一种双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器与流程

本发明属于磁传感器技术领域，涉及一种用于SQUID磁传感器的放大装置，特别是涉及一种双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器。

背景技术：

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下简称SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁探测器，广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10^-15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。

SQUID器件是SQUID磁传感器中最核心的磁敏感元件。通常采用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，该器件是由两个超导约瑟夫森结并联构成的一个超导环，在约瑟夫森结的两端引出端子，加载一定的偏置电流，使SQUID两端的电压具有随其感应磁场发生变化的特性。即SQUID感应外界磁通，输出响应的电压，输入磁通和电压构成对应的传输特性。典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线如图1所示。SQUID磁通-电压传输特性是指SQUID的输入输出的关系，即输入一个被测磁通量，SQUID相应输出一个电压值，以输入磁通量为横轴，电压响应为纵轴，输入磁通与输出电压一一对应，就构成了图1所示的特性曲线，该曲线反映了SQUID磁场-电压传输特性。该磁通-电压传输特性是周期非线性的，周期为一个磁通量子Φ₀(2.07×10^-15韦伯)。从SQUID的磁通-电压传输特性曲线可以看出，SQUID响应外部磁通是非线性的，且随输入磁通呈周期变化，是一个以输入磁通为自变量的周期函数。周期为一个磁通量子Φ₀。所述SQUID是磁敏元件，就是指SQUID能响应输入的磁通，产生电压变化，即对输入磁通敏感。由于磁通-电压传输特性是非线性的，SQUID对不同磁通输入其响应能力不同。通常引入传输特性曲线的斜率来表征敏感程度，斜率越大，灵敏度越高。在传输特性曲线某个点的斜率体现SQUID在该点输入一个微小磁通变化产生电压响应的能力，称为该点的磁通-电压传输率。SQUID在某个点的传输率越大，用它做工作点构成线性的磁传感器所获得的噪声越低。

SQUID磁传感器就是依赖上述SQUID磁通-电压传输特性应用磁通-电压锁定原理来实现磁通检测的，并将检测到的磁通线性转换成电压信号，构成基于SQUID的高灵敏度低噪声磁传感器。基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器的典型结构如图2所示。图3为SQUID磁传 感器在工作点处的传输特性曲线示意图。从SQUID磁传感器的典型原理图可以看出，这是一种负反馈回路，电路处于动态平衡状态，即通过积分器调整输出反馈电流，始终跟踪抵消外部输入的被测磁通，使得SQUID始终稳定在工作零点上。所述工作零点就是在SQUID磁通电压传输特性曲线上选取一个特性点，该特性点磁通-电压传输率最大，且工作点两边有一定的区间使得SQUID磁传感器电路能保持负反馈；当发生偏离工作点的波动时，只要在该区间内，负反馈回路就能自动回复平衡，使SQUID状态重新回到工作点上。

上述磁通锁定环结构是一种典型的应用非线性磁敏元件实现磁通-电压线性转换的方案，其工作原理是：选择SQUID磁通-电压传输特性其中一个工作点，在工作点处，SQUID输出电压为零，积分器没有积分，所有输出稳定，达到负反馈的稳定状态。当外部被测磁通发生变化，SQUID感应的磁通偏离工作点，并根据磁通-电压传输特性曲线输出电压，该电压经前置放大送入积分器，积分器根据输入电压大小积分调制输电电压，该调制后的输出电压驱动反馈电阻产生反馈电流I_f，反馈电流通过反馈电感L_f与磁敏感元件SQUID的互感M_f产生抵消磁通，抵消外部输入的磁通，使得整个负反馈环路恢复平衡，SQUID状态回到工作点保持稳定。从磁通锁定环的负反馈工作过程可知，输入的被测磁通大小与抵消磁通始终相同，因此被测磁通大小产生抵消磁通的积分器输出电压成比例关系，只要检测积分器的输出电压，即可获知外部被测磁通的大小，SQUID磁传感器就是利用该原理实现磁通-电压的线性转换的。从SQUID磁传感器的工作原理可知，传感器利用SQUID工作点处的磁通-电压转换特性维持负反馈平衡，完成磁通-电压的线性转换。

SQUID器件在构建磁传感器中存在以下问题：SQUID磁通-电压传输率不够，使传感器噪声由前置放大器噪声主导。SQUID器件的信号微弱，需要通过低噪声前置放大器将信号放大，再驱动积分器和磁通负反馈回路，形成磁通锁定环。由于SQUID工作在低温环境下，具有很低的噪声，而与其匹配的前置放大器采用半导体电路构成，且工作在低温环境下，其电压噪声远高于SQUID的本征噪声，使得SQUID磁传感器噪声性能由前置放大器主导，SQUID器件低噪声性能得不到充分发挥，主要原因是SQUID器件磁通电压传输率不足。SQUID器件工作在低温环境下(低温超导材料制作的SQUID通常工作在4.2K液氦环境下，高温超导材料制作的SQUID通常工作在77K的液氮环境下)，具有很低的噪声，典型的磁通噪声低于SQUID的磁通-电压传输率通常能达到100μV/Φ₀。SQUID前置放大器采用半导体放大器，在室温环境下，放大器典型的电压噪声为因此前置放大器引入的等效磁通噪声为可见放大器引入的噪声远大于 SQUID本征的噪声，产生了SQUID器件与前置放大器噪声不匹配的问题。

为了解决噪声匹配问题，目前已有的方案是引入两级SQUID放大的设计，即采用两个SQUID器件，第一个SQUID检测被测磁场输出的信号再经第二个SQUID器件进行放大，通过两级放大使总的磁通-电压传输率得到增强，从而和常温下的半导体前置放大器匹配，实现低噪声。采用两级SQUID放大，信号放大在低温下采用具有相同低噪声性能的第二级SQUID来实现放大，可实现很低的噪声，是目前最佳的构建高性能SQUID磁传感器的方案。

目前已有的两级SQUID放大方案有两种：

第一种方案为：两个SQUID简单级联，如图4所示，其中，SQUID1和SQUID2都具有如图5所示的相同的周期非线性传输特性，因此两个SQUID级联后的磁通-电压传输特性曲线如图6所示。该方案产生的问题是传输特性在一个周期内同时存在多个特性不同的工作零点，其中只有一个工作零点具有最佳的磁通-电压传输率。SQUID磁通-电压传输特性曲线是周期重复的，一个周期内只有一个可锁定的工作点，才能保证SQUID传感器性能的一致性。如果在一个周期内有不同的工作零点，且不同零点处磁通-电压传输率不同，那么SQUID传感器锁定后性能将因锁定点不同，造成传感器性能不一致。在实际应用中，由于工作点难以选择，因此无法使传感器达到最佳性能。

第二种方案为：利用第2级SQUID及其放大电路构成的线性磁探测器来实现信号放大，即将第二级SQUID放大电路线性化来解决方案一中的工作点多值问题。由于第二级SQUID构成了磁通锁定环路，其传输特性是线性的，因此合成的磁通-电压传输特性可以避免工作点多值问题。但由于该第二级放大采用的是一个SQUID磁通锁定环路，其输出接入积分器和反馈回路形成完整的传感器电路，形成了双环路结构的负反馈系统，而双环路结构的负反馈系统的稳定性差，第二级SQUID的磁通锁定环路本身容易出现失锁，发生工作点跳变，这将引起整个传感器磁通锁定环路失锁，以至于无法正常工作。因此磁通锁定环路的失锁问题，及两个负反馈环路的运行匹配问题，使得该方案在实际使用中稳定性差，难以实用化。此外，该方案将第二级SQUID采用磁通锁定环路实现传输特性线性化，其带宽有限，难以实施磁通调制方式进行1/f噪声抑制，因此构建的磁传感器低频噪声性能无法得到改善。

在低温环境下使用SQUID进行二次放大抑制常温放大器的噪声技术，是充分发挥SQUID低噪声特性，提高SQUID磁传感器性能的重要手段，由于面临上述技术问题，严重限制了该传感器的应用。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器，用于解决现有双级SQUID放大技术中工作点多值性，工作稳定性差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双级超导量子干涉器放大装置，所述双级超导量子干涉器放大装置包括：调制模块，将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通；第一级超导量子干涉器，与所述调制模块耦合相连，用于探测外部磁通信号获得被测磁通，同时利用耦合的所述调制磁通将所述被测磁通的电压输出调制成被调制电压信号；所述被调制电压信号的幅度同所述第一超导量子干涉器对被测磁通的响应电压相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步；整形转换模块，与所述第一超导量子干涉器相连，将所述被调制电压信号进行转换整形，输出调整磁通信号；自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块，包括一与所述整形转换模块耦合相连的第二级超导量子干涉器，响应所述调整磁通信号，输出对应放大的调整电压信号；解调模块，与所述具有回滞特性自复位的磁通探测器和调制模块分别相连，利用所述方波调制信号对所述调整电压信号进行解调，输出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。

可选地，所述调制模块进一步包括：方波发生器，生成所述固定频率的方波调制信号；幅度调节单元，与所述方波发生器相连，将所述方波调制信号转换成调制电流；调制单元，与所述幅度调节单元相连，将所述调制电流转换成调制磁通。

可选地，所述整形转换模块进一步包括：第一转换单元，与所述第一超导量子干涉器相连，将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号；整形单元，与所述第一转换单元相连，对所述被调制电流信号进行整形，使所述被调制电流信号的上升和下降跳变边沿变缓，消除毛刺；第二转换单元，与所述整形单元相连，将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。

可选地，所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块是采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路来实现自复位回滞的传输特性的。

本发明还提供一种双级超导量子干涉器放大方法，所述双级超导量子干涉器放大方法包括：将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通；利用一第一级超导量子干涉器探测外部磁通信号获得被测磁通，同时耦合所述调制磁通，并将所述被测磁通的电压输出调制成被调制电压信号；所述被调制电压信号的幅度同所述第一超导量子干涉器对被测磁通的响应电压相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步；将所述被调制电压信号进行转换整形，输出调整磁通信号；利用一自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换 模块响应所述调整磁通信号，输出对应放大的调整电压信号；利用所述方波调制信号对所述调整电压信号进行解调，输出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。

可选地，所述双级超导量子干涉器放大方法进一步包括：利用一方波发生器生成所述固定频率的方波调制信号；利用一幅度调节单元将所述方波调制信号转换成调制电流；利用一调制单元将所述调制电流转换成调制磁通。

可选地，所述双级超导量子干涉器放大方法进一步包括：利用一第一转换单元将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号；利用一整形单元对所述被调制电流信号进行整形，使所述被调制电流信号的上升和下降跳变边沿变缓，消除毛刺；利用一第二转换单元将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。

可选地，所述双级超导量子干涉器放大方法进一步包括：采用电压欠反馈SQUID电路实现所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块；或采用电流欠反馈SQUID电路实现所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块。

本发明还提供一种SQUID磁传感器，所述SQUID磁传感器包括：权利要求1至4任意一项所述的双级超导量子干涉器放大装置，积分器，反馈电阻，和反馈电感；所述反馈电阻与所述积分器和所述反馈电感分别相连；所述双级超导量子干涉器放大装置的输入端与所述反馈电感耦合相连，所述双级超导量子干涉器放大装置的输出端与所述积分器相连。

如上所述，本发明所述的双级超导量子干涉器放大装置、方法及SQUID磁传感器，具有以下有益效果：

本发明不但解决了双级SQUID放大技术中工作点多值性以及工作稳定性的问题，还解决了1/f噪声抑制的技术问题，实现了SQUID高性能磁传感器重要的技术突破。

附图说明

图1为典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线示意图。

图2为基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器的典型结构示意图。

图3为SQUID磁传感器在工作点处的传输特性示意图。

图4为简单的双级SQUID磁通-电压转换模块的结构示意图。

图5为单个SQUID的周期非线性传输特性曲线示意图。

图6为两个SQUID级联后的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图7为采用基于SQUID磁通锁定环路作为第二级放大的双级SQUID磁通-电压转换模块的结构示意图。

图8a为本发明实施例所述的双级超导量子干涉器放大装置的实现结构框图。

图8b为本发明实施例所述的双级超导量子干涉器放大装置的一种电路实现结构示意图。

图8c为本发明实施例所述的整形转换模块输出的被调制电流信号的波形示意图。

图9a为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的一种实现结构示意图。

图9b为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的信号检测过程示意图。

图9c为SQUID磁探测器的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图9d为回滞自复位的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图10a为本发明实施例所述的双级超导量子干涉器放大装置的另一种电路实现结构示意图。

图10b为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的另一种实现结构示意图。

图10c为SQUID磁探测器的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图10d为回滞自复位的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图11为本发明实施例所述的方波调制信号的波形示意图。

图12为本发明实施例所述的方波调制信号的调制原理示意图。

图13为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的磁通-电压传输特性示意图。

图14为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块对于幅度小于一个磁通量子的磁通信号的响应示意图。

图15a为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块对于幅度大于一个磁通量子以上的正向变化的磁通信号的响应示意图。

图15b本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块对于幅度大于一个磁通量子以上的反向变化的磁通信号的响应示意图。

图15c本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块对于幅度大于一个磁通量子以上的正反双向变化的磁通信号的响应示意图。

图16为本发明实施例所述的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块针对交流磁通信号的探测特性示意图。

图17为本发明实施例所述的双级超导量子干涉器放大装置的磁通-电压传输特性示意图。

图18为本发明实施例所述的SQUID磁传感器的实现结构示意图。

图19为本发明实施例所述的双级超导量子干涉器放大方法的一种实现流程示意图。

元件标号说明

800 双级超导量子干涉器放大装置

810 调制模块

811 方波发生器

812 幅度调节单元

813 调制单元

820 第一级超导量子干涉器

830 整形转换模块

831 第一转换单元

832 整形单元

833 第二转换单元

840 自复位且传输特性回滞的第二

SQUID磁通-电压转换模块

841 第二级超导量子干涉器

850 解调模块

851 相位调节单元

852 乘法器

S1～S5 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

SQUID是极低噪声的磁敏感元件，由于磁通-电压传输率不足，与常温下工作的半导体低噪声放大器不匹配，使得SQUID磁传感器噪声性能被前置放大器噪声所主导，未能充分发挥SQUID低噪声性能。为了发挥SQUID低噪声性能，需要引入两种技术：1、两级SQUID低噪声放大技术，提升磁通-电压传输率。其遇到的困难是两个SQUID级联放大，传输特性出现周期内工作点多值问题，难以控制传感器工作在最佳工作点上。2、磁通调制信号检测放大技术，抑制前置放大器的低频1/f噪声。其遇到的困难是用磁通锁定环路将第2级SQUID放大器传输特性线性化，存在工作稳定性问题，同时也难以实施磁通调制1/f噪声抑制技术。因此，低噪声SQUID磁传感器面临实用化的技术难题。本发明实现了两级SQUID放大和磁通调制技术，解决了工作点多值和工作稳定问题，同时抑制了前置放大器的白噪声和1/f噪声，使得SQUID性能得到充分发挥，实现了实用化的高性能SQUID磁传感器，是SQUID磁传感器关键的技术突破。本发明通过技术改进，解决了双级SQUID放大的问题，推进了基于双级放大的SQUID磁传感器的实用化。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例提供一种双级超导量子干涉器放大装置，如图8a所示，所述双级超导量子干涉器放大装置800包括：调制模块810，第一级超导量子干涉器820，整形转换模块830，自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块840，解调模块850。

所述调制模块810将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通。其一种具体实现方式为：生成一固定频率的方波调制信号，将所述方波调制信号转换成调制电流，将所述调制电流转换成调制磁通。所述方波调制信号的频率可根据实际电路响应能力而定，如可选择1k～1MHz。所述方波调制信号的占空比也可根据实际情况选择，效果最优的是占空比为50％的方波信号，当然占空比为49％、48％、47％等的方波信号也可以实现本发明所要达到的目的，只是效果会稍微差些而已。因此，本发明的保护范围不限于所述方波调制信号的占空比。以下本实施例以占空比为50％的方波调制信号为例对本发明的具体实现方案做进一步描述。

进一步，如图8b所示，所述调制模块810的一种具体实现结构包括：方波发生器811，幅度调节单元812，调制单元813。所述方波发生器811生成一占空比为50％的固定频率的方波调制信号。所述幅度调节单元812与所述方波发生器811相连，将所述方波调制信号转换成调制电流。所述调制单元813与所述幅度调节单元812相连，将所述调制电流转换成调制磁通。

所述第一级超导量子干涉器820与所述调制模块810耦合相连，用于探测外部磁通信号 获得被测磁通，同时利用耦合的所述调制磁通将所述被测磁通的电压输出调制成固定频率的被调制电压信号；所述被调制电压信号的幅度同所述第一超导量子干涉器对被测磁通的响应电压相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步。方波调制磁通(即所述调制磁通)和被测磁通同时输入第一SQUID(即第一级超导量子干涉器820)，基于第一SQUID的磁通-电压传输特性，输出被调制后的电压信号(即被调制电压信号)。该被调制电压信号的频率和相位与调制磁通同步，幅度同第一SQUID对被测磁通的响应电压相关。

所述整形转换模块830与所述第一超导量子干涉器820相连，将所述被调制电压信号进行转换整形，输出调整磁通信号。其一种具体实现方式为：将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号，并对所述被调制电流信号进行整形，使所述被调制电流信号的上升和下降跳变边沿变缓，消除毛刺，参见图8c所示；再将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。被调制电压信号送入整形转换模块。所谓转换，即通过一个并联的电阻和电感的回路，将第一SQUID输出的电压信号转换成回路电流(即被调制电流信号)。所谓整形，即将回路电流通过由电阻和电感构成的网络进行滤波，将回路电流(也是被调制后的方波电流信号)的上升和下降跳变边沿变缓，消除毛刺，以利于第二SQUID电路(即自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块840)响应。回路电流通过串接在回路中的电感，将电流转换成磁通输出，输出磁通的放大强度由该转换电感与第二SQUID的耦合互感M₁₂来决定，一般要求放大10倍以上；这样，第一SQUID电路(即第一级超导量子干涉器820与整形转换模块830构成的电路)本质上完成是：检测被测磁通，并在调制磁通作用下，输出整形、放大后的被调制磁通信号(即所述调整磁通信号)。第一SQUID电路的磁通输出耦合到第二SQUID电路中，实现了磁通-电压转换。

进一步，如图8b所示，所述整形转换模块830的一种具体实现结构包括：第一转换单元831，整形单元832，第二转换单元833。所述第一转换单元831与所述第一超导量子干涉器820相连，将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号。所示整形单元832与所述第一转换单元831串联，对所述被调制电流信号进行整形，消除所述被调制电流信号中的毛刺，使所述被调制电流信号的上升沿变缓。所述第二转换单元833与所述整形单元832串联，将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。图8b给出的是以电路方式实现的整形转换模块830的一种电路结构，其中第一转换单元831为电阻，整形单元832为线圈，第二转换单元833也为线圈。所述整形转换模块830还可以以数字电路、或软件等其它现有技术方式实现，因此本发明的保护范围不限于所述整形转换模块830的具体实现结构。

所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块840，包括与所述整形转换 模块耦合相连的第二级超导量子干涉器841，响应所述调整磁通信号，输出对应放大的调整电压信号。所述第二SQUID磁通-电压转换模块840保证了所述第二级超导量子干涉器的工作点的稳定性。

进一步，所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块可以采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路来实现自复位回滞的传输特性，也可以采用其他现有技术方案来实现自复位回滞的传输特性。

如图9a所示，采用电压欠反馈SQUID电路实现的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的电路结构是：给SQD2加载电流I_b2，使得SQD2具有了磁通-电压传输特性，SQD2输出电压V_s接入比例放大器U1，比例放大器U1是低噪声的增益为G₀的给定放大倍数的放大器。放大器U1的输出端连接反馈电阻R_f和反馈电感L_f，构成反馈磁通回路。可调直流电压V_dc驱动电阻R_dc产生可调的直流电流注入电感L_f，产生直流调节磁通，调节SQUID 2磁通探测器的SQUID直流磁通大小，使得探测器SQUID 2以其传输特性的中心来检测第一级SQUID电路(包括第一级超导量子干涉器820和整形转换模块830)输出的交流调制磁通信号(即调整磁通信号)，检测过程参见图9b所示。

电压欠反馈回路实现回滞特性的自复位SQUID磁探测器的工作原理是：放大器U1将SQD1输出的电压放大后驱动反馈磁通回路(包括反馈电阻R_f和反馈电感L_f)，产生反馈磁通抵消输入磁通，由于放大器U1是有限增益的，因此产生的抵消磁通只能抵消部分输入磁通，当外部输入磁通达到一个磁通量子时，这种欠补偿反馈达到临界状态而失衡，平衡点跃变到下一个工作点，重新建立欠反馈平衡。

电压欠反馈回路通过设定电路的参数：包括比例放大器增益G₀，反馈电阻R_f及M_f，当满足以下临界条件时，可实现图9d所示的回滞自复位的磁通-电压传输特性曲线。临界条件如下：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}+V_{\mathrm{pp}}\·G_0\·\frac{M_f}{R_f}=2{\mathrm{\Φ}}_0$

其中，如图9c所示，V_pp为SQD2磁通-电压传输特性中SQUID所能响应输出的电压的最大值，即峰-峰值；Φ_pp为SQD2磁通电压传输特性曲线中电压从最小峰值到最大峰值所对应输入的磁通量。因此，上述电路参数满足此方程，即可实现如图9d所示的传输特性。

如图10a所示，采用电流欠反馈SQUID电路实现的自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的电路结构是：SQUID器件SQD2与反馈电感L_f的耦合互感为M_f，当 SQD2有电流流过时，该电流也流过电感L_f，产生反馈磁通，通过互感耦合到SQD2所在的SQUID磁通锁定环路中，形成电流欠反馈。SQD2接入运算放大器U1的负输入端，电阻R_f跨接在运算放大器U1的负输入端和输出端之间，将流经SQD2的电流I_s放大成电压信号，即放大器输出电压V_O＝I_s×R_f。运算放大器U1的正输入端接可调直流电源V_b，调节可调直流电源V_b产生偏置电压。运算放大器U1工作时，其正输入端的电压与负输入端的电压相等，因此SQD2工作在恒压偏置下，偏置电压大小由V_b调节。调节合适的偏置电压V_b的电压值，SQUID器件SQD2具有了在恒压偏置下的磁通-电流传输特性，因此SQD2感应磁通信号，产生电流I_s，流经SQD2的电流通过电阻R_f放大转换成电压。流经SQD2的电流流入电感L_f产生反馈磁通，构成基于电流的磁通欠反馈回路，与上述基于电压欠反馈形成回滞磁通-电压传输特性类似，当SQD2的磁通-电流传输特性、串联电感同SQD2互感匹配达到临界条件时，就可构成传输特性回滞自复位的磁通-电压传输特性。电流欠反馈SQUID电路涉及的关键参数是电感L_f与SQUID2的互感M_f，当满足以下临界条件时，可实现图10d所示的回滞自复位的磁通-电压传输特性曲线。临界条件如下：

Φ_pp+I_pp·M_f＝2Φ₀

其中，如图10c所示，I_pp为SQD2在电压偏置下的磁通-电流特性曲线中SQUID所能响应输出的电流的峰-峰值；Φ_pp为SQD2磁通-电流传输特性曲线中电流从最小峰值到最大峰值所对应输入的磁通量。因此，上述电路参数满足此方程，即可实现如图10d所示的传输特性。

图10a中可调直流电压V_dc和直流电阻R_dc的作用与图9a所示方案相同，产生可调的直流电流流经电感L_f，产生直流调节磁通，调节SQUID 2磁探测器的SQUID直流磁通，使得探测器SQUID 2以其传输特性的中心来检测第一级SQUID电路(包括第一级超导量子干涉器820和整形转换模块830)输出的交流调制磁通信号(即调整磁通信号)。

第二SQUID磁通-电压转换模块实现的传输特性特点是：1)自复位，即输入达到正或负一个磁通量子时，工作点自动跳变到相邻工作点上，传输特性自动跳变到相邻工作点对应的传输特性。因此每个工作点对应传输特性覆盖的测量范围是±Φ₀。2)回滞，由于每个工作点对应传输特性的覆盖范围是±Φ₀，而工作点周期分布，即相邻一个磁通量子对应一个工作点，因此对应的该传输特性是周期分布的，因此两条传输特性由重叠覆盖的检测区。因而对于不同方向变化的输入磁通(图中突出显示标出)，其响应将对应不同的传输特性，就是这个特性，使得对幅度大于Φ₀的被调制信号的检测就不会出现为零或反相的问题。

这样，经过两个模块的级联，即级联的第一SQUID电路和第二SQUID电路，实现了传输特性放大的磁通-电压转换，也就是说级联的第一SQUID电路和第二SQUID电路构成了传输特性放大的磁通-电压转换模块。

所述解调模块850与所述具有回滞特性自复位的磁通探测器840和调制模块810分别相连，利用所述方波调制信号对所述调整电压信号进行解调，输出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。所述解调模块850将两级SQUID对输入的被测磁通的响应电压解调输出。

进一步，如图8b所示，所述解调模块850的一种具体实现结构包括：相位调节单元851，乘法器852。所述相位调节单元851包括相位调节电阻和相位调节电容；相位调节电阻的一端与所述调制模块相连，所述相位调节电容的一端与所述相位调节电阻的另一端相连，所述相位调节电容的另一端接地。所述乘法器852与所述相位调节电阻的另一端和所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的输出端分别相连，恢复出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。图8b给出的是以电路方式实现的解调模块850的一种电路结构，其中相位调节单元851为电阻和电容组成的电路。所述解调模块850还可以以数字电路、或软件等其它现有技术方式实现，因此本发明的保护范围不限于所述解调模块850的具体实现结构。

具体地，所述方波调制信号通过幅度调节单元R_mod产生调制电流I_mod。调制电流I_mod输入调制单元L_mod中，产生调制磁通Φ_mod。调制磁通Φ_mod耦合到信号探测器SQUID 1(简写为SQD1，即第一级超导量子干涉器820)中，用以调制SQUID 1感应被测磁通Φ_in的电压输出V_out，将被测磁通Φ_in的电压输出V_out调制成设定频率的被调制电压信号。所述被调制电压信号的幅度与所述第一超导量子干涉器响应被测磁通的电压值相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步。调节可调电阻R_mod的大小，可调节流入电感L_mod的电流，实现调制磁通Φ_mod的幅度的调节。调节调制磁通Φ_mod的幅度，使得SQUID 1感应被测磁通输出电压信号的调制幅度达到最大。

加入到SQUID 1的调制磁通Φ_mod是方波信号，方波占空比为50％，即一个周期内，一半时间给SQUID 1加载0状态的磁通，另一半时间给SQUID 1加载1状态的磁通，两个状态下，SQUID 1对应两个相位的磁通-电压传输特性曲线，使得SQUID 1用两个不同的状态下的磁通-电压传输特性切换工作，如图11所示。在图11所示的磁通信号调制作用下，SQUID 1响应外磁通(即被测磁通Φ_in)的电压输出就调制成了方波状态，即被调制电压信号。被调制电 压信号的幅度为SQUID 1响应输入磁通(即被测磁通Φ_in)的电压值，被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步。调制原理如图12所示，在方波调制磁通Φ_mod的作用下，SQUID 1在两个不同相位的磁通-电压传输特性曲线下切换工作，将感应被测磁场的电压输出调制成方波信号。经SQUID 1调制后的被调制电压信号送入整形转换模块830。

整形转换模块830通过电阻R_s(即第一转换单元831)将SQUID 1输出的被调制电压信号转化成被调制电流信号，并通过电感L₁(即整形单元832)对被调制电流信号进行整形，消除方波调制后的信号(即被调制电流信号)中的毛刺，并将被调制电流信号的上升沿变缓，以配合第二级SQUID放大电路(即自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块)做出响应。整形转换模块830将经过整形的被调制电流信号通过电感L₂(即第二转换单元833)转换成调整磁通信号，使所述调整磁通信号耦合到第二级SQUID放大电路中。电感L₂与SQUID 2(简称为SQD2)耦合的互感是M2。电阻R_s用于将SQUID 1感应的电压转换成电流。为了确保SQUID 1的工作点，SQUID 1的取值必须与SQUID 1的动态电阻R_s相匹配，SQUID 1产生的电压信号驱动该电阻R_s将电压转化成电流。电感L₂将流过的电流转换成磁通耦合到后端的磁探测器SQUID 2中。L₁与L₂总和的电感与电阻R_s串联构成了电流的低通滤波器，即高频的电流信号将会得到抑制，实现SQUID探测方波信号的滤波和正弦，避免高频毛刺，同时使得转换输出的信号能与后续的SQUID磁探测器带宽相匹配。

本发明解决了常规双级SQUID放大模块面临的技术问题，成功将双级SQUID放大和调制解调技术实现了结合，解决了工作点多值问题和磁-电转换稳定性问题，实现了低噪声放大，提高了模块的磁通-电压传输率，达到了与前置放大器噪声的匹配，抑制了前置放大器的1/f噪声，充分发挥了SQUID低噪声的特性。利用本发明实现的磁通-电压转换模块构建SQUID磁传感器在白噪声和1/f噪声方面都具有更好的性能。

本发明采用SQUID构建具有回滞特性自复位的磁通探测器(即自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块)，用于检测由前级电路产生的整形后的调整磁通信号，将调整磁通信号转换成放大的调整电压信号。自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的磁通-电压传输特性如图13所示。自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块对磁通信号的响应特性分析如下：

1)对于幅度小于一个磁通量子的磁通信号的响应，如图14所示，自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块利用其在正负一个磁通量子范围内的连续的传输特性对磁通信号进行同频同相放大。

2)对于幅度大于一个磁通量子以上的磁通信号的响应，如图15a至图15c所示，自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块响应输出信号出现了非线性，但是其响应输出的调整电压信号的幅度不为零，且与输入的调整磁通信号同频同相。因此当输入的调整磁通信号的幅度大于1个磁通量子以上时，自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块的输出不会出现输出为零或者反相放大的情况。所述第二SQUID磁通-电压转换模块的传输特性是周期分布(间隔一个磁通量子)的，且每个周期的传输特性对应的最大输入范围为2个磁通量子；输入超过两个磁通量子，就跳变到相邻的传输特性上进行响应。正是这种特性(即幅度正方向或负方向超过一个磁通量子，传输特性就跳变)，产生了回滞特性，对于调制信号的响应就有特殊效应，图15a至图15c所示。

因此，本发明采用自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块(简称探测器)检测第一级SQUID电路(包括第一级超导量子干涉器820和整形转换模块830)输出的被调制的交流磁通(即调整磁通信号)，并将调整磁通信号转化并放大成同频同相的交流电压信号(即调整电压信号)。其特点是：当输入被调制的交流磁通(即调整磁通信号)的幅度小于一个磁通量子时，自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块利用其在正负一个磁通量子范围内的连续的传输特性进行同频同相放大；对于幅度大于一个磁通量子的交流磁通，探测器会对响应交流磁通获得的交流调制信号(即交流电压信号或调整电压信号)的上升沿和下降沿通过不同的传输特性曲线进行非线性放大，因此能输出与输入交流磁通同频同相的电压信号，虽然对交流调制信号的幅度放大出现了非线性，但不会出现过零或反相，因此避免了传统SQUID磁探测器传输特性的工作零点多值问题。

所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块针对交流磁通信号的探测特性可以用图16所示的传输特性来描述。传输特性曲线的横轴是输入的交流磁通幅度，纵轴是放大输出信号的幅度。通过该传输特性图，可以反映出该自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块对交流磁通放大的特性。

总之，自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块具有如下特点：

1、该探测器自动复位，不存在工作稳定性问题。

2、具有传输特性回滞的特点，能根据输入被调制的交流磁通信号采用不同的传输特性进行电压转换，不会出现对大于一个磁通量子的交流磁通信号响应输出为零或相位反相的问题。该特性解决了SQUID级联放大中最难处理的工作零点多值问题。

3、该自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块并不要求具有线性的磁通-电压传输特性，只要具有放大能力，使得SQUID工作点附近的磁通-电压传输率得到提高即 可。

因为当所述双级超导量子干涉器放大装置最终应用在SQUID磁传感器中时，SQUID磁传感器在锁定后是稳定在第一级超导量子干涉器的工作零点上的。在第一级超导量子干涉器工作零点附近，会输出很小的调制磁通信号供第二SQUID磁通检测器(即自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块)放大，因此采用所述双级超导量子干涉器放大装置的SQUID磁传感器在锁定工作时，体现的是其对幅度小于一个磁通量子交流磁通信号的探测能力。对于调制幅度大于一个磁通量子的信号，虽然是非线性放大，只要避免出现过零和反相问题，就不影响应用。因为只有在SQUID磁传感器启动进入锁定工作过程中，由于SQUID磁传感器负反馈环路还未使第一SQUID稳定到工作点，在工作点调整到稳定的过程中，会出现大于一个磁通量子的交流磁通信号，只要第二SQUID磁探测器出现增益为零和反相情况，就不会使SQUID磁传感器负反馈环路锁定。因此迫使反馈环路锁定到唯一的第一SQUID的工作零点上。一旦稳定到工作点上，该SQUID磁传感器就工作在小幅度交流磁通信号放大模式，只对工作点附近的小幅度交流磁通信号进行放大。

本发明所述的双级超导量子干涉器放大装置输入被检测外部磁通信号(简称被测磁通)，经过调制、放大、检测、解调过程，最后输出放大后的电压响应。输入被测磁通与解调输出电压之间形成如图17所示的磁通-电压传输特性。从图17可知，本发明所述的双级超导量子干涉器放大装置实现的磁通电压传输特性为：以一个磁通量子为周期，在单个周期内只有唯一的具有最大磁通-电压传输率的工作点，如图中W_a或W_b所示，W_a或W_b的选择取决于磁通反馈回路的极性，满足负反馈要求即可。

本发明所述的双级超导量子干涉器放大装置具有如下特点：

1、传输特性保持与第一级超导量子干涉器传输特性相同的周期性，且周期内只有单一的工作零点。

2、工作零点处的磁通-电压传输率得到了放大，实现了低噪声放大SQUID检测信号的目的，达到了与前置放大器噪声匹配的要求。

3、由于后级的SQUID检测放大器(即自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块)不存在失锁问题，因此整体双级超导量子干涉器放大装置的传输特性稳定可靠。

4、基于磁通调制和解调过程，有效抑制了传统的前置放大器的1/f噪声，获得了更好的低频噪声性能。

本实施例还提供一种SQUID磁传感器，如图18所示，包括双级超导量子干涉器放大装置800，积分器、反馈电阻、和反馈电感。所述双级超导量子干涉器放大装置的输入端与所 述反馈电感耦合相连，所述双级超导量子干涉器放大装置的输出端与所述积分器相连。反馈电阻与所述积分器相连，反馈电感与所述反馈电阻串联。所述双级超导量子干涉器放大装置800的具体结构及工作原理参见前文所述，在此不再重复。

本发明还提供一种双级超导量子干涉器放大方法，该方法可以由本发明所述的双级超导量子干涉器放大装置实现，但本发明所述双级超导量子干涉器放大方法的实现结构包括但不限于本实施例列举的双级超导量子干涉器放大装置。

如图19所示，所述双级超导量子干涉器放大方法包括：

S1，将一固定频率的方波调制信号转换成调制磁通。所述方波调制信号的频率可根据实际电路响应能力而定，如可选择1k～1MHz。所述方波调制信号的占空比也可根据实际情况选择，效果最优的是占空比为50％的方波信号，当然占空比为49％、48％、47％等的方波信号也可以实现本发明所要达到的目的，只是效果会稍微差些而已。因此，本发明的保护范围不限于所述方波调制信号的占空比。

进一步，所述步骤S1的一种具体实现过程包括：利用一方波发生器生成所述固定频率的方波调制信号；利用一与所述方波发生器相连的幅度调节单元将所述方波调制信号转换成调制电流；利用一与所述幅度调节单元相连的调制单元将所述调制电流转换成调制磁通。本发明的保护范围不限于步骤S1的具体实现器件的结构以及所述方波调制信号的占空比大小。

S2，利用一第一级超导量子干涉器探测外部磁通信号获得被测磁通，同时耦合所述调制磁通，并将所述被测磁通的电压输出调制成固定频率的被调制电压信号；所述被调制电压信号的幅度与所述第一超导量子干涉器响应被测磁通的电压值相关；所述被调制电压信号的频率和相位与所述调制磁通同步。

S3，将所述被调制电压信号进行转换整形，形成调整磁通信号。

进一步，所述步骤S3的一种具体实现过程包括：将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号，并对所述被调制电流信号进行整形，使所述被调制电流信号的上升和下降跳变边沿变缓，消除毛刺；再将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。

如：利用一与所述第一超导量子干涉器相连的第一转换单元将所述被调制电压信号转换成被调制电流信号；利用一与所述第一转换单元串联的整形单元对所述被调制电流信号进行整形，消除所述被调制电流信号中的毛刺，使所述被调制电流信号的上升沿变缓；利用一与所述整形单元串联的第二转换单元将整形后的被调制电流信号转换成调整磁通信号。本发明的保护范围不限于步骤S3的具体实现器件的结构。

S4，利用一自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块响应所述调整磁通 信号，输出对应放大的调整电压信号。所述第二SQUID磁通-电压转换模块保证了自身所包含的第二级超导量子干涉器的工作点的稳定性。

进一步，所述步骤S4的一种具体实现过程包括：采用电压欠反馈SQUID电路实现所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块；或采用电流欠反馈SQUID电路实现所述自复位且传输特性回滞的第二SQUID磁通-电压转换模块。本发明的保护范围不限于步骤S4的具体实现器件的结构。

S5，利用所述方波调制信号对所述调整电压信号进行解调，输出与所述被测磁通对应的双级放大的检测电压信号。

本发明所述的双级超导量子干涉器放大方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是本领域技术人员利用现有技术对本发明所述方案的变形都包括在本发明的保护范围内。

本发明实现了周期内只有一个最佳工作点，解决了双级SQUID放大技术中工作点多值问题，保证了SQUID磁传感器在任何状态下的锁定特性是一致的。第二级SQUID放大器不存在失锁问题，SQUID磁传感器锁定后可稳定工作，保证了信号放大工作点的稳定性。在磁通调制下采用两级SQUID放大，不仅抑制了前置放大器的白噪声，更重要的是抑制了前置放大器的1/f噪声，进一步降低了SQUID磁传感器的低频噪声。低频噪声的性能是SQUID磁传感器最大的性能优势，发挥出低频低噪声性能对SQUID磁传感器的应用具有重要价值。因此，本发明不但解决了双级SQUID放大技术中工作点多值性以及工作稳定性的问题，还解决了1/f噪声抑制的技术问题，实现了SQUID高性能磁传感器重要的技术突破。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。