生交流恒定磁场，其中正弦信号的频率和幅度是可以通过信号发生器灵活设置的，但一旦设定了正弦信号的频率和幅度，该交流信号激励产生的磁场就是幅度(峰值)恒定的交流磁场。由于SQUID磁传感器只能测量绝对磁场，因此使用亥姆霍兹线圈引入交流恒定磁场不但满足了标定三轴正交SQUID磁传感器需要的恒定磁场，也解决了 SQUID磁传感器只能测量绝对磁场的问题。
[0068]所述线圈120与所述信号发生器110相连，在所述正弦信号的驱动下产生幅度恒定的交流磁场。进一步，如图2a至图2d所示,所述线圈120包括第一侧面线圈121、第二侧面线圈122和连接杆123 ;所述连接杆123内置有连接线，所述连接线的一端与所述第一侧面线圈121电连通，另一端与所述第二侧面线圈122电连通。所述第一侧面线圈121和第二侧面线圈122的形状相同；所述第一侧面线圈121和第二侧面线圈122均为圆形线圈、方形线圈、螺线型线圈、椭圆型线圈或不规则形线圈；所述第一侧面线圈121和第二侧面线圈122的保护范围不限于其形状。所述第一侧面线圈121和第二侧面线圈122为亥姆霍兹线圈。为了满足线圈可以以任意角度旋转都能产生恒定交流磁场的要求，所述线圈的线圈匝必须以SQUID传感器为中心进行缠绕，这样当线圈旋转时，其相当于在一个球面上任意摆放。亥姆霍兹线圈(Helmholtz coil)是一种制造小范围区域均勻磁场的器件。由于亥姆霍兹线圈具有开敞性质，可以很容易地将其他仪器置入亥姆霍兹线圈中或移出亥姆霍兹线圈，也可以直接做视觉观察，所以，亥姆霍兹线圈是物理实验常使用的器件。因德国物理学者赫尔曼.冯.亥姆霍兹而命名。在亥姆霍兹线圈加载交流电流，使其在中心局域产生均匀的交流磁场，该均匀区域的空间覆盖超导量子干涉器件三轴磁强计所在的空间。
[0069]所述低温恒温器130内置超导量子干涉器件三轴磁强计，用于放置超导量子干涉器件三轴磁强计，低温恒温器130内灌注有低温液体，用于维持超导量子干涉器件三轴磁强计的工作温度。
[0070]所述旋转机构140用于安装所述线圈120和固定所述低温恒温器130，使线圈120相对于所述超导量子干涉器件三轴磁强计在水平面和垂直平面内以任意角度调节，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生均匀的幅度恒定的交流磁场。所述低温恒温器130在所述旋转机构140上的固定方式可以根据旋转机构的结构以及实际需要而进行合适的设计，例如通过图2a至图2c以及图3a至图3d所示的导轨160和滚轮170进行固定连接。以SQUID三轴磁强计所在区域为中心，所述旋转机构140带动亥姆霍兹线圈在该中心区域旋转，在该中心区域产生均匀的频率和幅度恒定的交流磁场。所述旋转机构140是在水平平面和垂直平面可旋转的装置，其实现了带动亥姆霍兹线圈转动，使亥姆霍兹线圈既可以绕着低温恒温器130在水平面上360度旋转，也可以在低温恒温器130所在的垂直平面上饶中心点进行O?180度旋转。本实用新型通过旋转机构140可以实现交流磁场的任意角度的改变，从而配合校正算法，实现正交性校正。
[0071]进一步，如图2a至图2d所示，所述旋转机构140包括:支架141，底座142，旋转盘143，旋转轴144。
[0072]所述支架141用于垂直固定所述低温恒温器130，使位于所述低温恒温器内的超导量子干涉器件三轴磁强计静止。所述支架141为空心柱体、或至少2根支柱，凡是能够实现固定低温恒温器且不影响旋转机构正常工作的任何形体的结构都包括在本实用新型所述的支架的范围内。所述支架141构成的内部空间足够放置低温恒温器130，支架141周边无辅助机构，支架141的内壁直接支撑恒温容器，或支架141的内壁设有支撑恒温容器的部件。通过调节支架141或低温恒温容器130的上下高度，可以使得SQUID传感器探头放置在所述线圈120构成的测试磁场的中心。所述支架141可以为球体、柱体等任何可以容纳支撑低温恒温器130且外接旋转盘的形体，即支架141的保护范围不限于本实施例所述列举的几种形体类型。本实用新型将超导量子干涉器件三轴磁强计设置于低温恒温器130，将低温恒温器130固定设置于支架141中，因支架是固定不变的，所以位于低温恒温器130中的超导量子涉器件探头也是固定的。所述支架141可以使用圆形中空的圆柱体来实现，以提高机械强度，但该支架141的实现结构包括但不限于圆形中空的圆柱体。本实用新型采用支柱可以实现传感器静止，采用旋转盘和旋转轴可以实现线圈在水平面和垂直平面上的任意角度旋转，解决了 SQUID传感器因使用液氦只能垂直静止安置问题。本实用新型考虑了 SQUID传感器只能垂直保持静止状态放置工作的因素，因此设计了垂直和水平方向可任意旋转的旋转机构来使线圈产生的恒定交流磁场绕SQUID传感器以任意角度旋转，与传统的传感器绕恒定磁场旋转的工作方式完全不同。
[0073]所述底座142支撑固定所述支架141。
[0074]所述旋转盘143套接于所述支架141上，在水平面上围绕所述支架141旋转，同时带动所述线圈120围绕所述支架141在水平面上以任意角度旋转；所述旋转轴144设置于所述旋转盘143的边缘，在垂直平面上以任意角度自转，在水平面上随旋转盘143以任意角度公转；所述线圈120安装于所述旋转轴144上，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生在水平面和垂直平面上以任意角度调节的幅度恒定的交流磁场。所述线圈120安装于所述旋转轴144上,具体地,所述连接杆123的中心固定于所述旋转轴144上。所述旋转盘143可以为圆形、长方形、正方形、椭圆型或对称的不规则形状，也可以为能够实现旋转的其他任意形状，本实用新型所述的旋转盘的保护范围不限于其形状。当旋转盘143设置在水平平面上时，线圈120可以围绕支架141实现水平面旋转，设置于旋转盘143两侧的旋转轴144可以带动线圈120实现在垂直平面的旋转，旋转机构140实现了围绕一个点的任意角度的旋转。
[0075]本实用新型所述的线圈安装在旋转机构上，且可以随着旋转机构围绕支架在水平平面上以任意角度(360度)旋转，也可以随着旋转机构在垂直平面以任意角度旋转。通过该旋转机构，线圈可在SQUID三轴磁强计上加载强度不变而只改变角度的磁场。本实用新型所述的旋转机构的保护范围不限于本实施例列举的几种实现方式，凡是根据现有技术能够实现线圈围绕低温恒温容器在任意两个垂直平面内以任意范围的角度旋转的旋转机构都包括在本实用新型的保护范围之内。结合任意两个垂直平面(如水平面和垂直平面)内任意角度的旋转，本实用新型实现了激励磁场围绕SQUID三轴磁强计产生任意角度的旋转，以便产生正交校正的数据。为了使得空间中角度调节具有一定的均匀性和完备性(即等间隔情况下，测量调节的角度，能较均匀负覆盖整个三维调节空间中，同时各种角度都能覆盖，即满足完备性，使得参数计算求解误差更小)，要求线圈在水平面上能360度调节，在垂直面上具有180度的调节范围。
[0076]线圈在垂直平面旋转的过程中，由于受到支架的阻挡，线圈在垂直平面上可调节的角度会受到限制，存在角度调节的盲区，无法完成O?180度范围内的所有角度的调节，尤其是线圈的连接杆越长，线圈可调节的角度越小，受支柱底部的阻挡越多。因此，本实用新型在原有设计的基础上，增加了角度调节盲区的解决方案，以满足磁场角度调节完备性的要求。支柱本身由于直径较大也会造成线圈角度调节的盲区，所以在线圈调节所经过的区域，使用较细的支柱为好。本实用新型增加的角度调节盲区的解决方案包括:
[0077]I)如图3a所示，将支架141分为上、下两部分设计，分别称为上支架1411和下支架1412，上支架1411和下支架1412的连接部分易组合也易拆开；一字型结构的底座142从所述下支架1412的底部支撑所述支架141 ;线圈120中的连接杆123的长度大于所述上支架1411的高度。将所述上支架1411和下支架1412拆开，使线圈120旋转到180度(即第一侧面线圈在所述上支架的正上方或正下方)，再使下支架穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈与所述上支架相连，此时线圈120的旋转角度调节范围如图3b所示。即当所述下支架穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈与所述上支架相连时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置。
[0078]2)如图3c所示，将底座142设为倒T型结构，倒T型结构的底座设置于所述支架的底部，从支架底部支撑所述支架；因倒T型结构的底座与支架141的连接部分面积小，使得第一侧面线圈(或第二侧面线圈)在旋转时可以伸入到支架的底部，此时线圈的旋转角度范围大于被支架阻挡(即一字型底座)的情况下线圈的旋转角度范围，缩小了线圈在垂直平面上的角度调节盲区。虽然倒T型结构的底座缩小了线圈的角度调节盲区，但是该倒T型结构的底座仍然会阻挡线圈，使线圈无法旋转到180度，对此本实用新型提出更进一步的盲区解决方案，即如图3d所示，使倒T型结构的底座与支架141分离组装，倒T型结构的底座与支架141的连接部分易组合也易拆开，所述线圈中的连接杆的长度大于所述上支架的高度；此时将倒T型结构的底座与支架141拆开，使线圈旋转到180度，再将倒T型结构的底座穿过所述第一侧面线圈(或第二侧面线圈)的中间部分与所述支架141连接，这样就完全弥补了线圈无法旋转到180的盲区，可以测得线圈位于180度及其附近角度的情况下的测量数据，完美地解决了线圈的旋转盲区的问题，实现了线圈在垂直平面上O?180度的角度调节。即当所述倒T型结构的底座穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈的中间部分与所述支架连接时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置。其中，倒T型结构的底座也可以替代为倒Π型结构的底座，如图3e和3f所示，所述倒Π型底座设置于所述支架的底部或两侦牝从支架的底部支撑所述支架或从支架的侧面支撑所述支架。倒Π型结构的底座的弥补线圈角度调节盲区的工作原理与倒T型结构的底座相同，但在实际应用中仍然是倒T型结构的底座效果更优。
[0079]总之，上述措施的目的都是尽可能扩大线圈在垂直平面上的调节的角度，使得试验获得更多不同角度情况下的三轴磁场测量的数据，提高三轴系数标定的精度。由于本实用新型求解用于标定的参数的算法是通过在多个不同角度下检测的三轴磁场分量数据实现的，因此测试的三轴磁场分量数据越多，磁场分量的角度差异越大，那么获得的标定结果越准确。所以，本实用新型所述的标定装置尽可能的使线圈能旋转到任意的角度。但由于垂直安置SQUID恒温器的支柱的阻挡，线圈在垂直方向旋转的角度有限(即出现了盲区)，因此，本实用新型特别附加了可穿入支柱的第二线圈，实现旋转机构在垂直方向调度调节能力的扩展，弥补角度调节的盲区，尽可能实现线圈任意角度的调节。
[0080]所述锁相放大器150与所述信号发生器110相连，在所述正弦信号的参考下将标定过程中位于所述低温恒温器130中的超导量子干涉器件三轴磁强计响应所述交流磁场的结果检测出来。根据超导量子干涉器件SQUID三轴磁强计的特点，在平行线圈上加载交流磁场，使用锁相放大器检测三轴磁强计的响应，获得X、Y、Z三个方向磁强计的输出电压，Vx, Vy, Yz0重新旋转线圈，选定一个位置，重复上述检测，记录磁强计输出电压。应用最小二乘等参数求解方法，求得三轴磁强计的磁场电压传输率，及三轴磁强计的角度误差，完成磁强计的标定。经过多个角度的测量数据，获得数据越多，标定计算越准确。
[0081]本实用新型所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置的工作原理为:利用信号发生器产生选定频率和设定幅度的正弦信号，利用所述正弦信号通过一驱动电路驱动亥姆霍兹线圈在旋转中心(即SQUID三轴磁强计所在区域，或低温恒温器所在区域)产生幅度恒定的正弦交流磁场。该正弦交流磁场的三轴分量分别被SQUID三轴磁强计检测并放大成电压信号输出。SQUID三轴磁强计检测到的电压信号可以通过一读出电路读出来，并输入给锁相放大器。SQUID三轴磁强计输出的电压信号接入锁相放大器，与此同时，用于驱动亥姆霍兹线圈的信号发生器输出的正弦信号也接入锁相放大器；锁相放大器将正弦信号用作参考，将同频率的响应亥姆霍兹线圈激励的SQUID三轴磁强计信号检测出来。通过锁相放大器检测的电压数据就是SQUID三轴磁强计响应正弦交流均匀磁场的结果。
[0082]利用旋转机构在水平面旋转和垂直平面旋转可以调节亥姆霍兹线圈的角度，以改变均匀交流磁场与SQUID三轴磁强计的角度。每调节一个角度，记录一次SQUID三轴磁强计经锁相放大器检测输出的电压值。
[0083]任意调节角度，同时避免所调节角度在一个平面内，可以获取任意角度下SQUID三轴磁强计输出的数据。获取的数据越多越好，角度变化范围越大越好。
[0084]根据任意角度下SQUID三轴磁强计检测到的交流磁场分量根据磁场恒定的原则合成总磁场。再通过最小二乘算法计算获得SQUID三轴磁强计的校正系数。
[0085]本实施例还提供了一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定方法，该标定方法可以由本实用新型所述的标定装置实现，但该标定方法的实现装置包括但不限于本实用新型所述的标定装置。
[0086]如图1a所示，所述标定方法包括:
[0087]利用一信号发生器产生选定频率和设定幅度的正弦信号。
[0088]利用所述正弦信号驱动一线圈产生幅度恒定的交流磁场。所述线圈包括第一侧面线圈、第二侧面线圈和连接杆；所述连接杆内置有连接线，所述连接线的一端与所述第一侧面线圈电连通，另一端与所述第二侧面线圈电连通；所述第一侧面线圈和第二侧面线圈为亥姆霍兹线圈。
[0089]利用一低温恒温器内置超导量子干涉器件三轴磁强计来维持超导量子干涉器件三轴磁强计的工作温度。
[0090]利用一旋转机构安装所述线圈和所述低温恒温器，使线圈相对于所述超导量子干涉器件三轴磁强计在水平面和垂直平面内以任意角度调节，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生均匀的幅度恒定的交流磁场。进一步，利用一支架垂直固定所述低温恒温器，使位于所述低温恒温器内的超导量子干涉器件三轴磁强计静止；利用一底座支撑所述支架；所述底座为一字型、倒T型、或倒Π型；所述一字型底座或倒T型底座设置于所述支架的底部，从支架底部支撑所述支架；所述倒Π型底座设置于所述支架的底部或两侧，从支架的底部支撑所述支架或从支架侧面支撑所述支架。利用一套接于所述支架上、且在水平面上围绕所述支架旋转的旋转盘带动所述线圈围绕所述支架在水平面上以任意角度旋转；利用一设置于所述旋转盘的边缘，且在垂直平面上以任意角度自转，以及在水平面上随旋转盘以任意角度公转的旋转轴安装所述线圈，使线圈在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生在水平面和垂直平面上以任意角度调节的幅度恒定的交流磁场，参见图4所示。所述连接杆的中心固定于所述旋转轴上，随旋转轴的自转和公转带动线圈在水平面和垂直平面上以任意角度旋转。[0091]线圈在垂直平面旋转的过程中，由于受到支架的阻挡，线圈在垂直平面上可调节的角度会受到限制，存在角度调节的盲区，无法完成O?180度范围内的所有角度的调节，尤其是线圈的连接杆越长，线圈可调节的角度越小，受支柱底部的阻挡越多。因此，本实用新型在原有设计的基础上，增加了角度调节盲区的解决方案，以满足磁场角度调节完备性的要求。增加了角度调节盲区的解决方案包括:
[0092]I)如图3a所示，将支架141分为上、下两部分设计，分别称为上支架1411和下支架1412，上支架1411和下支架1412的连接部分易组合也易拆开；底座142为一字型结构，一字型结构的底座142从所述下支架1412的底部支撑所述支架141 ;线圈120中的连接杆123的长度大于所述上支架1411的高度。将所述上支架1411和下支架1412拆开，使线圈120旋转到180度(即第一侧面线圈在所述上支架的正上方或正下方)，再使下支架穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈与所述上支架相连，此时线圈120的旋转角度调节范围如图3b所示。
[0093]2)如图3c所示，将底座142设为倒T型结构，倒T型结构的底座设置于所述支架的底部，从支架底部支撑所述支架；因倒T型结构的底座与支架141的连接部分面积小，使得第一侧面线圈(或第二侧面线圈)在旋转时可以伸入到支架的底部，此时线圈的旋转角度范围大于被支架阻挡(即一字型底座)的情况下线圈的旋转角度范围，缩小了线圈在垂直平面上的角度调节盲区。虽然倒T型结构的底座缩小了线圈的角度调节盲区，但是该倒T型结构的底座仍然会阻挡线圈，使线圈无法旋转到180度，对此本实用新型提出更进一步的盲区解决方案，即如图3d所示，使倒T型结构的底座与支架141分离组装，倒T型结构的底座与支架141的连接部分易组合也易拆开，所述线圈中的连接杆的长度大于所述上支架的高度；此时将倒T型结构的底座与支架141拆开，使线圈旋转到180度，再将倒T型结构的底座穿过所述第一侧面线圈(或第二侧面线圈)的中间部分与所述支架141连接，这样就完全弥补了线圈无法旋转到180的盲区，可以测得线圈位于180度及其附近角度的情况下的测量数据，完美地解决了线圈的旋转盲区的问题，实现了线圈在垂直平面上O?180度的角度调节。其中，倒T型结构的底座也可以替代为倒Π型结构的底座，如图3e和3f所示，所述倒Π型底座设置于所述支架的底部或两侧，从支架的底部支撑所述支架或从支架的侧面支撑所述支架。倒Π型结构的底座的弥补线圈角度调节盲区的工作原理与倒T型结构的底座相同，但在实际应用中仍然是倒T型结构的底座效果更优。
[0094]以所述正弦信号为考，利用一与所述信号发生器相连的锁相放大器将标定过程中位于所述低温恒温器中的超导量子干涉器件三轴磁强计响应所述交流磁场的结果检测出来。
[0095]本实用新型通过旋转激励磁场，多角度测试SQUID三轴磁强计结果，获取多组数据。任意调节线圈位置，使得加载在磁强计上的均匀磁场向量的方向任意调节，方向变化不局限在一个平面内。不断调节磁场方向，每调节一次磁场方向，记录一次磁强计输出，经过多次测量，获得多个数据，形成一组数据。只要选定的角度不限制在同一个平面内，就可使用一组测试数据，通过方程求解，实现三轴磁强计磁通电压转换率和正交角度差的求解，完成SQUID三轴磁传感器的标定。
[0096]实施例二
[0097]本实施例提供一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置及方法，其与实施例一所述的标定装置及方法的区别在于:实施例一所述的旋转机构是带动线圈以所述超导量子干涉器件三轴磁强计为中心在水平平面和垂直平面上以任意角度旋转；即低温恒温器静止不动，线圈围绕低温恒温器在水平面和垂直平面上旋转，参见图4所示。而本实施例所述的旋转机构是带动线圈以所述超导量子干涉器件三轴磁强计为中心在垂直平面上以任意角度旋转，通过带动低温恒温器在水平面上以任意角度旋转来实现线圈相对于超导量子干涉器件三轴磁强计在水平面上的调节；即低温恒温器在水平面上旋转，线圈围绕低温恒温器在垂直平面上旋转，参见图6所示。无论是实施例一所述的旋转方式还是实施例二所述的旋转方式，都能够实现本实用新型的目的:1)保证超导量子干涉器件三轴磁强计在低温恒温器中的水平放置；2)在超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生一个方向可任意调节的幅度恒定的交流磁场。
[0098]如图5a至5d所示，所述旋转机构500包括固定机架510(未图示)，旋转轴承520。所述固定机架510包括设置在水平面上的圆形导轨511、沿所述圆形导轨滑动的固定模块512和支撑固定所述圆形导轨的臂杆513。所述固定模块512固定所述低温恒温器130，且带动所述低温恒温器在水平面上以任意角度旋转。所述固定模块512可以通一个圆柱筒515或其他部件固定所述低温恒温器130。所述固定模块512通过滚轴514或滚轮等部件沿所述圆形导轨滑动。所述旋转轴承520设置于所述臂杆513上，在垂直平面上以任意角度自转。所述线圈120安装于所述旋转轴承520上，且在旋转轴承的自转带动下在垂直平面上以内置于低温恒温器130中的超导量子干涉器件三轴磁强计600为中心以任意角度旋转；所述线圈为亥姆霍兹线圈。从图5a至5d中可以看出，所述圆形导轨511呈圆环状，由固定模块固定的低温恒温器恰好安置于圆形导轨的中间，使内置于低温恒温器中的超导量子干涉器件三轴磁强计位于所述圆形导轨的中心。所述臂杆513包括左臂杆和有臂杆，左臂杆与右臂杆对称设于圆形导轨的两侧。所述旋转轴承520包括左旋转轴承和右旋转轴承，左旋转轴承设置于左臂杆上，右旋转轴承设置于右臂杆上，左旋转轴承和右旋转轴承距离圆形导轨的中心的长度相同。
[0099]本实用新型针对传感器只能测相对磁场的特点采用了亥姆霍兹线圈产生幅度恒定的交流磁场。本实用新型针对要实现角度任意可变的磁场的问题，采用了对磁场进行两个自由度的调节的方案，即通过垂直平面上任意角度调节和水平面上任意角度调节来实现恒定磁场相对于所述超导量子干涉器件三轴磁强计的角度任意可变。其中，垂直平面上的角度调节本实用新型通过旋转平行的亥姆霍兹线圈来完成。水平面上的角度调节，本实用新型通过使线圈绕着低温恒温器360度旋转和使低温恒温器在滑动导轨让360度自转两个途径来实现。本实用新型针对因为SQUID传感在内装液氦的低温恒温器中工作，所以低温恒温器只能保持水平，且探头垂直朝下放置的问题，采用了支架(实施例一)和固定支架(实施例二)两种方式来解决。
[0100]本实用新型实施例一所述方案的优点是超导量子干涉器件三轴磁强计及低温恒温器始终保持不动，缺点是线圈在垂直平面上旋转时需要进行角度调节盲区的规避操作。本实用新型实施例二所述方案的优点是线圈在水平面和垂直平面的调节没有盲区，真正实现了交流磁场相对于超导量子干涉器件三轴磁强计任意角度的调节，缺点是水平面的角度调节需要旋转低温恒温器，但固定支架中的圆形导轨可以保证低温恒温器内液面的稳定，保持了探头垂直朝下(使得探头始终浸泡在低温液氦或液氮中)。本实用新型所涉及的SQUID传感器是涵盖高温超导SQUID和低温超导SQUID的，因此所述低温恒温器中的低温液体包括液氦(4.2K，用于低温SQUID)和液氮(77K，用于高温SQUID器件)。
[0101]本实用新型针对超导SQUID传感器的特殊性，解决了常规方法解决不了的SQUID传感器三轴正交性标定问题。本实用新型利用一个亥姆霍兹线圈，通过旋转线圈的方式获得一个幅度恒定、方向可任意调节的围绕SQUID三轴磁强计旋转的交流磁场，实现SQUID三轴磁强计的传输系数标定和正交性校验。本实用新型避免了 SQUID磁强计探头相对于低温恒温器的旋转，保证了低温恒温器内液体的稳定性，规避了低温恒温器内的液体波动对SQUID磁强计探头造成的影响，同时针对SQUID磁强计不能测量绝对磁场而难以使用恒定磁场标定的问题，采用了交流标定的方法，并通过锁相放大检测的方式，采用最小二乘算法实现了所需数据的获取，实现了校正系数的计算。
[0102]综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0103]上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，其特征在于，所述超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置包括: 信号发生器，产生选定频率和设定幅度的正弦信号； 线圈，与所述信号发生器相连，在所述正弦信号的驱动下产生幅度恒定的交流磁场； 低温恒温器，内置超导量子干涉器件三轴磁强计，用于维持超导量子干涉器件三轴磁强计的工作温度； 旋转机构，用于安装所述线圈和所述低温恒温器，使线圈相对于所述超导量子干涉器件三轴磁强计在水平面和垂直平面内以任意角度调节，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生均匀的幅度恒定的交流磁场； 锁相放大器，与所述信号发生器相连，在所述正弦信号的参考下将标定过程中所述超导量子干涉器件三轴磁强计响应所述交流磁场的结果检测出来。
2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，其特征在于:所述旋转机构包括: 支架，用于垂直 固定所述低温恒温器，使位于所述低温恒温器内的超导量子干涉器件三轴磁强计静止； 底座，支撑所述支架； 旋转盘，套接于所述支架上，在水平面上围绕所述支架旋转，同时带动所述线圈围绕所述支架在水平面上以任意角度旋转； 旋转轴，设置于所述旋转盘的边缘，在垂直平面上以任意角度自转，在水平面上随旋转盘以任意角度公转；所述线圈安装于所述旋转轴上，在所述超导量子干涉器件三轴磁强计周围产生在水平面和垂直平面上以任意角度调节的幅度恒定的交流磁场。
3.根据权利要求2所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，其特征在于:所述线圈包括第一侧面线圈、第二侧面线圈和连接杆；所述连接杆内置有连接线，所述连接线的一端与所述第一侧面线圈电连通，另一端与所述第二侧面线圈电连通；所述连接杆的中心固定于所述旋转轴上；所述第一侧面线圈和第二侧面线圈为亥姆霍兹线圈。
4.根据权利要求3所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，其特征在于:所述支架包括上支架和下支架，所述上支架和下支架的连接部分易组合且易拆开；所述底座为一字型结构，一字型结构的底座从所述下支架的底部支撑所述支架；所述线圈中的连接杆的长度大于所述上支架的高度；当所述下支架穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈与所述上支架相连时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置。
5.根据权利要求3所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，其特征在于:所述底座与支架分离组装，底座与支架的连接部分易组合且易拆开；所述底座为倒T型结构，倒T型结构的底座设置于所述支架的底部，从支架底部支撑所述支架；所述线圈中的连接杆的长度大于所述支架的高度；当所述倒T型结构的底座穿过所述第一侧面线圈或第二侧面线圈的中间部分与所述支架连接时，所述线圈实现旋转角度为180度的设置；当所述倒T型结构的底座替换为倒Π型结构的底座时，所述倒Π型底座设置于所述支架的底部或两侦牝从支架的底部支撑所述支架或从支架的侧面支撑所述支架。
6.根据权利要求1所述的超导量子干涉器件三轴磁强计的标定装置，其特征在于:所述旋转机构包括:固定机架，包括设置在水平面上的圆形导轨、沿所述圆形导轨滑动的固定模块和支撑固定所述圆形导轨的臂杆；所述固定模块固定所述低温恒温器，且带动所述低温恒温器在水平面上以任意角度旋转； 旋转轴承，设置于所述臂杆上，在垂直平面上以任意角度自转；所述线圈安装于所述旋转轴承上，且在旋转轴承的自转带动下在垂直平面上以所述超导量子干涉器件三轴磁强计为中心以任意角度旋转；所述线圈为亥姆霍兹线圈。
【文档编号】G01R35/00GK203551761SQ201320646750
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】王永良, 张树林, 荣亮亮, 孔祥燕, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所