高速大量程的超导量子干涉器磁传感器及探测方法
【专利摘要】本发明提供一种高速大量程的超导量子干涉器磁传感器及探测方法，包括产生环路输出电压的磁通锁定电路；检测环路输出电压的电压检测电路；根据环路输出电压调节偏置电压的可控偏置电压电路；以及对磁通量子的计数的计数器电路。基于磁通锁定电路输出与被测磁通成比例的环路输出电压；根据环路输出电压的状态偏置电压，使磁通锁定电路归零后重新锁定工作点；对偏置电压的跳变状态进行计数，实现对磁通量子的计数；最终合成环路输出电压及计数值实现大量程的探测。本发明只改变偏置电压值，不破坏原有传感器的传输特性；偏置电压值根据环路的响应特性灵活调整，电路输出归零的速度达到最快；归零控制由状态切换电路完成，消除误计数。
【专利说明】
高速大量程的超导量子干溃器磁传感器及探测方法
技术领域
[0001] 本发明设及微弱磁场检测领域，特别是设及一种高速大量程的超导量子干设器磁 传感器及探测方法。
【背景技术】
[0002] 采用超导量子干设器件（Superconducting 如antum Inte;rference Device, W下 简称S卵ID)的传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器。广泛应用于屯、磁、脑磁、极低场核磁 共振等极微弱磁信号探测和科学研究中。由于其采用微电子工艺，在多通道、高分辨率、集 成化高端应用系统中具有不可替代的作用。
[0003] S卵ID器件是由两个超导约瑟夫森结并联构成的超导环，将结的两端引出形成一 个两端子的无源器件。当给SQUID注入一定的偏置电流后，S卵ID两端电压将随着其感应的 磁通呈周期变化，周期正好为一个磁通量子O〇( O0 = 2.07 X 10-15韦伯），如图1所示。S卵ID 磁传感器是基于磁通锁定环路(Flux-Locked Loop,简称化L)来实现磁场电压的线性转换， 如图2所示。化L电路选用SQUI邮兹通电压传输特性曲线中磁通电压转换斜率最大的点作为 工作点，如图1中标记为w0、wl、w2等为工作点，运些工作点周期分布，因此工作点之间间隔 一个磁通量子巫0。
[0004] 上述化L电路在不同工作点下工作的输入磁通与输出电压的传输特性曲线如图3 所示，每一个工作点下对应一条传输特性曲线，每条曲线之间正好相差一个磁通量子的磁 通和对应的电压。在某个固定工作点下的FLL电路，由于其输出电压限制(通常为±10V)，因 此可测量的磁通范围是有限的（如图3中阴影部分）。而SQUID实际能感应的磁通远大于该测 量范围。
[0005] 为了S卵ID器件性能，扩大SQUI邮兹传感器性能，目前采用工作点切换，配合磁通量 子计数的方法实现大量程的测量。即，当在某个工作点下，测量磁通正好达到N个(60，其中， N为± 1，± 2…的整数。将化L电路输出置零，并重新开始锁定，此时的化L电路将切换到与之 前相差N ? 0的工作点上从零开始锁定输出。通过上述切换，记录工作点跳跃的对应? 0的变 化量及在化L电路正常锁定的输出，即可得知当前被测磁通的大小。
[0006] 通过上述方法，将SQUID磁传感器的磁通测量范围扩大到了 S卵ID所能感应的磁通 范围，因此测量能力大大提升。实现了大量程的S卵I邮兹传感器。
[0007] 但是，采用上述工作点切换方法实现的大量程SQUID磁传感器在实际应用中存在 W下几个问题：
[000引1、采用复位归零后再重新锁定的切换过程，在归零和重新锁时刻，存在过冲和振 荡现象，如图4及图5所示，图5为图4虚线框内的局部放大图。
[0009] 尤其是在磁通锁定环化L中使用积分器的电路中，在复位时，要将积分器电容中的 电荷快速放电归零，因而产生很大的电流，对复位开关和运算放电器造成很大的冲击，易造 成电路损坏。如果控制放电电流，则放电时间延长，切换速度不够快。
[0010] 2、传感器工作点切换速度不够快，传统复位电路的复位曲线是指数下降函数，因 此复位越到后期时间越长，W至于出现漏计数或误计数的情况。
【发明内容】
[0011] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高速大量程的超导量 子干设器磁传感器及探测方法，用于解决现有技术中SQUI邮兹传感器的磁通测量范围增大 后存在的过冲、振荡W及误计数等问题。
[0012] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速大量程的超导量子干设器 磁传感器，所述高速大量程的超导量子干设器磁传感器至少包括：
[0013] 磁通锁定电路、电压检测电路、可控偏置电压电路及计数器电路；
[0014] 所述磁通锁定电路对被测磁通进行检测，并输出与所述被测磁通成比例的环路输 出电压;所述磁通锁定电路包括SQUID超导环、连接于所述SQUID超导环输出端的运算放大 器、依次连接于所述运算放大器输出端的反馈电阻及反馈线圈；
[0015] 所述电压检测电路连接于所述磁通锁定电路的输出端，对所述环路输出电压的数 值进行检测；
[0016] 所述可控偏置电压电路连接于所述电压检测电路，根据所述环路输出电压调节偏 置电压，使所述磁通锁定电路归零后重新锁定工作点；
[0017] 所述计数器电路连接于所述可控偏置电压电路，根据所述可控偏置电压电路的跳 变状态进行加减计数，实现对磁通量子的计数。
[0018] 优选地，所述电压检测电路分别将所述环路输出电压与第一参考电压、第二参考 电压及参考零电压进行比较;其中，第一参考电压为输入磁通为第一数量n个磁通量子时对 应的电压，第二参考电压为所述第一参考电压的负数，所述第一数量n为自然数。
[0019] 更优选地，所述电压检测电路包括四个比较器，第一比较器的正相输入端连接所 述第一参考电压、反相输入端连接所述环路输出电压，第二比较器的正相输入端连接所述 环路输出电压、反相输入端接地，第=比较器的正相输入端连接所述环路输出电压、反相输 入端连接所述第二参考电压，第四比较器的正相输入端接地、反相输入端连接所述环路输 出电压。
[0020] 更优选地，所述可控偏置电压电路包括状态触发模块及分压网络模块;其中，所述 状态触发模块连接所述电压检测电路的输出端，当所述环路输出电压大于所述第一参考电 压时跳变至第一工作状态，当所述环路输出电压小于所述第二参考电压时跳变至第二工作 状态，当所述环路输出电压归零后跳变至第=工作状态;所述分压网络模块连接所述状态 触发模块，受所述状态触发模块的控制，在所述第一工作状态时输出第一偏置电压，在所述 第二工作状态时输出第二偏置电压，在所述第=工作状态时输出第=偏置电压，所述第一 偏置电压的值大于所述SQUID超导环的最大输出电压，所述第二偏置电压的值小于所述 SQUID超导环的最小输出电压，所述第S偏置电压为所述SQUID超导环工作点处的偏置电 压。
[0021] 更优选地，所述状态触发模块包括第一触发器及第二触发器，所述第一触发器的 置位端连接所述第一比较器的输出端，复位端连接所述第二比较器的输出端;所述第二触 发器的置位端连接所述第=比较器的输出端，复位端连接所述第四比较器的输出端。
[0022] 更优选地，所述分压网络模块包括连接所述运算放大器输入端的第一~四电阻， 所述第一电阻的另一端通过第一开关连接第一偏置电压，所述第二电阻的另一端通过第二 开关连接第二偏置电压，所述第=电阻的另一端连接第=偏置电压，所述第四电阻的另一 端接地。
[0023] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种高速大量程的超导量子干设 器探测方法，所述高速大量程的超导量子干设器探测方法至少包括：
[0024] 基于一磁通锁定电路对被测磁通进行检测，并输出与所述被测磁通成比例的环路 输出电压；
[0025] 对所述环路输出电压进行检测，根据所述环路输出电压的状态调整所述磁通锁定 电路的偏置电压，使所述磁通锁定电路归零后重新锁定工作点；
[0026] 对所述偏置电压的跳变状态进行计数，实现对磁通量子的计数；
[0027] 最终通过合成所述环路输出电压及计数值实现大量程的探测。
[0028] 优选地，通过将所述环路输出电压与第一参考电压、第二参考电压及参考零电压 进行比较来确定所述偏置电压的输出值，其中，所述第一参考电压为输入磁通为第一数量n 个磁通量子时对应的电压，所述第二参考电压为所述第一参考电压的负数，所述第一数量n 为自然数。
[0029] 更优选地，当所述环路输出电压大于所述第一参考电压时，跳变至第一工作状态， 则所述偏置电压大于所述SQUID超导环的最大输出电压，所述环路输出电压逐渐下降归零； 当所述环路输出电压小于所述第二参考电压时，跳变至第二工作状态，则所述偏置电压小 于所述S卵ID超导环的最小输出电压，所述环路输出电压逐渐上升归零；当所述环路输出电 压归零后，跳变至第S工作状态，则所述偏置电压为S卵ID超导环工作点处的偏置电压。
[0030] 更优选地，当所述环路输出电压大于所述第一参考电压时进行加计数，当所述环 路输出电压小于所述第二参考电压时进行减计数。
[0031] 如上所述，本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法，具有W 下有益效果：
[0032] 1、本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法只改变偏置电压 值，不改变原有传感器电路的反馈参数，不会破坏原有传感器电路的传输特性。
[0033] 2、本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法中偏置电压值可 根据环路的响应特性进行灵活调整，其归零过程是线性函数型的，归零时间短，通过参数调 节，可使得电路输出归零的速度达到最快，而传统的复位电路存受充放电时间参数限制，其 性质是指数衰减函数型的，输出到零时间长，因此切换过程时间长，同时由于放电冲击，容 易出现过冲和振荡。
[0034] 3、本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法的归零控制由状 态切换电路完成，状态控制确保电路触发工作点发生跳变到跳变完成，实时跟踪锁定磁通 锁定环路的状态，实现磁通锁定环路完整的复位及退出流程，确保不会出现误计数。
【附图说明】
[0035] 图1显示为现有技术中的S卵I邮兹通-电压传输特性曲线示意图。
[0036] 图2显示为现有技术中的磁通锁定环路示意图。
[0037] 图3显示为现有技术中的磁通锁定环路的磁通-电压传输特性曲线示意图。
[0038] 图4显示为现有技术中采用复位归零后再重新锁定的切换过程中过冲和振荡现象 的示意图。
[0039] 图5显示为现有技术中过冲和振荡现象的局部放大示意图。
[0040] 图6显示为本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器的原理示意图。
[0041] 图7显示为本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器的结构示意图。
[0042] 图8显示为本发明的状态机原理示意图。
[0043] 元件标号说明
[0044] 1 高速大量程的超导量子干设器磁传感器
[0045] 11 磁通锁定电路
[0046] 111 运算放大器
[0047] 12 电压检测电路
[004引13 可控偏置电压电路
[0049] 131 状态触发模块
[00加]132 分压网络模块
[0051] 14 计数器电路
[0化2] Sl~S4 步骤
【具体实施方式】
[0053] W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 所掲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W通过另外不同的具体实 施方式加W实施或应用，本说明书中的各项细节也可W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。
[0054] 请参阅图6~图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅W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。
[0055] 如图6~图7所示，本发明提供一种高速大量程的超导量子干设器磁传感器1，所述 高速大量程的超导量子干设器磁传感器1至少包括：
[0056] 磁通锁定电路11、电压检测电路12、可控偏置电压电路13及计数器电路14。
[0057] 如图6~图7所示，所述磁通锁定电路11对被测磁通〇6进行检测，并输出与所述被 测磁通O e成比例的环路输出电压Vf。
[005引具体地，所述磁通锁定电路11包括SQUID超导环SQl、运算放大器111、反馈电阻Rf 及反馈线圈L1。所述SQUID超导环SQl及所述反馈线圈Ll构成四端子SQUID器件。所述SQUID 超导环SQl的一端接地、另一端连接所述运算放大器111的第一输入端，如图7所示，在本实 施例中，所述SQUID超导环SQl连接所述运算放大器111的正相输入端。所述运算放大器111 的第二输入端连接所述可控偏置电压电路13,如图7所示，在本实施例中，所述可控偏置电 压电路13连接所述运算放大器111的反相输入端。所述反馈电阻Rf的一端连接所述运算放 大器111的输出端、另一端连接所述反馈线圈L1。所述反馈线圈Ll的另一端接地。如图7所 示，在本实施例中，所述SQUID超导环SQl的输出端还连接一SQUID偏置电路，包括一端接地 的偏置电压Vbi，其另一端通过偏置电阻Rbi连接至所述SQUID超导环SQl的输出端，与所述 S卵ID超导环SQl构成偏置回路，向所述S卵ID超导环SQl提供偏置电流Ib,使得所述SQUID超 导环SQl表现最佳的磁通-电压转换特性。
[0059] 如图6~图7所示，所述电压检测电路12连接于所述磁通锁定电路11的输出端，对 所述环路输出电压Vf的数值进行检测。
[0060] 具体地，所述电压检测电路12分别将所述环路输出电压Vf与第一参考电压Vref、第 二参考电压-Vref及参考零电压进行比较。其中，第一参考电压Vref为输入磁通为第一数量n 个磁通量子时对应的电压，即
n为一设定的自然数，O0为一个磁通量子，Rf 为所述反馈电阻Rf的阻值，Mf为所述反馈线圈Ll与所述SQUID超导环SQl的互感;第二参考电 压-Vref为所述第一参考电压Vref的负数。在本实施例中，采用型号LM311，正负两个电压输 入，输出为Tll电平兼容的逻辑信号，当正端电压大于负端电压时，比较器输出为高电平;反 之当比较器正端电压小于负端输入电压时，比较器输出为低电平。如图7所示，所述电压检 测电路12包括四个比较器，第一比较器ICl的正相输入端连接所述第一参考电压Vref、反相 输入端连接所述环路输出电压Vf,第二比较器IC2的正相输入端连接所述环路输出电压Vf、 反相输入端接地，第=比较器IC3的正相输入端连接所述环路输出电压Vf、反相输入端连接 所述第二参考电压-Vref,第四比较器IC4的正相输入端接地、反相输入端连接所述环路输出 电压Vf。所述第一比较器ICl实现所述环路输出电压Vf与所述第一参考电压Vref的比较，当所 述环路输出电压Vf电压大于所述第一参考电压Vref时，所述第一比较器ICl输出低电平，反 之输出高电平。所述第二比较器IC2实现所述环路输出电压Vf与参考零电压的比较，当所述 环路输出电压Vf电压小于0时，所述第二比较器IC2输出低电平，反之输出高电平。所述第= 比较器IC3实现所述环路输出电压Vf与所述第二参考电压-Vref的比较，当所述环路输出电 压Vf小于所述第二参考电压-Vref时，所述第S比较器IC3输出低电平，反之输出高电平。所 述第四比较器IC4实现所述环路输出电压Vf与参考零电压的比较，当所述环路输出电压Vf电 压大于加寸，所述第四比较器IC4输出低电平，反之输出高电平。
[0061] 如图6~图7所示，所述可控偏置电压电路13连接于所述电压检测电路12,根据所 述环路输出电压Vf调节偏置电压，使所述磁通锁定电路11归零后重新锁定工作点。
[0062] 具体地，如图7所示，所述可控偏置电压电路13包括状态触发模块131及分压网络 模块132。
[0063] 更具体地，如图7所示，所述状态触发模块131连接所述电压检测电路12的输出端， 包括第一触发器IC5-1及第二触发器IC5-2,所述第一触发器IC5-1的置位端连接所述第一 比较器ICl的输出端，复位端连接所述第二比较器IC2的输出端;所述第二触发器IC5-2的置 位端连接所述第=比较器IC3的输出端，复位端连接所述第四比较器IC4的输出端;所述第 一触发器IC5-1及所述第二触发器IC5-2的时钟端化K和数据输入端D均接地。在本实施例 中，所述第一触发器IC5-1及所述第二触发器IC5-2为D型触发器711S74,任意可实现本发明 的状态跳变的触发器或电路结构均适用于本发明，不W本实施例为限。D型触发器711S74的 真值表如下：
[0064]
[0065] 当置位端为低电平时，输出端Q被置位为I;当复位端为低电平时，输出端 Q被清为0，；当置位端远^和复位端瓦^均为高电平时，输出端Q保持前一状态不变。由此构 成状态机：
[0066] 1)当所述环路输出电压Vf大于所述第一参考电压化ef时，所述第一触发器IC5-1 的输出将被置位1。
[0067] 2)当所述环路输出电压Vf小于加寸，所述第一触发器IC5-1的输出将被清0。
[0068] 3)当所述环路输出电压Vf小于所述第二参考电压-化ef时，所述第二触发器IC5-2 的输出将被置位1。
[0069] 4)当所述环路输出电压Vf大于加寸，所述第二触发器IC5-2的输出将被清0。
[0070] 所述第一触发器IC5-1及所述第二触发器IC5-2的输出组合表征状态机的状态： [0071 ]第一工作状态Sl:对应两个触发器组合输出为10;第二工作状态S2:对应两个触发 器组合输出为01;第=工作状态SO:对应两个触发器组合输出00。即，当所述环路输出电压 Vf大于所述第一参考电压Vref时跳变至第一工作状态SI,当所述环路输出电压Vf小于所述第 二参考电压-Vref时跳变至第二工作状态S2,当所述环路输出电压Vf归零后跳变至第S工作 状态so。
[0072] 更具体地，所述分压网络模块132连接所述状态触发模块131，在所述第一工作状 态Sl时，所述分压网络模块132输出第一偏置电压VI，所述第一偏置电压Vl的值大于所述 S卵ID超导环SQl的最大输出电压，可根据实际情况做具体设定;在所述第二工作状态S2时， 所述分压网络模块132输出第二偏置电压V2,所述第二偏置电压V2的值小于所述SQUID超导 环SQl的最小输出电压;在所述第=工作状态SO时，所述分压网络模块132输出第=偏置电 压V0,所述第=偏置电压VO为所述SQUID超导环SQl工作点处的偏置电压。所述状态触发模 块131对所述分压网络模块132中的开关进行控制，W实现不同工作状态下不同偏置电压的 输出，任意可实现工作状态下输出相应偏置电压的电路均适用于本发明，不W本实施例为 限。如图7所示，在本实施例中，包括连接所述运算放大器111反相输入端的第一~四电阻， 所述第一电阻Roi的另一端通过第一开关SWl连接第一偏置电压Vos,所述第二电阻R02的另一 端通过第二开关SW2连接第二偏置电压-Vos,所述第S电阻R03的另一端连接第S偏置电压 Voo,所述第四电阻R04的另一端接地。偏置电压来自所述第四电阻R04上的电压，所述第四电 阻R04的阻值与所述S卵ID超导环SQl在工作点处的直流电阻相当，选取1~10欧姆。第一~S 电阻Roi、R02、R03的取值大于所述第四电阻R04。加载在所述第四电阻Ro止电压来自立路：
[0073] 所述第=偏置电压Voo驱动所述第=电阻R03产生电流流入所述第四电阻R04,产生 偏置电压记为VO:
[0074] 当所述第一触发器IC5-1的输出为高电平I时，该输出控制所述第一开关SWl闭合， 导通所述第一偏置电压Vos,所述第一偏置电压Vos驱动所述第一电阻Roi产生电流流入所述 第四电阻R04,和所述第S偏置电压Voo在所述第四电阻R04上产生的电压综合记为VI:
[0075]
[0076] 同理，当所述第二触发器IC5-2的输出为高电平1时，该输出控制所述第二开关SW2 闭合，导通所述第二偏置电压-Vos,所述第二偏置电压-Vos驱动所述第二电阻R02产生电流流 入所述第四电阻R04,和所述第S偏置电压Voo在所述第四电阻R04上产生的电压综合记为 V2：
[0077]
(R〇i、R〇2取值是相同的，运样产生的正负偏压幅度相 同）
[0078] 因此根据所述环路输出电压Vf形成状态机，依据状态机的状态可实现不同偏置电 压值输出。
[0079] 当所述环路输出电压Vf输出为正，并达到所述第一参考电压Vref时，所述第一比较 器ICl触发所述第一触发器IC5-1的置位端，所述第一触发器IC5-1的输出为1，所述第一开 关SWl闭合，所述可控偏置电压电路13输入到所述运算放大器111反相输入端的电压为第一 偏置电压VI，所述环路输出电压Vf开始反相归零。在输出归零过程中，当所述环路输出电压 Vf小于0时，所述第一触发器IC5-1的复位端被所述第二比较器IC2触发，所述第一触发器 I巧-1的输出为0,所述第一开关SWl断开，所述可控偏置电压电路13恢复输出第S偏置电压 V0,所述磁通锁定电路11重新锁定工作，完成一次工作点切换。
[0080] 同理，当所述环路输出电压Vf输出为负，并达到所述第二参考电压-Vref时，所述第 =比较器IC3触发所述第二触发器IC5-2的置位端，所述第二触发器IC5-2的输出为1，所述 第二开关SW2闭合，所述可控偏置电压电路13输入到所述运算放大器111反相输入端的电压 为第二偏置电压V2,所述环路输出电压Vf开始反相归零。在输出归零过程中，当所述环路输 出电压Vf大于加寸，所述第二触发器IC5-2的复位端被所述第四比较器IC4触发，所述第二触 发器IC5-2的输出为0,所述第二开关SW2断开，所述可控偏置电压电路13恢复输出第=偏置 电压V0,所述磁通锁定电路11重新锁定工作，完成一次工作点切换。
[0081] 如图6~图7所示，所述计数器电路14连接于所述可控偏置电压电路13,根据所述 可控偏置电压电路13的跳变状态进行加减计数，实现对磁通量子的计数。
[0082] 具体地，如图7所示，所述第一触发器IC5-1的输出端连接所述计数器电路14的第 一时钟端CLKl，作为所述磁通锁定电路11正向工作点切换的计数脉冲信号；同理，所述第二 触发器IC5-2的输出端连接所述计数器电路14的第二时钟端化K2,作为所述磁通锁定电路 11负向工作点切换的计数脉冲信号。运两个脉冲信号分别输入可加减计数器的加和减的时 钟输入，计数器的计数结果为总的工作点切换对应的磁通量子数。
[0083] 所述计数器电路14的输出值Dnut和所述环路输出电压Vf,可合成最后总的被测磁 场输出，由于磁通计数的范围可W很大，因此本发明实现的磁传感器具有传统磁传感器无 法实现的大量程。
[0084] 如图6~图8所示，本发明还提供一种高速大量程的超导量子干设器探测方法，在 本实施例中基于所述高速大量程的超导量子干设器磁传感器1实现，所述探测方法至少包 括：
[0085] 步骤SI:基于一磁通锁定电路对被测磁通进行检测，并输出与所述被测磁通成比 例的环路输出电压。
[0086] 具体地，如图6~图7所示，所述S卵ID超导环SQl对被测磁通Oe进行检测，并产生 相应的电压信号，S卵ID偏置电路向所述SQUID超导环SQl提供偏置电流Ib,使得所述SQUID 超导环SQl表现最佳的磁通-电压转换特性。所述SQUID超导环SQl和所述偏置电路13的输出 信号送入所述运算放大器111，所述运算放大器111将电压差进行开环放大输出所述环路输 出电压Vf。所述环路输出电压Vf驱动所述反馈电阻Rf产生反馈电流，通过所述反馈线圈与 所述SQUID超导环SQl的互感Mf将反馈电流转换成磁通禪合到所述SQUID超导环SQl中，形成 完整的环路，通过工作点的锁定使所述环路输出电压Vf与所述被测磁通〇6成比例。
[0087] 步骤S2:对所述环路输出电压进行检测，根据所述环路输出电压的状态调整所述 磁通锁定电路的偏置电压，使所述磁通锁定电路归零后重新锁定工作点。
[0088] 具体地，通过所述环路输出电压Vf与第一参考电压Vref、第二参考电压-Vref及参考 零电压进行比较来确定所述偏置电压的输出值，其中，所述第一参考电压为输入磁通为第 一数量n个磁通量子时对应的电压，即，
n为一设定的自然数，O0为一个磁通 量子，Rf为所述反馈电阻Rf的阻值，Mf为所述反馈线圈Ll与所述SQUID超导环SQl的互感;所 述第二参考电压-Vref为所述第一参考电压Vref的负数。如图8所示，通过所述环路输出电压 Vf的值控制状态机，再由状态机控制偏置电压。所述状态机的运行和状态切换是根据所述 环路输出电压Vf的输出值来确定，即：
[0089] 1)正常情况下，所述可控偏置电压电路13工作在第=工作状态S0,其偏置电压输 出为第S偏置电压V0,所述环路输出电压Vf的范围在所述第二参考电压-Vref和所述第一参 考电压Vref之间，即-VreKVKVref。所述第S偏置电压VO的值与所述SQUID超导环SQl工作点 处的电压化相同。
[0090] 2)所述可控偏置电压电路13工作在第=工作状态SO下，当所述环路输出电压Vf大 于所述第一参考电压Vref时，所述可控偏置电压电路13由第=工作状态SO进入到第一工作 状态SI,其偏置电压输出为第一偏置电压VI。所述第一偏置电压Vl大于所述SQUID超导环 SQl的最大输出电压。所述运算放大器111的输入因偏置电压高于所述S卵ID超导环SQl的输 出电压而发生反相变化，所述环路输出电压Vf下降到零。
[0091] 3)所述可控偏置电压电路13工作在第一工作状态Sl下，当所述环路输出电压Vf下 降小于零时，所述可控偏置电压电路13切换到所述第=工作状态S0,偏置电压恢复输出为 VOo
[0092] 4)所述可控偏置电压电路13工作在第=工作状态SO下，当所述环路输出电压Vf小 于所述第二参考电压-Vref时，所述可控偏置电压电路13由第=工作状态SO切换到第二工作 状态S2,其偏置电压输出为第二偏置电压V2。所述第二偏置电压V2小于所述SQUID超导环 SQl的最小输出电压。因此，所述运算放大器111的输入因偏置电压低于所述SQUID超导环 SQl的输出电压而发生反相变化，所述环路输出电压Vf上升到零。
[0093] 5)所述可控偏置电压电路13工作在第二工作状态S2下，当所述环路输出电压Vf回 升到零时，所述可控偏置电压电路13切换到所述第=工作状态S0,偏置电压恢复输出为V0。
[0094] 如图6~图8所示，在本实施例中，通过所述电压检测电路12确定环路输出电压Vf 的电压状态，控制状态机的运行，在第=工作状态SO下，所述可控偏置电压电路13的输出电 压VO正好为所述SQUID超导环SQl的工作点电压，所述磁通锁定电路11保持正常锁定运行， 在第一工作状态Sl下，所述可控偏置电压电路13的输出电压Vl将驱动所述运算放大器111 使所述环路输出电压Vf由正电压快速归零。在第二工作状态S2下，所述可控偏置电压电路 13的输出电压V2将驱动所述运算放大器111使所述环路输出电压Vf由负电压快速归零。 [00M] 当所述环路输出电压Vf达到所述第一参考电压Vref或所述第二参考电压-Vref时， 就受可控偏置电压电路13的输出电压驱动，使得所述运算放大器111的输出快速归零，电压 归零后，电路就在新的工作点上恢复正常锁定输出。因此本发明能准确快速得进行工作点 切换。
[0096] 步骤S3:对所述偏置电压的跳变状态进行计数，实现对磁通量子的计数。
[0097] 具体地，所述可控偏置电压电路13状态切换时同时输出计数脉冲，驱动所述计数 器电路14进行计数，当所述环路输出电压Vf大于所述第一参考电压Vref时通过触发电路产 生脉冲，进行加计数，当所述环路输出电压Vf小于所述第二参考电压-Vref时通过相应触发 电路产生脉冲，进行减计数，加减计数操作后得到的总得计数值就是工作点切换总的偏移 数，通过工作点切换偏移数可W得出对应变化的磁通量子数，即工作点变化产生的磁通偏 移量。
[0098] 步骤S4:最终，工作点变化的磁通偏移量和磁通锁定环路的实时输出进行综合，就 得到实际的外部输入磁通的大小。通过合成所述环路输出电压及计数值实现大量程的探 测。
[0099] 具体地，记录下工作点切换的磁通量子计数，并结合所述磁通锁定电路11正常锁 定的环路输出电压Vf,就可W记录被测磁场超大变化范围的信号，不受制于传统固定工作 点的S卵I邮兹通锁定环有限量程的测量方式，实现超大量程的S卵I邮兹传感器。
[0100] 如上所述，本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法，具有W 下有益效果：
[0101] 1、本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法只改变偏置电压 值，不改变原有传感器电路的反馈参数，不会破坏原有传感器电路的传输特性。
[0102] 2、本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法中偏置电压值可 根据环路的响应特性进行灵活调整，其归零过程是线性函数型的，归零时间短，通过参数调 节，可使得电路输出归零的速度达到最快，而传统的复位电路存受充放电时间参数限制，其 性质是指数衰减函数型的，输出到零时间长，因此切换过程时间长，同时由于放电冲击，容 易出现过冲和振荡。
[0103] 3、本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法的归零控制由状 态切换电路完成，状态控制确保电路触发工作点发生跳变到跳变完成，实时跟踪锁定磁通 锁定环路的状态，实现磁通锁定环路完整的复位及退出流程，确保不会出现误计数。
[0104] 综上所述，本发明提供一种高速大量程的超导量子干设器磁传感器，包括:对被测 磁通进行检测，并输出环路输出电压的磁通锁定电路;对所述环路输出电压的数值进行检 测的电压检测电路;根据所述环路输出电压调节偏置电压，使所述磁通锁定电路归零后重 新锁定工作点的可控偏置电压电路；W及根据所述可控偏置电压电路的跳变状态进行加减 计数，实现对磁通量子的计数的计数器电路。本发明还提供一种高速大量程的超导量子干 设器探测方法，包括:基于一磁通锁定电路对被测磁通进行检测，并输出与所述被测磁通成 比例的环路输出电压;对所述环路输出电压进行检测，根据所述环路输出电压的状态调整 所述磁通锁定电路的偏置电压，使所述磁通锁定电路归零后重新锁定工作点；对所述偏置 电压的跳变状态进行计数，实现对磁通量子的计数;最终通过合成所述环路输出电压及计 数值实现大量程的探测。本发明的高速大量程的超导量子干设器磁传感器及探测方法只改 变偏置电压值，不改变原有传感器电路的反馈参数，不会破坏原有传感器电路的传输特性； 偏置电压值可根据环路的响应特性进行灵活调整，使得电路输出归零的速度达到最快，而 传统的复位电路存受充放电时间参数限制，切换过程时间长，容易出现过冲和振荡；归零控 制由状态切换电路完成，状态控制确保电路触发工作点发生跳变到跳变完成，消除了误计 数。所W，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。
[0105] 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±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掲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。
【主权项】
1. 一种高速大量程的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述高速大量程的超导 量子干涉器磁传感器至少包括： 磁通锁定电路、电压检测电路、可控偏置电压电路及计数器电路； 所述磁通锁定电路对被测磁通进行检测，并输出与所述被测磁通成比例的环路输出电 压;所述磁通锁定电路包括SQUID超导环、连接于所述SQUID超导环输出端的运算放大器、依 次连接于所述运算放大器输出端的反馈电阻及反馈线圈； 所述电压检测电路连接于所述磁通锁定电路的输出端，对所述环路输出电压的数值进 行检测； 所述可控偏置电压电路连接于所述电压检测电路，根据所述环路输出电压调节偏置电 压，使所述磁通锁定电路归零后重新锁定工作点； 所述计数器电路连接于所述可控偏置电压电路，根据所述可控偏置电压电路的跳变状 态进行加减计数，实现对磁通量子的计数。2. 根据权利要求1所述的高速大量程的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于:所述电 压检测电路分别将所述环路输出电压与第一参考电压、第二参考电压及参考零电压进行比 较;其中，第一参考电压为输入磁通为第一数量η个磁通量子时对应的电压，第二参考电压 为所述第一参考电压的负数，所述第一数量η为自然数。3. 根据权利要求2所述的高速大量程的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于:所述电 压检测电路包括四个比较器，第一比较器的正相输入端连接所述第一参考电压、反相输入 端连接所述环路输出电压，第二比较器的正相输入端连接所述环路输出电压、反相输入端 接地，第三比较器的正相输入端连接所述环路输出电压、反相输入端连接所述第二参考电 压，第四比较器的正相输入端接地、反相输入端连接所述环路输出电压。4. 根据权利要求3所述的高速大量程的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于:所述可 控偏置电压电路包括状态触发模块及分压网络模块;其中，所述状态触发模块连接所述电 压检测电路的输出端，当所述环路输出电压大于所述第一参考电压时跳变至第一工作状 态，当所述环路输出电压小于所述第二参考电压时跳变至第二工作状态，当所述环路输出 电压归零后跳变至第三工作状态;所述分压网络模块连接所述状态触发模块，受所述状态 触发模块的控制，在所述第一工作状态时输出第一偏置电压，在所述第二工作状态时输出 第二偏置电压，在所述第三工作状态时输出第三偏置电压，所述第一偏置电压的值大于所 述SQUID超导环的最大输出电压，所述第二偏置电压的值小于所述SQUID超导环的最小输出 电压，所述第三偏置电压为所述SQUID超导环工作点处的偏置电压。5. 根据权利要求4所述的高速大量程的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于:所述状 态触发模块包括第一触发器及第二触发器，所述第一触发器的置位端连接所述第一比较器 的输出端，复位端连接所述第二比较器的输出端;所述第二触发器的置位端连接所述第三 比较器的输出端，复位端连接所述第四比较器的输出端。6. 根据权利要求4所述的高速大量程的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于:所述分 压网络模块包括连接所述运算放大器输入端的第一~四电阻，所述第一电阻的另一端通过 第一开关连接第一偏置电压，所述第二电阻的另一端通过第二开关连接第二偏置电压，所 述第三电阻的另一端连接第三偏置电压，所述第四电阻的另一端接地。7. -种高速大量程的超导量子干涉器探测方法，其特征在于，所述高速大量程的超导 量子干涉器探测方法至少包括： 基于一磁通锁定电路对被测磁通进行检测，并输出与所述被测磁通成比例的环路输出 电压； 对所述环路输出电压进行检测，根据所述环路输出电压的状态调整所述磁通锁定电路 的偏置电压，使所述磁通锁定电路归零后重新锁定工作点； 对所述偏置电压的跳变状态进行计数，实现对磁通量子的计数； 最终通过合成所述环路输出电压及计数值实现大量程的探测。8. 根据权利要求7所述的高速大量程的超导量子干涉器探测方法，其特征在于:通过将 所述环路输出电压与第一参考电压、第二参考电压及参考零电压进行比较来确定所述偏置 电压的输出值，其中，所述第一参考电压为输入磁通为第一数量η个磁通量子时对应的电 压，所述第二参考电压为所述第一参考电压的负数，所述第一数量η为自然数。9. 根据权利要求8所述的高速大量程的超导量子干涉器探测方法，其特征在于：当所述 环路输出电压大于所述第一参考电压时，跳变至第一工作状态，则所述偏置电压大于所述 SQUID超导环的最大输出电压，所述环路输出电压逐渐下降归零；当所述环路输出电压小于 所述第二参考电压时，跳变至第二工作状态，则所述偏置电压小于所述SQUID超导环的最小 输出电压，所述环路输出电压逐渐上升归零；当所述环路输出电压归零后，跳变至第三工作 状态，则所述偏置电压为SQUID超导环工作点处的偏置电压。10. 根据权利要求8所述的高速大量程的超导量子干涉器探测方法，其特征在于：当所 述环路输出电压大于所述第一参考电压时进行加计数，当所述环路输出电压小于所述第二 参考电压时进行减计数。
【文档编号】G01R33/035GK106019181SQ201610319580
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】王永良, 徐小峰, 荣亮亮, 谢晓明
【申请人】中国科学院上海微系统与信息技术研究所