超导弱磁信号探测磁力仪制造技术

本发明专利技术公开了超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度。本发明专利技术是一项国际上最新的弱磁信号探测设备，相比于传统的电子磁力仪，超导弱磁信号探测磁力仪的分辨率高、精度高、高智能化、高稳定性，除用于物探工作外，还可用于医学上的心、脑磁测量；工程上的无损检测等。

【技术实现步骤摘要】
超导弱磁信号探测磁力仪
本专利技术属于磁场探测领域，特别涉及一种弱磁信号探测设备。
技术介绍
磁力仪采集磁场数据的精确度和准确度将直接影响勘探或探测的效果，它主要用于测量地球的一个重要的基本参数一地磁场，是物探方法中的磁力勘探的基础设备，在航天、军事探测与监测(潜艇)、地震预报、地质填图、矿产资源勘探、空间物理研究、考古、环境监测、生物磁学等众多领域广泛应用。 我国是历史上最早研究地球磁场的国家。但是到了近代，磁力仪的技术大大落后于西方国家。新中国成立后，我国的磁力仪技术开始了艰难的起步。先后研制了悬丝式磁力仪、磁通门磁力仪、磁探仪、质子磁力仪、DI磁力仪、光泵磁力仪。改革开放后，我国引进了加拿大的MP-4型质子磁力仪和美国的G-856AX型质子磁力仪。我国的地面磁法勘探水平在短时间内达到了国际先进水平。进入21世纪以来，国家对地质事业投资力度加大，社会对质子磁力仪的需求猛增。但是，我国的磁力仪在工艺水平上、仪器功能上与国外先进的磁力仪有很大差距，在稳定性与可靠性上也落后于国外先进的磁力仪。磁力仪的技术创新远远不够。 在地质调查和勘探中急需解决以下问题:(I)深部探矿(金属矿和煤矿):由于地表矿产日益枯竭，矿产调查和勘探要求向1000米以上深度勘探，目前的技术手段不能满足要求；(2)油气勘探:目前可测深度不满足要求；(3)航空勘探:目前的航测手段只能满足大面积普查，不能够满足勘探要求；(4)断裂构造的探测与实时监测:山体滑坡、泥石流、溃坝、采空区塌陷、桥梁坍塌、透水等事故探测与监测技术。工程上，一个满意的地下目标探测系统，在设计和实现上都极为复杂。由于地球内部允许使用的信道限制，接收机水平、信息处理技术以及信号本身又非常微弱的缘故，束缚了地下目标探测系统的发展和实际应用。 瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流；断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快、趋肤深度小；而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。 瞬变电磁法的工作效率高，但也不能取代其它电法勘探手段，当周边遇到有大的地面或空间的金属结构时，其灵敏度和稳定性不够，所测到的数据不可使用，此时应补充直流电法或其它物探方法；同时抗干扰能力不足，在地层表面遇到大量的低阻层矿化带时(如地层表面充满石墨层)瞬变电磁法也不能可靠的测量，因此在选择测量时要考虑地质结构；此外，测量过程比较繁琐，缺乏配套的完备数据处理系统，要随时记录地表可见的岩石特征，装置的倾角以及高程，以便在后续的解释中，准确的划分地层构造，同时在一个工区工作之前，要做实验，选择合理的装置以及供电电流，一经确定，不能在测量中变更装置和供电电流，否则对解释造成影响。在进入工区前尽量寻找已知地层的基准点对仪器进行校准，才可确保测量的准确性。 基于超导量子干涉器(SQUID)的弱磁信号与测量系统，是国际上十分关注的尚处于起步阶段的测量方法，且非常敏感和保密。超导量子干涉器(SQUID)利用超导环中弱连接的约瑟夫森效应制成的磁通一电压转换元件，可检测到KT16T/(Hz)1/2的微弱磁场信号，具有其他传统传感器不可比拟的磁场灵敏度，是目前灵敏度最高的磁强计。但它并不能直接把磁场转换为测量的电压或电流，必须通过复杂电子元器件即磁通锁定环，才可将磁场信号转换成可测量的电压信号。基于超导量子干涉器(SQUID)的磁力仪，对弱磁信号非常灵敏，且低频响应好，可解决传统基于电磁测量技术的上述勘探问题。
技术实现思路
专利技术目的:研发一种超导弱磁信号探测磁力仪，克服现有瞬变电磁法弱磁信号与测量系统的缺陷和不足，提高其灵敏度、稳定性和抗干扰能力，增加数据信号处理系统，提高实地探测性能。 技术方案:超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度(如图1)。 所述超导弱磁信号探测磁力仪中核心部件之间的结构关系具体如下(图2): (I)无磁杜瓦(图3)中加有液氦，加液氦时要缓慢，以免液氦喷溅到身体； (2)在所述立体三轴定位仪上安装所述超导量子干涉器，三个所述超导量子干涉器分别置于所述立体三轴定位仪的三个相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金属丝固定连接信号电缆线； (3)通过探头杆连接所述立体三轴定位仪与微控制处理器，所述立体三轴定位仪的信号电缆线从探头的探头杆中间穿过，将微控制处理器安装在探头杆底部平面上； (4)将安装好超导量子干涉器的立体三轴定位仪缓慢地放入装有液氦的无磁杜瓦中，所述探头杆的前端与所述立体三轴定位仪一起固定在无磁杜瓦中； (5)所述探头杆的底部平面与微控制处理器安装在盒式支架上； (6)所述超导量子干涉器的同轴电缆与所述微控制处理器连接，通过电缆将微控制处理器与电源供电单元、主机连接起来，系统组装完成。 所述无磁杜瓦的作用是维持超导量子干涉器正常工作所需的低温环境，内部加注液氦作为制冷剂；无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换，以保持内部液氦的低蒸发率；其所选材料均采用磁化率低于I(T5GsA)e的无磁性材料一无磁玻璃钢，无磁性材料可避免在交变磁场作用下出现的感生磁噪声，该无磁玻璃钢为无磁玻璃纤维通过特种环氧粘接剂、聚氨酯固化剂及其他剂粘合固化而成； 所述超导量子干涉器由一个射频超导量子干涉器(RF-SQUID)构成或由两个直流超导量子干涉器(DC-SQUID)弱连接构成，弱连接处的超导电性受到强烈抑制；所述超导量子干涉器是在约瑟夫森效应和磁通量子化效应基础上发展起来的，可将电场和磁场的微小变化转换为可测量的电压，其性能远远超过常规器件，具有极高的磁场灵敏度，可检测到1-16T/(Hz)1/2的微弱磁场信号，具有其他传统传感器不可比拟的磁场灵敏度；所述超导量子干涉器工作在液氦低温状态下约4K。 为实现空间全方位测量磁场分布，立体三轴定位仪包含三个相互正交的超导环，每个超导环均内嵌连通一个超导量子干涉器(SQUID)，以便能够动态补偿磁扰动；立体三轴定位仪硬件电子电路主要是为超导量子干涉器提供信号，确定超导量子干涉器工作点以及与微控制处理器进行通讯；运用自适应滤波算法来抑制立体三轴定位仪中三个超导环的运动磁场噪声，其噪声源在于超导环在地球空间中扰动地球磁场产生的。自适应滤波算法主要原理是利用量小方差技术，来消除动动磁场噪声。主要是利用金属板、金属网、金属盒等金属体，把电磁场限制在一定空间范围内或把电磁场强度削弱到一定的数量级，其屏蔽结构形式包括屏蔽隔板、共盖屏蔽结构、单独屏蔽和双层屏蔽，从而可实现抑制电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，其特征在于，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度。

【技术特征摘要】
1.超导弱磁信号探测磁力仪，包括超导量子干涉器(SQUID)、无磁杜瓦、立体三轴定位仪、磁通锁定环、微控制处理器、电源供电单元、数据信号处理系统和主机，其特征在于，以低温超导量子干涉器替代传统的感应线圈作为磁力仪探头，提高磁力仪的灵敏度与测量深度、精度。2.根据权利要求1所述的超导弱磁信号探测磁力仪，其特征在于， 所述无磁杜瓦(图3)中加有液氦；在所述立体三轴定位仪上安装所述超导量子干涉器，三个所述超导量子干涉器分别置于所述立体三轴定位仪的三个相互正交面的凹槽中，凹槽外表面的金属丝固定连接信号电缆线；通过探头杆连接所述立体三轴定位仪与微控制处理器，所述立体三轴定位仪的信号电缆线从探头的探头杆中间穿过，将微控制处理器安装在探头杆底部平面上；安装好超导量子干涉器的立体三轴定位仪放入装有液氦的无磁杜瓦中，所述探头杆的前端与所述立体三轴定位仪一起固定在无磁杜瓦中；所述探头杆的底部平面与微控制处理器安装在盒式支架上；所述超导量子干涉器的同轴电缆与所述微控制处理器连接，通过电缆将微控制处理器与电源供电单元、主机连接起来。3.根据权利要求1所述的超导弱磁信号探测磁力仪，其特征在于， 所述无磁杜瓦具有内外壁双层结构，且内外壁之间抽成真空，降低了杜瓦内外的热交换；其所选材料均采用磁化率低于I(T5GsA)e的无磁性材料一无磁玻璃钢，该无磁玻璃钢为无磁玻璃纤维通过特种环氧粘接剂、聚氨酯固化剂及其他剂粘合固化而成。4.根据权利要求1所述的超导弱磁信号探测磁力仪，其特征在于， 所述超导量子干涉器由一个射频超导量子干涉器(RF-SQUID)构成或由两个直流超导量子干涉器(DC-SQUID)弱连接构成，弱连接处的超导电性受到强烈抑制；所述超导量子干涉器可将电场和磁场的微小变化转换为可测量的电压，具有极高的磁场灵敏度，可检测到1-16T/(Hz)1/2的微弱磁场信号，具有其他传统传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾海明，
申请(专利权)人：北京美尔斯通科技发展股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11