超导体透射感应电势处理与参数计算系统、方法和装置

本技术涉及电磁性质测量，特别是涉及一种超导体透射感应电势处理与参数计算系统、方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

背景技术：

1、作为现代前沿科技领域的核心基础材料，超导材料在强磁场环境下的电磁响应，例如临界磁场、磁通穿透行为、表面阻抗、交流电阻率以及超导转变行为等，是评价其性能和研究超导物理机制的重要参数。对于上述参数，非接触式感应测量方法由于无需在样品表面制作电极，能够避免接触电阻、引线焊接、样品形貌限制等问题，特别适合用于小尺寸、脆性、极端环境下的超导样品测量。

2、在传统技术中的无接触超导性测量方法，发射线圈或激励线圈位于样品一侧，接收线圈位于样品另一侧，超导样品位于发射线圈和接收线圈之间。发射线圈产生交变电磁场，该电磁场穿过或作用于超导样品后，被接收线圈感应为电压信号，样品处于正常态和超导态时，其电导率、磁场屏蔽能力、趋肤深度、伦敦穿透深度、涡流响应和超流响应不同， 因此接收线圈中感应到的信号幅值、相位或电势会发生变化。通过分析接收信号随温度、磁场或时间的变化，可以判断样品的超导转变并提取相关电磁参数。

3、对于线圈感应测量，接收线圈中的感应电势通常满足法拉第电磁感应定律：

4、

5、上式中，v为线圈感应电势，n为线圈匝数，φ为穿过线圈的磁通量。若磁场近似均匀，且线圈有效面积为s，则有：

6、

7、上式中，b为外部磁感应强度，θ为磁场方向与线圈法向之间的夹角。此时，由外部磁场升降产生的背景感应电势可写为：

8、

9、然而，在稳态强磁场快速扫场或脉冲强磁场环境中，外加磁场本身随时间快速变化，根据上述电磁感应关系，磁场升高或降低时会在接收线圈、连接导线以及测量回路中产生额外的背景感应电势。该背景感应电势与样品的超导响应信号叠加在一起，尤其在高磁场快速变化时，背景信号可能远大于样品响应信号，导致接收信号出现较大的基线漂移、低频背景、脉冲噪声或假信号，使得穿透超导体后所产生的真实信号难以准确提取，因此存在信号测量精度较低的问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超导体透射感应电势处理与参数计算系统、方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

2、第一方面，本技术提供了一种超导体透射感应电势处理与参数计算系统，所述系统包括：门控与触发模块、射频信号产生与放大模块、发射线圈、超导样品放置区、接收线圈、补偿线圈、差分连接或差分放大模块、滤波与前置放大模块、信号采集模块以及数据处理与磁场同步模块；

3、所述发射线圈与所述接收线圈相对布置，所述超导样品放置区位于发射线圈与接收线圈之间，用于固定待测超导样品；所述补偿线圈设置于所述接收线圈的邻近或对称位置，处于与所述接收线圈相同或近似相同的外磁场变化环境中；

4、所述补偿线圈的结构参数与所述接收线圈的背景感应电势匹配，所述补偿线圈用于在外部磁场升降过程中产生与所述背景感应电势相等且极性相反的补偿电势；

5、所述差分连接或差分放大模块分别与所述接收线圈和所述补偿线圈的输出端连接，用于在硬件层面差分抵消所述接收线圈和所述补偿线圈共有的磁场升降背景感应电势，输出保留超导样品电磁响应的差分信号；

6、所述射频信号产生与放大模块的输出端连接所述发射线圈，用于产生并放大射频信号，将放大后的射频信号加载至所述发射线圈；所述门控与触发模块分别连接所述射频信号产生与放大模块的控制端以及所述信号采集模块的触发端；

7、所述滤波与前置放大模块连接所述差分连接或差分放大模块的输出端，用于对所述差分信号进行滤波与低噪声放大；所述信号采集模块连接所述滤波与前置放大模块的输出端，用于采集补偿后的差分信号；所述数据处理与磁场同步模块连接所述信号采集模块，用于将所述补偿后的差分信号与对应磁场值匹配并计算超导电磁参数。

8、在其中一个实施例中，所述射频信号产生与放大模块包括：射频信号源、射频开关、射频功率放大器以及发射端带通滤波器；所述射频信号源用于输出设定频率的射频信号；所述射频开关的控制端连接门控与触发模块的门控输出端，用于控制所述射频信号的通断；所述射频功率放大器用于放大射频激励功率；所述发射端带通滤波器用于滤除带外的杂散信号；所述门控与触发模块包括脉冲信号源，所述脉冲信号源同时输出门控信号与触发信号；所述门控信号连接至所述射频开关的控制端，用于控制射频激励的通断时序；所述触发信号连接至所述信号采集模块的所述触发端，用于使所述射频激励与信号采集保持时间同步。

9、在其中一个实施例中，所述差分连接或差分放大模块采用候选连接方式中的任一种连接方式进行连接；所述候选连接方式包括：反向串联连接、差分放大连接、平衡电桥式连接以及可调补偿连接。

10、在其中一个实施例中，所述滤波与前置放大模块包括依次连接的接收端滤波器与低噪声前置放大器；所述接收端滤波器为带通滤波器，用于保留目标射频信号并抑制低频感应干扰和所述杂散信号；所述低噪声前置放大器为差分输入放大器或单端输入放大器；所述信号采集模块包括：高分辨率示波器、高速数据采集卡、锁定放大器或相敏检波器；所述信号采集模块由所述脉冲信号源的触发信号同步触发，在每个测量窗口内采集差分补偿后的接收波形。

11、在其中一个实施例中，所述数据处理与磁场同步模块用于执行以下处理：对采集波形进行基线校正并对所述目标射频信号进行数字相敏解调，根据调解后的射频信号计算同相分量、正交分量、幅值以及相位；将每次测量的信号与对应时刻的磁场值进行匹配，得到超导样品电磁响应随磁场的变化曲线；根据所述变化曲线，结合样品尺寸、线圈参数与电磁模型，计算所述待测超导样品的表面阻抗、交流电阻率、临界磁场或超导转变特征。

12、第二方面，本技术还提供了一种超导体透射感应电势处理与参数计算方法，应用于如上述实施例所述的超导体透射感应电势处理与参数计算系统，所述方法包括：

13、在无样品或样品无明显超导响应的状态下，进行背景标定，调节补偿线圈的结构参数，使接收线圈与所述补偿线圈的背景感应电势在差分输出端相互差分抵消；设置射频信号源的工作参数，由脉冲信号源输出门控信号至射频开关并触发同步信号采集；

14、在启动稳态强磁场快速扫场或脉冲强磁场过程中，按设定时间间隔进行多次短时间射频测量；将接收线圈输出与补偿线圈输出进行反向串联、差分放大或电桥平衡处理，在硬件层面差分抵消所述接收线圈与所述补偿线圈共有的磁场升降背景感应电势，输出补偿后的差分信号；

15、采集所述差分信号，对所述差分信号进行数字相敏解调，根据调解后的差分信号计算同相分量、正交分量、幅值以及相位，将每次测量的信号与对应时刻的磁场值进行匹配，得到超导样品电磁响应随磁场的变化曲线；

16、根据所述变化曲线，结合样品尺寸、线圈参数与电磁模型，计算待测超导样品的表面阻抗、交流电阻率、临界磁场或超导转变特征。

17、第三方面，本技术还提供了一种超导体透射感应电势处理与参数计算装置，应用于如上述实施例所述的超导体透射感应电势处理与参数计算系统，所述装置包括：

18、参数设置单元，用于在无样品或样品无明显超导响应的状态下，进行背景标定，调节补偿线圈的结构参数，使接收线圈与所述补偿线圈的背景感应电势在差分输出端相互差分抵消；设置射频信号源的工作参数，由脉冲信号源输出门控信号至射频开关并触发同步信号采集；

19、信号补偿单元，用于在启动稳态强磁场快速扫场或脉冲强磁场过程中，按设定时间间隔进行多次短时间射频测量；将接收线圈输出与补偿线圈输出进行反向串联、差分放大或电桥平衡处理，在硬件层面差分抵消所述接收线圈与所述补偿线圈共有的磁场升降背景感应电势，输出补偿后的差分信号；

20、相敏解调单元，用于采集所述差分信号，对所述差分信号进行数字相敏解调，根据调解后的差分信号计算同相分量、正交分量、幅值以及相位，将每次测量的信号与对应时刻的磁场值进行匹配，得到超导样品电磁响应随磁场的变化曲线；

21、结果计算单元，用于根据所述变化曲线，结合样品尺寸、线圈参数与电磁模型，计算待测超导样品的表面阻抗、交流电阻率、临界磁场或超导转变特征。

22、第四方面，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

23、在无样品或样品无明显超导响应的状态下，进行背景标定，调节补偿线圈的结构参数，使接收线圈与所述补偿线圈的背景感应电势在差分输出端相互差分抵消；设置射频信号源的工作参数，由脉冲信号源输出门控信号至射频开关并触发同步信号采集；在启动稳态强磁场快速扫场或脉冲强磁场过程中，按设定时间间隔进行多次短时间射频测量；将接收线圈输出与补偿线圈输出进行反向串联、差分放大或电桥平衡处理，在硬件层面差分抵消所述接收线圈与所述补偿线圈共有的磁场升降背景感应电势，输出补偿后的差分信号；采集所述差分信号，对所述差分信号进行数字相敏解调，根据调解后的差分信号计算同相分量、正交分量、幅值以及相位，将每次测量的信号与对应时刻的磁场值进行匹配，得到超导样品电磁响应随磁场的变化曲线；根据所述变化曲线，结合样品尺寸、线圈参数与电磁模型，计算待测超导样品的表面阻抗、交流电阻率、临界磁场或超导转变特征。

24、第五方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

25、在无样品或样品无明显超导响应的状态下，进行背景标定，调节补偿线圈的结构参数，使接收线圈与所述补偿线圈的背景感应电势在差分输出端相互差分抵消；设置射频信号源的工作参数，由脉冲信号源输出门控信号至射频开关并触发同步信号采集；在启动稳态强磁场快速扫场或脉冲强磁场过程中，按设定时间间隔进行多次短时间射频测量；将接收线圈输出与补偿线圈输出进行反向串联、差分放大或电桥平衡处理，在硬件层面差分抵消所述接收线圈与所述补偿线圈共有的磁场升降背景感应电势，输出补偿后的差分信号；采集所述差分信号，对所述差分信号进行数字相敏解调，根据调解后的差分信号计算同相分量、正交分量、幅值以及相位，将每次测量的信号与对应时刻的磁场值进行匹配，得到超导样品电磁响应随磁场的变化曲线；根据所述变化曲线，结合样品尺寸、线圈参数与电磁模型，计算待测超导样品的表面阻抗、交流电阻率、临界磁场或超导转变特征。

26、第六方面，本技术还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

27、在无样品或样品无明显超导响应的状态下，进行背景标定，调节补偿线圈的结构参数，使接收线圈与所述补偿线圈的背景感应电势在差分输出端相互差分抵消；设置射频信号源的工作参数，由脉冲信号源输出门控信号至射频开关并触发同步信号采集；在启动稳态强磁场快速扫场或脉冲强磁场过程中，按设定时间间隔进行多次短时间射频测量；将接收线圈输出与补偿线圈输出进行反向串联、差分放大或电桥平衡处理，在硬件层面差分抵消所述接收线圈与所述补偿线圈共有的磁场升降背景感应电势，输出补偿后的差分信号；采集所述差分信号，对所述差分信号进行数字相敏解调，根据调解后的差分信号计算同相分量、正交分量、幅值以及相位，将每次测量的信号与对应时刻的磁场值进行匹配，得到超导样品电磁响应随磁场的变化曲线；根据所述变化曲线，结合样品尺寸、线圈参数与电磁模型，计算待测超导样品的表面阻抗、交流电阻率、临界磁场或超导转变特征。

28、上述超导体透射感应电势处理与参数计算系统、方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品，在传统发射线圈、超导样品和接收线圈构成的无接触感应测量结构基础上，引入与接收线圈相匹配的补偿线圈，并通过线圈匝数、面积、绕向、相对位置和连接极性的设计，使补偿线圈在外部磁场升降过程中产生与接收线圈背景感应电势幅值相等或接近、极性相反的补偿电势。同时，由于补偿线圈设置在不接收或弱接收穿过超导样品后的有效信号的位置，因此两个线圈输出经差分连接、反向串联或差分放大后，可以在硬件层面差分抵消磁场升降引入的背景感应电势，保留由超导样品电磁屏蔽、穿透或射频响应变化引起的有效差分信号。本技术能够显著降低强磁场升降背景对无接触超导性测量的影响，精准抵消由外磁场变化在接收回路中引入的背景感应电势，准确提取由超导样品电磁响应产生的真实差分信号，从而提高稳态快速扫场和脉冲强磁场环境下超导体电磁响应测量的信噪比、动态范围以及信号测量精度，实现高精度无接触测量。