本发明涉及一种磁传感器技术领域，特别是涉及一种平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器。
背景技术：
基于超导量子干涉器件(superconductingquantuminterferencedevice，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应用领域，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器件必须工作在使其进入超导状态的低温环境下。目前squid器件的超导环境主要通过液氦或液氮来维持，如图1所示，将squid器件2放入储存液氦或液氮11的低温恒温器1(又名杜瓦)中，并浸泡在低温液体中。高温超导材料制成的高温squid器件通常工作在液氮提供的低温环境下(温度为77k)，低温超导材料制成的低温squid器件通常工作在液氦提供的低温环境下(温度为4.2k)。超导量子干涉磁传感器由工作在低温环境下的超导量子干涉芯片和室温下工作的读出电路3构成，与squid器件2配套的读出电路3工作在室温环境下，因此squid器2与读出电路3之间通过连接低温器件和室温电路的引线4实现连接。
引线承当低噪声信号传输功能，要求导电性良好的铜线或低阻低温线。由于引线两端温差巨大(4.2k到300k)，因此导热效应非常明显，对低温液氦的损耗很大。因此随着通道数的增加，引线数量增加，热损耗变得很大。对低温系统的维持带来了调制，也限制了多通道系统的发展，多通道数的squid应用系统要求低温电路与室温电路之间的引线尽可能少(引线是热的良导体，引线越少越好)，因此减少低温和室温电路的连线是设计上的关键。
典型的squid磁传感器的构成如图2所示，包括squid芯片及squid传感器电路，其中，squid芯片包括一个squid器件2和反馈线圈5，共4个端子；squid传感器电路包括基于磁通锁定环路的squid读出电路3；需要4根引线4连接低温环境下的squid芯片与室温下工作的squid传感器电路。在一个系统中，往往包括几百个squid磁传感器，而连接与低温环境与室温环境下的引线的数量是squid磁传感器的4倍，数量比较多。如图3所示，对于带加热器6的squid磁传感器，还需要增加2根引线4，加热器6的一端通过1根引线连接室温电路中的加热电源7、另一端通过1根引线连接室温电路中的参考地，这样引线的数量将进一步增加。
同时，引线电阻受到温度的影响而变化。传统电路中，引线一头连着低温器件一头连着高温器件，会产生温度电势，对squid信号产生影响。同时电阻也会随着温度变化，由于运行过程中低温维持液体(液氦、液氮)液面会因为消耗发生变化，因此引线上的电阻也会发生变化，引线电阻上的电压也会波动。引线电阻在回路中产生作用，会引起输出直流电压漂移，影响传感器的输出准确性。同时，引线电阻变化产生的压差会影响squid工作点，工作点偏移较大会引起传感器失锁不工作。
随着squid传感器在多通道心磁、脑磁等高端弱磁探测系统中应用需求的增加，squid传感器在低温运行方面和传感器性能方面都要进行技术提升，否则无法满足多通道系统的要求。因此，如何减小引线的数量，同时减少引线对信号的影响已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
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平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器，用于解决现有技术中随着通道数的增加连接低温和室温器件的引线数量增加，热损耗变大，对低温系统的维持带来了调制，也限制了多通道系统发展的问题；以及引线电阻受温度影响变化，引起输出电压漂移、影响工作点稳定等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器，所述平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器至少包括：
第一squid磁通检测电路、第二squid磁通检测电路、正偏置源、负偏置源、第一放大反馈电路及第二放大反馈电路；
所述第一squid磁通检测电路及所述第二squid磁通检测电路用于检测磁场；
所述正偏置源及所述负偏置源以差分形式分别连接所述第一squid磁通检测电路及所述第二squid磁通检测电路，所述正偏置源为所述第一squid磁通检测电路提供偏置，所述负偏置源为所述第二squid磁通检测电路提供偏置；
所述第一放大反馈电路连接所述第一squid磁通检测电路，接收所述第一squid磁通检测电路输出的磁通检测电压及工作点参考电压，将所述第一squid磁通检测电路的输出信号放大后反馈至所述第一squid磁通检测电路，以稳定所述第一squid磁通检测电路的工作点；
所述第二放大反馈电路连接所述第二squid磁通检测电路，接收所述第二squid磁通检测电路输出的磁通检测电压及工作点参考电压，将所述第二squid磁通检测电路的输出信号放大后反馈至所述第二squid磁通检测电路，以稳定所述第二squid磁通检测电路的工作点；
其中，所述第一squid磁通检测电路与所述第二squid磁通检测电路设置于低温环境中，且连接同一低温地线；所述正偏置源、所述负偏置源、所述第一放大反馈电路及所述第二放大反馈电路设置于室温中，且连接同一室温地线；低温地线与室温地线通过引线连接。
优选地，所述第一squid磁通检测电路包括第一反馈线圈、第一squid器件及第一参考电阻；所述第一反馈线圈的一端接收所述第一放大反馈电路输出的第一反馈电流、另一端连接低温地线，用于将所述第一反馈电流转化为磁通信号并耦合到所述第一squid器件；所述第一squid器件的一端接收所述正偏置源提供的第一正偏置信号、另一端连接低温地线，用于检测磁场并输出第一磁通检测电压；所述第一参考电阻的一端接收所述正偏置源提供的第二正偏置信号、另一端连接低温地线，用于产生第一工作点参考电压。
优选地，所述第二squid磁通检测电路包括第二反馈线圈、第二squid器件及第二参考电阻；所述第二反馈线圈的一端接收所述第二放大反馈电路输出的反馈电流、另一端连接低温地线，用于产生第二反馈电流；所述第二squid器件的一端接收所述负偏置源提供的第一负偏置信号、另一端连接低温地线，用于检测磁场并输出第二磁通检测电压；所述第二参考电阻的一端接收所述负偏置源提供的第二负偏置信号、另一端连接低温地线，用于产生第二工作点参考电压。
优选地，所述正偏置源包括第一偏置电流源及第二偏置电流源；所述第一偏置电流源的正极输出第一正偏置信号、负极连接室温地线；所述第二偏置电流源的正极输出第二正偏置信号、负极连接室温地线。
优选地，所述负偏置源包括第三偏置电流源及第四偏置电流源；所述第三偏置电流源的负极输出第三负偏置信号、正极连接室温地线；所述第四偏置电流源的负极输出第四负偏置信号、正极连接室温地线。
优选地，所述第一放大反馈电路包括第一开环运算放大器及第一反馈电阻；所述第一开环运算放大器分别接收所述第一squid磁通检测电路输出的磁通检测电压及工作点参考电压，放大后输出第二检测信号；所述第一反馈电阻的一端连接所述第一开环运算放大器的输出端，另一端连接所述第一squid磁通检测电路，为所述第一squid磁通检测电路提供第一反馈电流。
优选地，所述第二放大反馈电路包括第二开环运算放大器及第二反馈电阻；所述第二开环运算放大器分别接收所述第二squid磁通检测电路输出的磁通检测电压及工作点参考电压，放大后输出第一检测信号；所述第二反馈电阻的一端连接所述第二开环运算放大器的输出端，另一端连接所述第二squid磁通检测电路，为所述第二squid磁通检测电路提供第二反馈电流。
优选地，所述低温环境包括液氮或液氦环境。
优选地，连接低温地线与室温地线的引线的电阻设定为1ω～5ω。
优选地，所述平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器还包括设置于低温环境中的第一加热器及第二加热器；所述第一加热器的一端连接室温中的第一加热电源、另一端连接低温地线；所述第二加热器的一端连接室温中的第二加热电源、另一端连接低温地线。
更优选地，多个所述平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器的低温地线与室温地线通过一根引线连接，以进一步减少引线数量。
更优选地，所述平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器的数量设定为5～50。
如上所述，本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器，具有以下有益效果：
1、本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器减少低温器件和室温电路引线使用，降低引线传热效果，节约低温维持液体(液氦、液氮)的使用，降低系统运行成本。
2、本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器消除引线电阻变化产生的漂移，提高传感器的稳定性和测量精度，同时提高电磁兼容抗干扰能力。
附图说明
图1显示为现有技术中的squid器件工作原理示意图。
图2显示为现有技术中的squid传感器的结构示意图。
图3显示为现有技术中的带有加热器的squid传感器的结构示意图。
图4显示为本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器原理示意图。
图5显示为本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器的一种具体实施方式示意图。
图6显示为本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器的另一种具体实施方式示意图。
元件标号说明
1低温恒温器
11液氦或液氮
2squid器件
3读出电路
4引线
5反馈线圈
6加热器
7加热电源
8平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器
81第一squid磁通检测电路
82第二squid磁通检测电路
83正偏置源
84负偏置源
85第一放大反馈电路
851第一开环运算放大器
86第二放大反馈电路
861第二开环运算放大器
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。
请参阅图4～图6。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。
实施例一
如图4所示，本发明提供一种平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器8，所述平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器8包括：
第一squid磁通检测电路81、第二squid磁通检测电路82、正偏置源83、负偏置源84、第一放大反馈电路85及第二放大反馈电路86。
如图4所示，所述第一squid磁通检测电路81用于检测磁场。
具体地，如图5所示，所述第一squid磁通检测电路81包括第一反馈线圈lf1、第一squid器件sqd1及第一参考电阻r1。所述第一反馈线圈lf1的一端接收所述第一放大反馈电路85输出的第一反馈电流、另一端连接低温地线，用于将所述第一反馈电流转化为磁通信号并耦合到所述第一squid器件sqd1中。所述第一squid器件sqd1的一端接收所述正偏置源83提供的第一正偏置信号、另一端连接低温地线；所述第一squid器件sqd1由两个约瑟夫森结串联形成的超导环；所述第一squid器件sqd1检测磁场，并将检测到的磁通信号转换为相应的电压信号，以第一磁通检测电压的形式输出。所述第一参考电阻的一端接收所述正偏置源83提供的第二正偏置信号、另一端连接低温地线，用于产生第一工作点参考电压。
如图4所示，所述第二squid磁通检测电路82用于检测磁场。
具体地，如图5所示，所述第二squid磁通检测电路包括第二反馈线圈lf2、第二squid器件sqd2及第二参考电阻r2。所述第二反馈线圈lf2的一端接收所述第二放大反馈电路86输出的第二反馈电流、另一端连接低温地线，用于将所述第二反馈电流转化为磁通信号并耦合到所述第二squid器件sqd2中。所述第二squid器件sqd2的一端接收所述负偏置源84提供的第一负偏置信号、另一端连接低温地线，用于检测磁场并输出第二磁通检测电压。所述第二参考电阻r2的一端接收所述负偏置源84提供的第二负偏置信号、另一端连接低温地线，用于产生第二工作点参考电压。
需要说明的是，所述第一squid磁通检测电路81与所述第二squid磁通检测电路82共地连接。在本实施例中，所述第一squid磁通检测电路81与所述第二squid磁通检测电路82中对应器件对称设置。
如图4所示，所述正偏置源83连接所述第一squid磁通检测电路81，为所述第一squid磁通检测电路81提供偏置。
具体地，如图5所示，所述正偏置源83包括第一偏置电流源ib1及第二偏置电流源ib2。所述第一偏置电流源ib1的正极输出第一正偏置信号、负极连接室温地线；所述第二偏置电流源ib2的正极输出第二正偏置信号、负极连接室温地线。
如图4所示，所述负偏置源84连接所述第二squid磁通检测电路82，为所述第二squid磁通检测电路82提供偏置。
具体地，如图5所示，所述负偏置源84包括第三偏置电流源ib3及第四偏置电流源ib4；所述第三偏置电流源ib3的负极输出第三负偏置信号、正极连接室温地线；所述第四偏置电流源ib4的负极输出第四负偏置信号、正极连接室温地线。
需要说明的是，所述正偏置源83与所述负偏置源84输出的偏置电压为反相信号，在本实施例中，所述第一正偏置信号与所述第一负偏置信号的极性相反、数值相等；所述第二正偏置信号与所述第二负偏置信号的极性相反、数值相等；且所述第一偏置电流源ib1与所述第二偏置电流源ib2对称设置，所述第三偏置电流源ib3与所述第四偏置电流源ib4对称设置。在实际应用中，所述正偏置源83与所述负偏置源84输出的偏置电压反相即可，数值无需完全相等。
如图4所示，所述第一放大反馈电路85连接所述第一squid磁通检测电路81，接收所述第一磁通检测电压及所述第一工作点参考电压，将所述第一磁通检测电压放大后反馈至所述第一squid磁通检测电路81，以稳定所述第一squid磁通检测电路81的工作点。
具体地，如图5所示，所述第一放大反馈电路85包括第一开环运算放大器851及第一反馈电阻rp；所述第一开环运算放大器851的正相输入端连接所述第一squid器件sqd1的输出端、反相输出端连接所述第一参考电阻r1，所述第一开环运算放大器851将所述第一磁通检测电压放大后输出，得到第一检测信号v1；所述第一反馈电阻rp的一端连接所述第一开环运算放大器851的输出端，另一端连接所述第一反馈线圈lf1，为所述第一squid磁通检测电路81提供第一反馈电流。
如图4所示，所述第二放大反馈电路86连接所述第二squid磁通检测电路82，接收所述第二squid磁通检测电路82输出的第二磁通检测电压及第二工作点参考电压，将所述第二squid磁通检测电路82的输出信号放大后反馈至所述第二squid磁通检测电路82，以稳定所述第二squid磁通检测电路82的工作点。
具体地，如图5所示，所述第二放大反馈电路86包括第二开环运算放大器861及第二反馈电阻rn；所述第二开环运算放大器861的正相输入端连接所述第二squid器件sqd2的输出端、反相输出端连接所述第二参考电阻r2，所述第二开环运算放大器861将所述第二磁通检测电压放大后输出，得到第二检测信号v2；所述第二反馈电阻rn的一端连接所述第二开环运算放大器861的输出端，另一端连接所述第二反馈线圈lf2，为所述第二squid磁通检测电路82提供第二反馈电流。
需要说明的是，所述第一磁通检测电压与所述第二磁通检测电压极性相反，所述第一工作点参考电压与所述第二工作点参考电压极性相反。
如图4及图5所示，所述第一squid磁通检测电路81及所述第二squid磁通检测电路82设置于低温环境中，包括但不限于液氮或液氦中，可根据所述第一squid器件sqd1及所述第二squid器件sqd2的材料选择不同温度的环境，在此不一一赘述。所述正偏置源83、所述负偏置源84、所述第一放大反馈电路85及所述第二放大反馈电路86设置于室温环境中。低温环境中的电路采用一个公共的地线，室温环境中的电路采用一个公共的地线，两个公共的底线用引线相连。
如图4及图5所示，所述第一squid磁通检测电路81、所述第二squid磁通检测电路82、所述正偏置源83、所述负偏置源84、所述第一放大反馈电路85及所述第二放大反馈电路86连接成对称环路。其中，所述第一squid磁通检测电路81、所述正偏置源83及所述第一放大反馈电路85构成一个传感单元；所述第二squid磁通检测电路82、所述负偏置源84及所述第二放大反馈电路86构成一个传感单元；上下两个传感器结构对称，参数相同；且偏置电流的流向正好相反。如果所述第一正偏置信号与所述第一负偏置信号的大小正好相同，所述第二正偏置信号与所述第二负偏置信号的大小正好相同，那么，流过地线的电流则为零；当所述第一正偏置信号与所述第一负偏置信号的大小不相同，或所述第二正偏置信号与所述第二负偏置信号的大小不相同时，才有差流通过地线回流到室温电路中；正常情况下，相邻两个squid器件感受到的磁场输入是相同的，因此差流很小，在地线上产生的线电压是很小的，对传感器输出不会产生影响。所述第一磁通检测电压与所述第二磁通检测电压相位相反，所述第一工作点参考电压与所述第二工作点参考电压相位相反，分别送入相应的放大反馈电路中，则产生相位相反的第一反馈电流及第二反馈电流。如果两个squid器件感应的磁通相同，反馈电流的大小也相同，则流入地线的电流也为零。因此，采用正负对称驱动的电路结构，同时驱动两个squid磁通检测电路，地线不需要负载大的电流，因此地线的影响相应也减少。由于，连接室温和低温的地线的引线几乎没有电流流过，因此，本发明对地线的阻抗要求就很低，按最大可能失衡的电流(100ma)估算，电阻可取1ω～5ω，在实际使用中，可根据具体情况设定引线的电阻，不以本实施例为限。
本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器8正常工作时，电路对称运行，电流在对称环路中流动，通过地线的电流为对称电路的差流。在对称电路参数的一致性保证的情况下，地线负载电流很小，不会对传感器输出造影响。
本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器8采用对称结构，squid信号和参考电压是差分方式送入放大反馈电路的，差分模式，抗共模信号能力强，可有效抑制地线产生的电压波动。
实施例二
如图6所示，本实施例提供一种平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器，与实施例一的不同之处在于，本实施例中所述第一squid磁通检测电路81中还包括第一加热器rh1，所述第二squid磁通检测电路82中还包括第二加热器rh2，所述正偏置源83中还包括第一加热电源ih1，所述负偏置源84中还包括第二加热电源ih2，在实际应用中，所述第一加热电源ih1及所述第二加热电源ih2可单独设置于室温电路中，不以本实施例为限。
具体地，所述第一加热器rh1设置于所述第一squid磁通检测电路81内，在本实施例中，所述第一加热器rh1采用电阻实现，在实际应用中，所述第一加热器rh1可采用任意可实现加热功能的器件实现，在此不一一赘述。所述第一加热器rh1的一端通过引线连接室温中的第一加热电源ih1、另一端连接低温地线。
具体地，所述第二加热器rh2设置于所述第二squid磁通检测电路82内，在本实施例中，所述第二加热器rh2采用电阻实现，在实际应用中，所述第二加热器rh2可采用任意可实现加热功能的器件实现，在此不一一赘述。所述第二加热器rh2的一端通过引线连接室温中的第二加热电源ih2、另一端连接低温地线。
所述第一加热器rh1与所述第二加热器rh2对称设置，用于分别为所述第一squid磁通检测电路81及所述第二squid磁通检测电路82提供热量。
实施例三
本实施例将实施例二中的多个平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器应用到系统中，两个传感单元为一组接入正负对称的读出电路中，低温器件端接共同的低温地线，室温电路端接共同的电路地，低温下的共同地和室温电路的地通过少量低阻线连接即可，以此，大大减少引线的使用。
具体地，如图3所示，假设一个300个squid芯片的系统，传统的接线方式：squid器件2需要两根引线，反馈线圈5需要两根引线，加热器6需要两根根引线，共6根，总计1800根引线。如图6所示，本发明的接线方式：squid器件一根引线，反馈线圈一根引线，参考电阻一根引线，加热器一根引线，每个传感单元需要四根引线，计1200根，再加室温地线和低温地线的连接引线，假设5个本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器(对应于传统方案中的10个squid芯片)共用一根地线，这样只需要30根，共计1230根。显然，引线数量大大减少，在更多个本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器共用一根地线的情况下，引线数量进一步减少，相较于传统方案可节约近1/3的引线，对于低温隔热需求而言，1/3数量的引线是显著的改进。为了确保引线的稳定性，在本实施例中，将室温地线和低温地线通过同一根引线连接的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器的数量设定为5～50，在实际使用中，可根据需要设定共用同一根引线的传感器数量，在此不一一赘述。
本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器可减少引线的使用，在大规模使用超导量子干涉磁传感器的系统中，可大大减小引线数量。
同时，本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器采用差分方式，可有效消除环境中电磁耦合的共模干扰；并抑制引线电阻漂移，解决零飘问题，提供更稳定和高精度的测量。
综上所述，本发明提供一种平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器，包括检测磁场的第一squid磁通检测电路及第二squid磁通检测电路；为第一squid磁通检测电路及第二squid磁通检测电路提供偏置的正偏置源及负偏置源；放大信号并提供反馈电流的第一放大反馈电路及第二放大反馈电路；其中，所述第一squid磁通检测电路与所述第二squid磁通检测电路设置于低温环境中，且连接同一低温地线；所述正偏置源、所述负偏置源、所述第一放大反馈电路及所述第二放大反馈电路设置于室温中，且连接同一室温地线；低温地线与室温地线通过引线连接。本发明的平衡接线多通道超导量子干涉磁传感器减少低温器件和室温电路引线使用，降低引线传热效果，节约低温维持液体(液氦、液氮)的使用，降低系统运行成本；消除引线电阻变化产生的漂移，提高传感器的稳定性和测量精度，同时提高电磁兼容抗干扰能力。所以，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。