Диссертация (1024691), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Зонды первого типа содержали только один СКВИДдатчиксградиентометрическиммонтировалисьнатрансформатороминдивидуальноймагнитногоцилиндрическойпотокавставкеиизстеклопластиковых трубок диаметром 20 мм, также, как это было вдесятиканальной МКГ-системе (рисунок 4.12). Вставки погружались в криостат173до дна независимо, и фиксировались на верхнем фланце криостата в соответствиис выбранной сеткой измерений. Количество зондов соответствовало выбранноймодификации системы – от одноканальной до тридцатишестиканальной.
В случаеиспользованияраздельныхизмерительныхзондовреферентныйXYZ-магнитометр размещался в одном из зондов на расстоянии 10 см выше СКВИДдатчика «сигнального» градиентометра.Зонд второго типа представлял собой единую моновставку (рисунок 4.16), накоторой в соответствии с сеткой измерений крепились все используемые СКВИДдатчики и градиентометры. В случае использования моновставки XYZмагнитометр крепился отдельно от градиентометрических каналов.Рисунок 4.16 – Фотография моновставки с девятью градиентометрами иреферентным магнитометром для МКГ-комплекса «МАГ-СКАН-09»Максимальное количество градиентометров на одной моновставке равнялосьдевяти. Модификации МКГ-комплексов с восемнадцатью или тридцати шестьюканалами предполагали использование двух или четырех моновставок (с девятьюградиентометрамикаждая)соответственно.Такоймодульныйподходкпроектированию МКГ-комплексов позволил строить их на базе единойтехнологической платформы и с точки зрения конструкции измерительныхзондов, и состава блоков электроники, и используемых программ управленияработой комплекса, обработки и анализа магнитокардиосигналов.174ВходепроектированияиспользованырезультатымагнитометрическойтеоретическихиСКВИД-системыэкспериментальныхбылиоценокэквивалентной чувствительности канала регистрации МКГ для конфигурацииаксиального симметричного градиентометра второго порядка типа «1:2:1» сдиаметром приемных петель 19,8 мм и величиной базы 55 мм.
В каналахрегистрации МКГ были установлены наиболее совершенные СКВИД-датчикимодели «CЕ2blue» (рисунок 4.17) производства фирмы SUPRACON AG,Германия.ПосколькуинтерферометрСКВИДавтакомдатчикеимелградиентометрическую топологию, для его надежной экранировки от внешнихпомех было достаточно использовать один экран.Рисунок 4.17 – Фотография СКВИД-датчиков модели «CЕ2blue» фирмыSUPRACON AG, Германия, без сверхпроводниковых экранов [148]Балансировка градиентометров в однородном магнитном поле осуществляласьс помощью системы квадратных катушек Гельмгольца, создающих магнитноеполе с однородностью более 104 в объеме с характерным размером около 0.1 м.Выборвесовыхкоэффициентовдлясмешиваниявыходныхсигналовреферентного XYZ-магнитометра с выходными сигналами градиентометровосуществлялся с использованием аттенюаторов на основе 12-битных цифроаналоговых преобразователей, имевших значения коэффициента усиления вдиапазоне «0 – 1», и управляемых с помощью компьютера.
Каждыйградиентометрический канал имел по три аттенюатора, соответствующих тремнаправлениям магнитного поля, измеряемым с помощью XYZ-магнитометра.Балансировка всех «сигнальных» градиентометров производилась по методике,175изложенной в Главе 3, последовательно по каждому направлению поля, значениякоэффициентов усиления аттенюаторов запоминались в конфигурационный файли в дальнейшем больше не менялись. Конфигурационный файл копировался впакет программного обеспечения и мог быть загружен заново при необходимости.В зависимости от уровня помех, в месте проведения измерений с помощьюподобной процедуры балансировки в однородном магнитном поле удавалосьснизить результирующий уровень шума на выходе градиентометрических каналовв 5 - 10 раз по сравнению с его исходным значением.4.3.3 Электронные блоки управления СКВИД-датчиками и регистрациеймагнитокардиосигналов в МКГ-комплексах «МАГ-СКАН»В рамках модульной концепции построения МКГ-систем был разработан исоздан специальный комплект электроники, состоявший из двенадцатиканальногоблока СКВИД-электроники и блока согласования с системой электронногоподавления помех и системой сбора данных (рисунок 4.18).
Этот комплектсодержал схемы низковольтного питания всех плат, средства настройки СКВИДдатчиков,управлениярежимамиработыМКГ-системы,дополнительныеусилители и фильтры выходных сигналов каналов регистрации МКГ, средствапреобразования сигналов в цифровую форму (24-битные АЦП) и их передачи вперсональный компьютер (ПК).Блок СКВИД-электроники содержал материнскую плату с общими схемамиуправления и двенадцатью слотами, в которые можно было установитьнеобходимое число плат СКВИД-электроники в зависимости от того, какоеколичество каналов регистрации МКГ должна была иметь изготавливаемаясистема.
Первые три слота предназначались для установки плат референтногоXYZ-магнитометра,выходыкоторыхмоглиподключатьсячерезмасштабирующие усилители системы электронного подавления помех к выходамостальных девяти каналов, используемых для работы с «сигнальными»градиентометрами. Девять «сигнальных» каналов и три канала векторного176магнитометра содержали аналоговую и цифровую части. Аналоговая часть схемыобеспечивала режим потокозапирающей обратной связи в СКВИДах, усиление ипреобразованиемагнитокардиосигналов.Цифроваячастьобеспечивалауправление режимами работы аналоговой части. В каждом канале СКВИДэлектроники имелась возможность настройки основных параметров СВКИДдатчиков, а также возможность переключения режимов их работы. Всеэлектронные схемы МКГ-комплексов управлялись через USB- или COM-портперсонального компьютера.
При термоциклировании измерительного зонданастройкипараметровсигнальныхиреферентныхканаловоставалисьстабильными, и лишь иногда требовалась их незначительная подстройка.Рисунок 4.18 – Фотография комплекта двенадцатиканальной электроники МКГкомплексов серии «МАГ-СКАН-09»177В платах СКВИД-электроники был реализована схема с двумя диапазонамикоэффициента обратной связи, которые составляли 0.66 В/0 и 0.12 В/0соответственно. Значения коэффициентов обратной связи были выбраны исходяиз результатов обобщения практического опыта по достижению устойчивойработы МКГ-систем в различных помещениях с различными уровнями внешнихмагнитных помех и шумов.Выходы СКВИДов сигнальных и референтных каналов с разъемов наизмерительном зонде присоединялись кабелями к входным разъемам блокаСКВИД-электроники, размещаемого в непосредственной близости от верхнегофланца криостата с измерительным зондом.
С выходов градиентометрическихканалов и каналов векторного магнитометра аналоговые сигналы поступали вблок согласования. В блоке согласования магнитокардиосигналы дополнительнообрабатывались с помощью фильтров низких частот и фильтров высоких частотвторого порядка, ослабляющих помехи от силовой сети и сверхнизкочастотныевариации внешнего магнитного поля. После фильтрации сигналы можно былодополнительно усилить с помощью масштабирующих усилителей. Частоты срезаФНЧ и ФВЧ, а также коэффициенты масштабирующего усиления былификсированы и имели значения 130 Гц, 0,5 Гц и 10 соответственно.
В блокесогласования также находилась система электронного подавления помех, котораяпозволяла вычитать линейные комбинации сигналов векторного магнитометра изсигналов каналов регистрации МКС. Весовые коэффициенты в линейныхкомбинациях устанавливались 12-ти разрядным цифровым кодом.После системы электронного подавления помех, аналоговой фильтрации иусиленияМКГ-сигналыпоступалина24-битныеаналогово-цифровыепреобразователи, причем каждый градиентометрический и референтный каналыимели индивидуальные АЦП, что обеспечивало одномоментную оцифровку всехсигналов. Система электронной балансировки, схемы фильтрации и усилениябыли выполнены в виде внутри блока согласования и управлялись от компьютера.178Блок согласования и компьютер располагались на расстоянии до 10 метров откриостата с измерительными зондами.При проектировании и создании серии «МАГ-СКАН» была использованапоявившаяся в конце 90-х годов возможность перехода в электронных схемах насовременную элементную базу.
Доступность зарубежных комплектующих ималогабаритных электронных компонентов, многослойных печатных плат исовременных методов радиомонтажа позволила кардинально улучшить качествосоздаваемыхмагнитометрическихсистемприсущественномихсхемотехническом упрощении. Особенно это коснулось цифровой частиразработанной электроники магнитометров и системы сбора данных.Замена в системе сбора данных 16-битных АЦП на 24-битные позволилопрактически полностью перекрыть динамический диапазон регистрируемыхградиентометрическими каналами МКГ-сигналов и сигналов внешних помех,поэтому было принято решение о разработке и создании собственнойоригинальной системы сбора данных на базе таких 24-битных АЦП. Причем, вотличие от платы MIO-16X, где установлен один кристалл АЦП, и используется16-канальный мультиплексор на его входе, в разработанной нами системе сбораданных были использованы АЦП, индивидуальные для всех каналов, чтопозволило проводить оцифровку поступающих МКГ-сигналов синхронно по всемканалам и избежать ошибок, связанных с неодновременностью сбора МКГданных в мультиплексорной схеме платы MIO-16X.В системе сбора данных были использованы 24-битные АЦП типа ADS1251фирмы Burr Brown с максимальной частотой сбора данных 20 кГц [124].Внутренний фильтр АЦП ограничивал полосу обрабатываемых сигналов науровне 4 кГц.
На практике использовалась частота сбора данных, равная 1 кГц,что позволяло вести оцифровку регистрируемых МКГ в полосе 0-500 Гц. Уровеньсобственных шумов АЦП составлял величину порядка 0.66 мкВ/Гц1/2. Призначении коэффициента обратной связи 0.12 В/0 это соответствовало уровнюшума в квантах магнитного потока ~10 мк0/ Гц1/2. Для того, чтобы снизить этувеличину до уровня порядка 1 мк0/Гц1/2, в блоке управления были179предусмотрены дополнительные усилители выходных сигналов градиентометровс коэффициентом усиления 10. Такое схемотехническое решение позволилосделать собственный шум АЦП существенно ниже уровня собственных шумовиспользованных СКВИДов, который находился в диапазоне 3-4 мк0/Гц1/2.
Напервом диапазоне работы СКВИД-электроники со значением коэффициентаобратной связи порядка 0.66 В/0 это соответствовало уровню выходногонапряжения градиентометрических каналов менее 2,5 мкВ/Гц1/2.Количество фильтров в блоке управления было также уменьшено. В рабочихвариантах комплексов имелись фильтры высокой частоты первого порядка счастотой среза 0,05 Гц и фильтры низкой частоты второго порядка с частотамисреза 130 Гц и 1000 Гц. Данные значения были выбраны из соображенийминимальногоискажениямагнитокардиосигналов.НапрактикеМКГрегистрировались в полосе 0,05-130 Гц, и при работе на втором диапазоне скоэффициентом обратной связи 0.12 В/0 использовался дополнительныйусилитель с коэффициентом усиления, равным 10.Приработевлабораториииливклинике,ввыходныхсигналахградиентометрических каналов преобладали главным образом шумы помехиокружающегопространства.Неусредненныеспектрывыходныхсигналовградиентометрических каналов, записанные в лабораторных условиях бездополнительной магнитной экранировки, представлены на рисунке 4.19.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
