基于SQUID自举电路的新型高精度超导磁力仪

2015-06-08荣亮亮谢晓明

仪表技术与传感器 2015年9期

关键词：程控磁通测控

伍俊，荣亮亮，谢晓明

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

基于SQUID自举电路的新型高精度超导磁力仪

伍俊，荣亮亮，谢晓明

(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

数据采集；磁力仪；超导量子干涉仪；磁场测量；直读电路；电磁兼容

0 引言

随着我国经济对矿产资源的需求日益增长，如何增加资源储备已成为十分重要的战略安全问题，但我国未探明的矿产资源却基本分布在深部矿或隐伏矿中。为提高物探中常用磁法探测的深度和精确度，采用性能优异的磁传感器无疑是最理想的解决方案[1-2]。超导量子干涉仪是目前世界上已知最灵敏的磁传感器，而且其灵敏度除1/f频段外几乎与频率无关，但在应用时需要极低噪声的读出电路与其匹配，而通常匹配是通过变压器和磁通调制间接完成的[3]，从而影响其摆率，并增加了SQUID应用的难度。此外，在基于低温SQUID构建磁力仪时，良好的测控接口对发挥SQUID的优势至关重要，尤其是在动态范围和电磁兼容方面。

1 SQUID及其工作原理

SQUID是基于约瑟夫森结构建的磁通电压转换器，也是迄今为止灵敏度最高的磁传感器，可实现多分量磁场和梯度测量。SQUID有电压和电流偏置两种工作模式，其中在电压偏置时其两端的输出电流I随着外部磁通Φ的增加而呈现周期性变化，这是它量程巨大的根本所在，但是SQUID的I-Φ特性并不是线性的，需要在噪声匹配后通过磁通锁定环(Flux Lock Loop)线性化以达到实用化的目的[4]。

基于FLL工作模式的SQUID读出电路工作原理是通过SQUID自身的反馈线圈抵消外界磁场的变化，使其工作点始终保持在I-Φ(V-Φ)曲线中某个灵敏度最高的点附近。虽然SQUID读出电路工作原理相对简单，但受限于现有运算放大器的噪声要远比SQUID高而无法直接适配，长期以来通常会选择通过变压器间接完成匹配，但由于变压器有隔直的特性，故还须引入磁通调制技术保证低频信号的传输。如图1所示为经典的基于磁通调制的SQUID读出电路。

图1 基于磁通调制的SQUID读出电路原理图

基于磁通调制的SQUID读出电路由于变压器的存在，直接影响其带宽及摆率，并增加了SQUID应用的难度，因此研制一种可直接与运算放大器适配的SQUID非常有实用价值。如图2所示为工作在电压偏置模式下的一种新型可直读的低温SQUID：SQUID自举电路(SQUID Bootstrap Circuit，简称SBC)，它主要由两条支路构成，其中一条支路(SQUID和电感L1)用于增加SQUID 的磁通电流转换系数，另一条支路(电感L2和电阻Rs)则用于提高SQUID的动态电阻。通过上述两个参数的优化，SBC的磁通电压转换系数即可得到明显的提高，从而可以有效地抑制前置运算放大器的噪声，实现SQUID输入信号的直接读出[5-6]。

图2 工作在电压偏置下的可直读SQUID自举电路

2 新型超导磁力仪设计及实现

研制的超导磁力仪主要由低温超导载体液氦及其容器杜瓦、SQUID及其读出电路、测量控制组件3大部分组成，其中固定于杜瓦的SQUID可提供最多3个正交通道的高灵敏度磁场信息，并采用我国具有自主知识产权的SQUID自举电路；测量控制组件则主要用于与SQUID读出电路适配，提供其所需的程控和数据采集接口，并集成人机交互接口，该组件是基于PXI总线和Labview构建的，以求SQUID信号输出在数字化过程中的最优化。

2.1 SBC程控直读电路

SQUID读出电路主要是用于SQUID输入信号的测量，但因受目前超导工艺的影响，SQUID工作参数并不稳定，尤其在外界磁场波动大时，每次上电时均需要通过外部测试信号对TUNE信号进行遍历以找到最佳的工作点进行锁定，故读出电路须可加载测试信号以调节工作参数。

本超导磁力仪受益于新型SQUID自举电路而可以采用基于FLL的直读方式，同时为方便多通道读出电路的集成并保障信号的完整性，特将SQUID读出电路分成FLL前端和主控器两部分，其硬件框图如图3所示，其中FLL前端主要实现SBC程控直读电路的模拟部分，并通过光电隔离的I2C总线与主控器通讯以提高电磁兼容性，而主控器则主要用于集成多通道的FLL前端，并与测控组件适配。

SBC程控直读电路的FLL前端采用电压偏置工作模式，其模拟电路主要由前端放大器、带偏移电压调节的多级放大器、多功能积分器、正反边选择器、测试信号加载器以及集成在SBC上的反馈线圈组成，并通过电压跟随器缓冲输出，其电路原理图如图4所示，其中调节SBC工作参数的偏置电压Vbias和偏移电压Voffset由基于I2C总线的DAC提供；积分器除可通过模拟开关提供两个不同积分常数(结合反馈电阻，对应2个不同的量程)外，还提供了TUNE信号输出(切换成反向放大器)和复位功能；正反边选择器则用于将SQUID工作点锁定在I-Φ曲线的上升沿或下降沿。

图3 SBC程控直读电路硬件框图

图4 FLL前端模拟电路的原理图

2.2 测控组件及其软件设计

测控组件主要用于与SBC程控直读电路适配，并提供其所需的程控和数据采集接口，其中其程控接口采用串行总线RS485。此外，鉴于SQUID具有极低噪声、高动态范围以及对射频敏感等特性，因此在设计数据采集接口时需要充分考虑模数转换器的量程、输入电压噪声、有效分辨率、动态范围、采样率以及它与SQUID的电磁兼容性等技术指标。

鉴于SQUID测量的是相对量，从而为在无屏蔽环境下测量fT量级的磁场提供了可能，但无屏蔽环境下的磁场波动随应用场合大不相同，其中本课题组野外测试常需要用到2个量程(15 nT和420 nT)，而本超导磁力仪的磁通磁场转换系数经标定为1.2 nT/Φ0，因此在模数转换器最大输入电压为10 V的情况下，经计算可知SBC直读电路对应的磁通电压转换系数约为0.8 V/Φ0和28 mV/Φ0，然后让该系数与决定超导磁力仪量程的反馈电阻Rf进行匹配，并按照电阻标称值将其分别设定为50 kΩ和2 kΩ,最后经标定可得超导磁力仪实际的磁通电压转换系数分别为0.75 V/Φ0和30 mV/Φ0。

测控组件软件主要包括SBC工作参数设置程序和数据采集程序两部分，其实现流程如图5所示，其中SBC工作参数设置程序是基于前面板控件的触发事件实现的，而数据采集程序则是基于生产者消费者架构实现的。

图5 测控组件软件实现流程图

3 试验设计及验证

3.1 SBC性能验证

为更好地评估研制的超导磁力仪，特设计如图6所示的SBC性能验证试验。首先在杜瓦上绕制一单匝平面线圈，其位置与测量垂直方向磁场的SBC等高，并通过串联一个精密电阻连接至磁屏蔽室外经电阻分压后的信号源；然后将超导磁力仪中的测控组件放置在磁屏蔽室，同时再将它的其他组件放置在位于磁屏蔽室中心位置的磁屏蔽桶中；最后在测试时将超导磁力仪的输出改接至安捷伦的动态信号分析仪35 670A。此外，有关SQUID磁通电压转换系数和磁通磁场转换系数的标定均有经典的方法，在此不再赘述。

图6 SBC性能验证试验设计

(1)

式中：u0为真空磁导率；I为线圈的电流；R为线圈半径。

图7 SBC及其直读电路性能测试

3.2 电磁兼容评估

SQUID独一无二的灵敏度是把双刃剑，在带来前所未有高灵敏度技术指标的同时，也极大地增加系统的电磁兼容性要求。为对测控组件与SBC的电磁兼容性进行定性和定量的评估，本文在磁屏蔽室中采用动态信号分析仪分别在室内和室外对干扰源进行定位，并测试其干扰强度。

图8所示是PXI测控组件对SBC的EMI评估，通过在磁屏蔽室室内和室外测试的数据与SQUID的磁通本底噪声以功率谱密度的方式进行对比，实验结果表明数据采集模块在无屏蔽环境下对SQUID的干扰以辐射为主，其中PXI测控组件近距离(约1.5 m)时在1 kHz左右的低频段引入的干扰将SQUID本底噪声抬高2～3个数量级。

图8 PXI测控组件对SBC的EMI测试

3.3 野外试验与验证

(a)上海横沙岛野外测试时域数据

(b)上海横沙岛野外测试频域数据图9 上海横沙岛野外试验测试数据

4 结束语

[1] 黄大年，于平，底青云，等.地球深部探测关键技术装备研发现状及趋势.吉林大学学报(地球科学版)，2012，42(5):1485-1496.

[2] 董树文，李廷栋，陈宣华，等.我国深部探测技术与实验研究进展综述.地球物理学报，2012，55(12):3884-3901.

[3] 刘明，徐晓峰，王永良，等.超导量子干涉器件读出电路中匹配变压器的传输特性研究.物理学报，2013，62(18):188501.

[4] CLARKE J,BRAGINSKI A I.The SQUID Handbook Vol.I Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems.WILEY-VCH:WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA,2004.

[5] XIE X M，ZHANG Y，WANG H W,et al.A voltage biased superconducting quantum interference device bootstrap circuit.Superconductor Science and Technology,2010,23(6):065016.

[6] ZHANG Y,ZHANG G F,WANG H W,et al.Comparison of noise performance of dc SQUID bootstrap circuit with that of the standard flux modulation dc SQUID readout scheme.IEEE Trans Appl Supercond,2011,21(3):501-504.

[7] 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术.2版.北京：人民邮电出版社,2011：177.

New High-precision Superconducting Magnetometer Based on SQUID Bootstrap Circuit

WU Jun,RONG Liang-liang,XIE Xiao-ming

(Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China;)