超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，包括：包含第一超導(dǎo)量子干涉器件的第一磁傳感器，用于實(shí)時(shí)調(diào)整第一超導(dǎo)量子干涉器件的鎖定工作點(diǎn)，并在每次鎖定后的一個(gè)磁通量程范圍內(nèi)感應(yīng)并輸出與外部磁通的變化相對(duì)應(yīng)的第一感應(yīng)信號(hào)；與第一磁傳感器處于同一外部磁通環(huán)境中的第二磁傳感器，用于感應(yīng)并輸出所處磁通環(huán)境的中與外部磁通連續(xù)變化相對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)信號(hào)；信號(hào)補(bǔ)償處理單元，用于根據(jù)第一感應(yīng)信號(hào)和第二感應(yīng)信號(hào)各自所反映的磁通之差，來(lái)確定各磁通量程范圍內(nèi)的磁通相對(duì)于預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通，并根據(jù)所得到的各相對(duì)磁通來(lái)補(bǔ)償?shù)谝桓袘?yīng)信號(hào)在失鎖期間的變化，將經(jīng)補(bǔ)償后的第一感應(yīng)信號(hào)予以輸出。以實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型在長(zhǎng)時(shí)間里能夠連續(xù)測(cè)得高精度的感應(yīng)信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種磁傳感系統(tǒng)，特別是涉及一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]米用超導(dǎo)量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device,以下簡(jiǎn)稱SQUID)的傳感器是目前已知的最靈敏、高分辨率的磁傳感器。其最低可探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飛特(10-15特斯拉)量級(jí)。廣泛應(yīng)用于心磁、腦磁、極低場(chǎng)核磁共振等微弱磁信號(hào)探測(cè)和科學(xué)研究中。
[0003]直流超導(dǎo)量子干涉器件(簡(jiǎn)稱dc SQUID)采用兩個(gè)并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成超導(dǎo)環(huán)，將結(jié)的兩端引出形成一個(gè)兩端子元件，以下所涉及的SQUID都指直流超導(dǎo)量子干涉器件。給SQUID兩端加載一定的偏置電流，SQUID兩端電壓具有隨外部感應(yīng)磁通大小而變化的磁敏特性。典型的SQUID磁通電壓傳輸特性曲線是周期非線性的，以一個(gè)磁通量子Φ。的磁通(2.07X10—15韋伯)為周期。具有很大的磁通感應(yīng)范圍，文獻(xiàn)報(bào)道其磁通測(cè)量范圍可達(dá)8X104個(gè)Φ。以上。
[0004]然而，上述SQUID周期性非線性的磁通電壓傳輸特性曲線，不具有單值函數(shù)特性。即無(wú)法通過(guò)根據(jù)SQUID電壓輸出大小，獲知實(shí)際感應(yīng)磁通的大小。因此無(wú)法將SQUID器件直接用作磁傳感器。
[0005]目前SQUID磁傳感器是通過(guò)一種稱為磁通鎖定環(huán)路(flux-locked loop,簡(jiǎn)稱FLL)的讀出電路來(lái)實(shí)現(xiàn)磁通電壓的線性轉(zhuǎn)換，構(gòu)建線性磁傳感器。采用FLL的磁傳感器受讀出電路輸出電壓的限制(通常為+-ι?ν)其量程是有限的。同時(shí)由于環(huán)路工作時(shí)會(huì)發(fā)生不可預(yù)知的工作零點(diǎn)跳變而失鎖，造成測(cè)量中斷，信號(hào)輸出不連續(xù)。因此采用FLL的SQUID傳感器無(wú)法發(fā)揮SQUID器件大量程的性能，且易發(fā)生失鎖，造成測(cè)量中斷，鎖定一次工作零點(diǎn)只能測(cè)量IOOms-1s時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的磁通變化。這是由于常規(guī)SQUID傳感器鎖定一次的工作時(shí)間要根據(jù)外部環(huán)境磁場(chǎng)干擾情況而定，有的能工作幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)，它是在受到外部如電力裝置、手機(jī)等電磁場(chǎng)發(fā)生裝置的干擾，造成失鎖。這種干擾具有一定的隨機(jī)性。因此這里主要說(shuō)明基于FLL的SQUID磁傳感器易受干擾，且重新鎖定后不能回復(fù)到原先的工作零點(diǎn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量的連續(xù)性。因此，現(xiàn)有的SQUID磁傳感器不適用長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的系統(tǒng)。因此限制了 SQUID的應(yīng)用。
[0006]由于SQUID磁傳感器的高精度和高反應(yīng)速度，越來(lái)越多的場(chǎng)合，如地磁測(cè)量等領(lǐng)域開(kāi)始使用SQUID磁傳感器。但由于其無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，使得SQUID磁傳感器在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用受到極大的 限制。如何發(fā)揮SQUID器件的特點(diǎn)并能長(zhǎng)時(shí)間(如I天甚至一個(gè)月以上)的測(cè)量外部磁通，避免傳統(tǒng)SQUID磁傳感器工作零點(diǎn)跳變?cè)斐蓽y(cè)量不連續(xù)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所要解決的問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的SQUID磁傳感器無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)需在鎖定工作零點(diǎn)所在量程區(qū)間內(nèi)測(cè)量外部磁通的問(wèn)題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實(shí)用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，包括:包含第一超導(dǎo)量子干涉器件的第一磁傳感器，用于實(shí)時(shí)調(diào)整所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的鎖定工作點(diǎn)，并在每次鎖定后的一個(gè)磁通量程范圍內(nèi)感應(yīng)并輸出與所述外部磁通的變化相對(duì)應(yīng)的第一感應(yīng)信號(hào)；與所述第一磁傳感器處于同一外部磁通環(huán)境中的第二磁傳感器，用于感應(yīng)并輸出所處磁通環(huán)境的中與外部磁通連續(xù)變化相對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)信號(hào)；與所述第二磁傳感器和第一磁傳感器相連的信號(hào)補(bǔ)償處理單元，用于利用預(yù)設(shè)的磁場(chǎng)磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)分別確定所述第一感應(yīng)信號(hào)和所述第二感應(yīng)信號(hào)各自所反映的磁通，并計(jì)算兩磁通之差，根據(jù)所得到的差值來(lái)確定各磁通量程范圍內(nèi)的磁通相對(duì)于預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通量子數(shù)量，以及根據(jù)所得到的各相對(duì)磁通數(shù)量來(lái)補(bǔ)償所述第一感應(yīng)信號(hào)在失鎖期間的變化，將經(jīng)補(bǔ)償后的連續(xù)的第一感應(yīng)信號(hào)予以輸出。
[0009]優(yōu)選地，所述第二磁傳感器包括:第二超導(dǎo)量子干涉器件；與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連、且負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的欠反饋電路，用于將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件，使得所述第二超導(dǎo)量子干涉器件經(jīng)反饋后的感應(yīng)信號(hào)以周期單值特性輸出，并且反饋后的感應(yīng)信號(hào)在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時(shí)處于工作零點(diǎn)、所述磁通量子變化周期結(jié)束時(shí)刻所輸出的感應(yīng)信號(hào)由峰值跳變至所述工作零點(diǎn)；與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的信號(hào)處理單元，用于根據(jù)所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)中各跳變沿的方向來(lái)確定各所述磁通量子變化周期的數(shù)字波形信號(hào)的幅值并生成所述數(shù)字波形信號(hào)，以將所述幅值作為磁通量子的整數(shù)倍計(jì)數(shù)，并將所接收的感應(yīng)信號(hào)與所生成的數(shù)字波形進(jìn)行疊加，以得到反映所述外部磁通在連續(xù)的磁通量子的整數(shù)倍變化期間的感應(yīng)信號(hào)。
[0010]優(yōu)選地，所述欠反饋電路包括:放大單元，用于將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)按照預(yù)設(shè)比例予以放大；依次與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連的反饋電阻和反饋電感。
[0011]優(yōu)選地，所述放大單元為與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連的比例放大器；則所述反饋電阻與所述比例放大器的輸出端連接，所述反饋電感與所述反饋電阻相連且所述第
二超導(dǎo)量子干涉器件互感。
[0012]優(yōu)選地，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件通過(guò)所述比例放大器的輸出端輸出經(jīng)欠反饋后的感應(yīng)信號(hào)。
[0013]優(yōu)選地，所述放大單元包括:與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感連接的磁通放大回路，所述磁通放大回路包括:與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感的電感La、與所述反饋電感互感且與電感La串聯(lián)的第三超導(dǎo)量子干涉器件、與所述第三超導(dǎo)量子干涉器件和電感La并聯(lián)的電阻Rb22,以及與所述第三超導(dǎo)量子干涉器件互感的直流磁通調(diào)節(jié)回路；則所述反饋電阻與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連，所述反饋電感與所述反饋電阻相連；所述反饋電阻與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的連接端還與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連。
[0014]優(yōu)選地，所述信號(hào)處理單元包括:與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的計(jì)數(shù)波形生成器，用于按照所接收的感應(yīng)信號(hào)的周期和所述感應(yīng)信號(hào)的跳變沿的方向生成數(shù)字波形信號(hào)，其中，當(dāng)所接收的感應(yīng)信號(hào)為下跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號(hào)的幅值增加一個(gè)磁通量子，當(dāng)所接收的感應(yīng)信號(hào)為上跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號(hào)的幅值減少一個(gè)磁通量子；與所述計(jì)數(shù)波形生成器和所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的合成器，用于將矯正后的感應(yīng)信號(hào)與所生成的數(shù)字波形信號(hào)進(jìn)行疊加，以得到對(duì)應(yīng)于所述外部磁通的跨多個(gè)磁通量子變化周期的感應(yīng)信號(hào)。
[0015]優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第二超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路。
[0016]優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第二超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路，以及向所述第一超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第二偏置電路。
[0017]優(yōu)選地，所述信號(hào)補(bǔ)償處理單元包括:與所述第二磁傳感器和第一磁傳感器相連的減法處理模塊，用于以所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的磁場(chǎng)磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)為基準(zhǔn)，將所接收的第一感應(yīng)信號(hào)和第二感應(yīng)信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成第一磁通和第二磁通，并將所述第二磁通與第一磁通做減法運(yùn)算，以得到并輸出各磁通量程范圍內(nèi)的磁通；與所述減法處理模塊相連的差額磁通量子數(shù)計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述減法處理模塊所輸出的各磁通量程范圍內(nèi)的磁通平均值，并以預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通平均值為基準(zhǔn)，確定其余各磁通量程范圍的磁通平均值相對(duì)于所述預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通平均值的差額；與所述差額磁通量子數(shù)計(jì)算模塊相連的補(bǔ)償模塊，用于根據(jù)各磁通量程范圍的磁通平均值相對(duì)于所述預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通平均值的差額，將所述第一感應(yīng)信號(hào)中失鎖期間的部分進(jìn)行補(bǔ)償，以得到對(duì)應(yīng)所述外部磁通的連續(xù)變化的第一感應(yīng)信號(hào)。
[0018]如上所述，本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，具有以下有益效果:利用較低精度且能夠長(zhǎng)時(shí)間感應(yīng)連續(xù)磁通變化的第二磁傳感器來(lái)提供第二感應(yīng)信號(hào)，利用高精度但無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間感應(yīng)連續(xù)磁通變化的包含超導(dǎo)量子干涉器件的第一磁傳感器來(lái)提供第一感應(yīng)信號(hào)，再利用第二感應(yīng)信號(hào)和第一感應(yīng)信號(hào)的差值來(lái)對(duì)第一感應(yīng)信號(hào)中不連續(xù)部分(即失鎖期間)進(jìn)行補(bǔ)償估算，能夠?qū)⒏呔鹊牡谝桓袘?yīng)信號(hào)由不連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子干涉器件在多個(gè)小時(shí)甚至更久的時(shí)間里連續(xù)測(cè)量高精度的感應(yīng)信號(hào)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析采集精準(zhǔn)的磁信號(hào)的數(shù)據(jù)資料。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的第二磁傳感器在一個(gè)磁通量子變化周期中第二超導(dǎo)量子干涉器件在欠反饋電路的反饋前后輸出的感應(yīng)信號(hào)波形示意圖。
[0021]圖3顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的第二磁傳感器在連續(xù)跨越兩個(gè)磁通量子變化周期內(nèi)所述欠反饋電路所輸出的感應(yīng)信號(hào)波形示意圖。
[0022]圖4顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的第二磁傳感器的一種優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的第二磁傳感器的又一種優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)示意圖。[0024]圖6顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的第二磁傳感器中信號(hào)處理單元的一種優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖7顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的第二磁傳感器在連續(xù)跨越兩個(gè)磁通量子變化周期內(nèi)所述信號(hào)處理單元中整型濾波器、計(jì)數(shù)波形生成器和合成器各自所輸出的感應(yīng)信號(hào)波形示意圖。
[0026]圖8顯示為本實(shí)用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)中的信號(hào)補(bǔ)償處理單元的一種優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0027]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0028]1超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)
[0029]11第二磁傳感器
[0030]111第二超導(dǎo)量子干涉器件
[0031]112欠反饋電路
[0032]1121比例放大器
[0033]1121’磁通回路放大器
[0034]1122、1122’ 反饋電阻
[0035]1123、1123’ 反饋電感
[0036]1124直流磁通調(diào)節(jié)回路
[0037]1125第三超導(dǎo)量子干涉器件
[0038]113信號(hào)處理單元
[0039]1131計(jì)數(shù)波形生成器
[0040]1132模數(shù)轉(zhuǎn)換器
[0041]1133合成器
[0042]114第一偏置電路
[0043]115第二偏置電路
[0044]12第一磁傳感器
[0045]121第一超導(dǎo)量子干涉器件
[0046]13信號(hào)補(bǔ)償處理單元
[0047]131減法處理模塊
[0048]132差額磁通量子數(shù)計(jì)算模塊
[0049]133補(bǔ)償模塊
【具體實(shí)施方式】
[0050]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
[0051]需要說(shuō)明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本實(shí)用新型的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實(shí)用新型中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0052]請(qǐng)參閱圖1，本實(shí)用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)。所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)能夠高精度的感應(yīng)外部環(huán)境的磁通在連續(xù)跨過(guò)多個(gè)磁通量子變化周期的磁場(chǎng)信號(hào)，并將所感應(yīng)的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為感應(yīng)信號(hào)。本實(shí)用新型所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)所輸出的感應(yīng)信號(hào)的精度接近超導(dǎo)量子干涉器件的精度。
[0053]所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)I包括:第一磁傳感器12、第二磁傳感器11和信號(hào)補(bǔ)償處理單元13。
[0054]所述第一磁傳感器12包含第一超導(dǎo)量子干涉器件121，用于實(shí)時(shí)調(diào)整所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121的鎖定工作點(diǎn)，并在每次鎖定后的一個(gè)磁通量程范圍內(nèi)感應(yīng)并輸出與所述外部磁通的變化相對(duì)應(yīng)的第一感應(yīng)信號(hào)。
[0055]其中，由于超導(dǎo)量子干涉器件是非線性的磁通電壓轉(zhuǎn)化器件，需要借助磁通鎖定環(huán)路(即讀出電路)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁通電壓的線性轉(zhuǎn)化，所述讀出電路由前置放大器，積分器，反饋電阻和反饋線圈構(gòu)成，形成一個(gè)磁通負(fù)反饋閉環(huán)，在閉環(huán)工作的情況下，反饋端的電壓與SQUID檢測(cè)到的磁通成正比，用該電壓即可測(cè)量超導(dǎo)量子干涉器件檢測(cè)到的磁通信號(hào)。
[0056]由于超導(dǎo)量子干涉器件傳輸特性，所述讀出電路包含多個(gè)工作點(diǎn)。由于受到各種干擾，讀出電路在工作中會(huì)發(fā)生工作點(diǎn)跳躍。因此，所述讀出電路需要能夠及時(shí)的鎖定到新的工作點(diǎn)。久而久之，工作點(diǎn)經(jīng)過(guò)幾次跳躍，使得所述讀出電路的輸出電壓接近溢出(超過(guò)+-1OV電壓)，即超出了一個(gè)磁通量程范圍，而無(wú)法穩(wěn)定工作。
[0057]本實(shí)施例中，所述第一磁傳感器12還包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121相連的讀出電路。
[0058]所述讀出電路包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121相連的前置放大器，與所述前置放大器相連且與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121互感的積分反饋?zhàn)与娐?，以及與所述積分反饋?zhàn)与娐废噙B的復(fù)位子電路(均未予圖示)。
[0059]其中，所述前置放大器優(yōu)選為一比例放大器。
[0060]所述積分反饋?zhàn)与娐钒?積分器，反饋電阻和反饋線圈(均未予圖示)。所述積分反饋?zhàn)与娐芬环矫嬖谝粋€(gè)磁通量程范圍內(nèi)實(shí)時(shí)鎖定所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121的各工作點(diǎn)，并將所述前置放大器所輸出的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行積分處理，另一方面將所述前置放大器所輸出的感應(yīng)信號(hào)全部負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121，如此，所述積分反饋?zhàn)与娐匪敵龅牡谝桓袘?yīng)信號(hào)具有單值特性。
[0061]所述復(fù)位子電路用于在所述第一磁傳感器12失鎖時(shí)對(duì)所述積分反饋?zhàn)与娐愤M(jìn)行復(fù)位，并重新鎖定所述積分反饋?zhàn)与娐返墓ぷ鼽c(diǎn)。其中，所述第一磁傳感器12失鎖是指所述第一磁傳感器12中的儲(chǔ)能器件在達(dá)到工作量程時(shí)，因接近溢出而無(wú)法正常回到正常的工作狀態(tài)，造成失鎖。
[0062]具體地，所述復(fù)位子電路在監(jiān)測(cè)到自身所處的所述第一磁傳感器12處于溢出邊緣時(shí)，對(duì)所述積分反饋?zhàn)与娐?、第一超?dǎo)量子干涉器件121中的儲(chǔ)能元件進(jìn)行復(fù)位，以令所述積分反饋?zhàn)与娐纺軌蛑匦骆i定新的工作點(diǎn)。其中，在復(fù)位期間，所述第一磁傳感器12并不能輸出或者不能連續(xù)輸出感應(yīng)信號(hào)，因此，所述第一磁傳感器12所輸出的第一感應(yīng)信號(hào)為間斷的。[0063]所述復(fù)位子電路包括:與所述積分反饋?zhàn)与娐分械碾娙莶⒙?lián)的受控開(kāi)關(guān)Kl、與所述第一磁傳感器12的輸出端相連的受控開(kāi)關(guān)K2、與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121相連的受控開(kāi)關(guān)K3，以及控制各受控開(kāi)關(guān)K1、K2、K3按時(shí)序開(kāi)閉的控制器件等。
[0064]所述第二磁傳感器11用于感應(yīng)并輸出所處磁通環(huán)境的中與外部磁通連續(xù)變化相對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)信號(hào)。
[0065]具體地，所述第二磁傳感器11可以是處于常溫環(huán)境的、能夠長(zhǎng)時(shí)間感應(yīng)外部磁通環(huán)境中磁通連續(xù)變化的磁傳感器。
[0066]由于處于常溫環(huán)境的磁傳感器所輸出的連續(xù)的第二感應(yīng)信號(hào)的精度過(guò)低，無(wú)法很好的反映出超導(dǎo)量子干涉器件的高精度、反應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)。如圖4、5所示，所述第二磁傳感器11優(yōu)選地包含第二超導(dǎo)量子干涉器件111，所述第二磁傳感器11基于欠反饋感應(yīng)將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111所輸出的具有周期多值特性的感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與所述外部磁通變化相對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)信號(hào)。
[0067]其中，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121處于同一外部磁通環(huán)境且處于同一方位。所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111在一個(gè)磁通量子變化周期內(nèi)輸出的具有周期多值特性的感應(yīng)信號(hào)。例如，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111在一個(gè)磁通量子變化周期內(nèi)所輸出的感應(yīng)信號(hào)的波形類(lèi)似于正弦波。
[0068]其中，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111的磁通磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換比小于等于所述第一超導(dǎo)量子干涉器件121的磁通磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換比。優(yōu)選地，二者的磁通磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換比相同。
[0069]具體地，所述外部磁通以一個(gè)磁通量子(2.07X 10_15韋伯)的整數(shù)倍劃分多個(gè)磁通量子變化周期，所述第二磁傳感器11利用欠反饋感應(yīng)技術(shù)將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111所輸出的感應(yīng)信號(hào)欠反饋回所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111，使得反饋后所輸出的感應(yīng)信號(hào)由相對(duì)工作零點(diǎn)具有周期多值特性轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)工作零點(diǎn)具有周期單值特性，再根據(jù)每個(gè)磁通量子變化周期內(nèi)感應(yīng)信號(hào)相對(duì)工作零點(diǎn)的變化方向來(lái)生成與所述外部磁通變化相對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)信號(hào)。其中，所述工作零點(diǎn)為各磁通量子變化周期起始和結(jié)束時(shí)感應(yīng)信號(hào)的電壓值。
[0070]本實(shí)施例中，所述第二磁傳感器11還包括:欠反饋電路112及信號(hào)處理單元113。
[0071]所述欠反饋電路112與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111相連、且負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111，用于將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111所輸出的感應(yīng)信號(hào)按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111，使得所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111經(jīng)反饋后的感應(yīng)信號(hào)以周期單值特性輸出，并且反饋后的感應(yīng)信號(hào)在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時(shí)處于工作零點(diǎn)、所述磁通量子變化周期結(jié)束時(shí)刻所輸出的感應(yīng)信號(hào)由峰值跳變至所述工作零點(diǎn)。
[0072]具體地，本實(shí)用新型根據(jù)超導(dǎo)量子干涉器件在一個(gè)磁通量子變化周期內(nèi)是周期信號(hào)的原理，由所述欠反饋電路112將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111所輸出的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大并負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111，使得反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111的磁通在每個(gè)磁通量子變化周期逐步并最終對(duì)等的抵消相應(yīng)磁通量子變化周期結(jié)束時(shí)的磁通，如此，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111感應(yīng)外界磁通和負(fù)反饋的磁通后所輸出的感應(yīng)信號(hào)呈現(xiàn)單值電壓上升/下降的周期特性，并且反饋后的感應(yīng)信號(hào)在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時(shí)處于工作零點(diǎn)、且所述磁通量子變化周期結(jié)束時(shí)刻所輸出的感應(yīng)信號(hào)由峰值跳變至所述工作零點(diǎn)。其中，所述工作零點(diǎn)可以是某一電壓值，該電壓值經(jīng)過(guò)偏移電壓電路的調(diào)節(jié)處理可調(diào)節(jié)到Ον。
[0073]優(yōu)選地，以圖2中工作零點(diǎn)(即圖2中電壓為Nofs所對(duì)應(yīng)的I1U1點(diǎn))為起點(diǎn)，當(dāng)外部感應(yīng)磁通正好為工作零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁通量為基準(zhǔn)。當(dāng)外部磁通從工作零點(diǎn)向右增大，
增加的外部輸入磁通量為Φ= β所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111輸出隨著磁通量增大而增大，同時(shí)欠反饋電路112產(chǎn)生負(fù)反饋磁通，阻尼所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111實(shí)際
感應(yīng)磁通Φ=的增大速度。當(dāng)外部磁通增大到一個(gè)磁通量子Otl時(shí)，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111所輸出的電壓達(dá)到正的最大值；外部磁通再增大，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111輸出電壓通過(guò)反饋回路產(chǎn)生的磁通不再能維持抵消外磁通的能力，自動(dòng)發(fā)生工作零點(diǎn)跳躍，由于外部磁通變化量正好為一個(gè)磁通量子，因此跳躍后進(jìn)入下一個(gè)工作零點(diǎn)，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111輸出回歸至所述工作零點(diǎn)。
[0074]反之,外部磁通從工作零點(diǎn)開(kāi)始減小。磁通量向左減小，減小的外部輸入磁通量為 所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111輸出V;隨著磁通量減小而減小，同時(shí)所述欠反饋電
路112產(chǎn)生負(fù)反饋磁通.阻尼所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111實(shí)際感應(yīng)磁通Φ:的減
小。當(dāng)外部磁通減小達(dá)到一個(gè)磁通量子，同時(shí)所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111所輸出的電壓達(dá)到負(fù)的最大值；當(dāng)外部磁通再減小，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111輸出電壓產(chǎn)生的負(fù)反饋磁通不足以抵消外磁通的增大，負(fù)反饋不能達(dá)到平衡，則將發(fā)送工作零點(diǎn)跳躍。由于外部磁通變化量正好為一個(gè)磁通量子，因此跳躍后進(jìn)入下一個(gè)工作零點(diǎn)，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件111輸出回歸至工作零點(diǎn)。
[0075]由上述分析課件，從工作零點(diǎn)出發(fā)，磁通增大到一個(gè)磁通量子時(shí)，將發(fā)生工作零點(diǎn)跳躍，滿足臨界條件:
【權(quán)利要求】
1.一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括: 包含第一超導(dǎo)量子干涉器件的第一磁傳感器，用于實(shí)時(shí)調(diào)整所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的鎖定工作點(diǎn)，并在每次鎖定后的一個(gè)磁通量程范圍內(nèi)感應(yīng)并輸出與所述外部磁通的變化相對(duì)應(yīng)的第一感應(yīng)信號(hào)； 與所述第一磁傳感器處于同一外部磁通環(huán)境中的第二磁傳感器，用于感應(yīng)并輸出所處磁通環(huán)境的中與外部磁通連續(xù)變化相對(duì)應(yīng)的第二感應(yīng)信號(hào)； 與所述第二磁傳感器和第一磁傳感器相連的信號(hào)補(bǔ)償處理單元，用于利用預(yù)設(shè)的磁場(chǎng)磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)分別確定所述第一感應(yīng)信號(hào)和所述第二感應(yīng)信號(hào)各自所反映的磁通，并計(jì)算兩磁通之差，根據(jù)所得到的差值來(lái)確定各磁通量程范圍內(nèi)的磁通相對(duì)于預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通量子數(shù)量，以及根據(jù)所得到的各相對(duì)磁通數(shù)量來(lái)補(bǔ)償所述第一感應(yīng)信號(hào)在失鎖期間的變化，將經(jīng)補(bǔ)償后的連續(xù)的第一感應(yīng)信號(hào)予以輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第二磁傳感器包括: 第二超導(dǎo)量子干涉器件； 與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連、且負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的欠反饋電路，用于將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至所述第二超導(dǎo)量子干涉器件，使得所述第二超導(dǎo)量子干涉器件經(jīng)反饋后的感應(yīng)信號(hào)以周期單值特性輸出，并且反饋后的感應(yīng)信號(hào)在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時(shí)處于工作零點(diǎn)、所述磁通量子變化周期結(jié)束時(shí)刻所輸出的感應(yīng)信號(hào)由峰值跳變至所述工作零占.與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的信號(hào)處理單元，用于根據(jù)所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)中各跳變沿的方向來(lái)確定各所述磁通量子變化周期的數(shù)字波形信號(hào)的幅值并生成所述數(shù)字波形信號(hào)，以將所述幅值作為磁通量子的整數(shù)倍計(jì)數(shù)，并將所接收的感應(yīng)信號(hào)與所生成的數(shù)字波形進(jìn)行疊加，以得到反映所述外部磁通在連續(xù)的磁通量子的整數(shù)倍變化期間的感應(yīng)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述欠反饋電路包括: 放大單元，用于將所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號(hào)按照預(yù)設(shè)比例予以放大； 依次與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連的反饋電阻和反饋電感。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述放大單元為與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連的比例放大器； 則所述反饋電阻與所述比例放大器的輸出端連接，所述反饋電感與所述反饋電阻相連且所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述第二超導(dǎo)量子干涉器件通過(guò)所述比例放大器的輸出端輸出經(jīng)欠反饋后的感應(yīng)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述放大單元包括:與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感連接的磁通放大回路，所述磁通放大回路包括--與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感的電感La、與所述反饋電感互感且與電感La串聯(lián)的第三超導(dǎo)量子干涉器件、與所述第三超導(dǎo)量子干涉器件和電感La并聯(lián)的電阻Rb22,以及與所述第三超導(dǎo)量子干涉器件互感的直流磁通調(diào)節(jié)回路； 則所述反饋電阻與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件相連，所述反饋電感與所述反饋電阻相連； 所述反饋電阻與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的連接端還與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理單元包括: 與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接的計(jì)數(shù)波形生成器，用于按照所述第二超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的數(shù)字化后的感應(yīng)信號(hào)的周期和所述感應(yīng)信號(hào)的跳變沿的方向生成數(shù)字波形信號(hào)，其中，當(dāng)所接收的感應(yīng)信號(hào)為下跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號(hào)的幅值增加一個(gè)磁通量子，當(dāng)所接收的感應(yīng)信號(hào)為上跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號(hào)的幅值減少一個(gè)磁通量子； 與所述計(jì)數(shù)波形生成器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連的合成器，用于將數(shù)字化后的感應(yīng)信號(hào)與所生成的數(shù)字波形信號(hào)進(jìn)行疊加，以得到對(duì)應(yīng)于所述外部磁通的跨多個(gè)磁通量子變化周期的感應(yīng)信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第二超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第二超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路，以及向所述第一超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第二偏置電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)補(bǔ)償處理單元包括: 與所述第二磁傳感器和第一磁傳感器相連的減法處理模塊，用于以所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的磁場(chǎng)磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)為基準(zhǔn)，將所接收的第一感應(yīng)信號(hào)和第二感應(yīng)信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成第一磁通和第二磁通，并將所述第二磁通與第一磁通做減法運(yùn)算，以得到并輸出各磁通量程范圍內(nèi)的磁通； 與所述減法處理模塊相連的差額磁通量子數(shù)計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述減法處理模塊所輸出的各磁通量程范圍內(nèi)的磁通平均值，并以預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通平均值為基準(zhǔn)，確定其余各磁通量程范圍的磁通平均值相對(duì)于所述預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通平均值的差額； 與所述差額磁通量子數(shù)計(jì)算模塊相連的補(bǔ)償模塊，用于根據(jù)各磁通量程范圍的磁通平均值相對(duì)于所述預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁通平均值的差額，將所述第一感應(yīng)信號(hào)中失鎖期間的部分進(jìn)行補(bǔ)償，以得到對(duì)應(yīng)所述外部磁通的連續(xù)變化的第一感應(yīng)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01R33/035GK203720339SQ201420091512
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】王永良, 徐小峰, 孔祥燕, 謝曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所