一种直读式磁通调制读出电路及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种直读式磁通调制读出电路及方 法。
【背景技术】
[0002] 超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)是 一种灵敏度极高的磁敏感器件，可构建超导磁传感器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异 常、极低场核磁共振及地球物理勘探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。
[0003] 实际应用时，SQUID多工作于低频段(小于10Hz)，低频噪声性能是决定应用效果的 重要性能指标。前置放大器的低频噪声和SQUID芯片的临界电流涨落等是SQUID磁传感器低 频噪声的主要噪声来源，严重制约了 SQUID在低频磁测领域的应用(尤其是生物磁探测和地 球物理勘探应用）。针对该问题，目前国际上已经有专利针对SQUID磁传感器的低频噪声抑 制提出了解决方案：
[0004] 现有技术中公开了一种基于磁通调制技术降低磁传感器低频噪声的方法，该方法 通过在传感器中加入较高频率的调制磁通，将被测低频信号调制到高频处(一般100kHz左 右），从而避开前置放大器的低频噪声段，实现低频噪声抑制；同时，该方法也可以对临界电 流涨落引入的同相低频噪声的有效抑制(尤其是对高温SQUID)。为了实现良好的阻抗匹配， 以降低前置放大器噪声，这里在SQUID和前置放大器中间引入了变压器。如图1所示为实现 该方法的磁通调制电路1，包括SQUID器件11、变压器12、前置放大器13、解调器14、积分器 15、调制解调信号发生器16、反馈电阻Rf、反馈线圈Lf以及电阻。SQUID器件11通过电阻与变 压器12的原边相连接，变压器12的副边输出接入到前置放大器13,前置放大器13的输出接 入解调器14中进行解调，解调后的输出接入积分器15积分后通过反馈电阻Rf和反馈线圈Lf 将该磁通反馈回SQUID器件11中，从而保证SQUID磁通工作点不变化，调制磁通的信号由调 制解调信号发生器16产生，经过电阻衰减后同样送入反馈线圈Lf，对SQUID的磁通工作点进 行调制，同时，调制解调信号发生器16也产生同步的解调信号送入解调器14中。变压器12的 引入产生了三个负面影响：（1)SQUID输出电压信号幅度降低(变压器源边负载）；（2)SQUID 输出信号的高频谐波成分被滤除，导致工作点处的CV/0D变小；（3)变压器本身存在热噪 声，因此，磁通调制读出电路的噪声并不比直读式读出电路好(尤其是对于大此的SQUID芯 片），此外，变压器12的引入也导致电路结构更复杂，实用性下降。
【发明内容】
[0005] 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直读式磁通调制读出 电路及方法，用于解决现有技术中变压器的引入带来的热噪声、信号幅度降低、工作点处的 δν/@Φ变小等问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直读式磁通调制读出电路，所 述直读式磁通调制读出电路至少包括：
[0007] SQUID器件，用于检测被测磁通信号并转化为相应的电信号输出；
[0008] 前置放大器，与所述SQUID器件相连，对所述SQUID器件输出的电信号进行放大；
[0009] 高通滤波器，与所述前置放大器相连，用于滤除所述前置放大器输出的直流量和 低频噪声；
[0010] 调制解调信号发生器，用于产生磁通调制信号和磁通解调信号；
[0011] 解调器，与所述高通滤波器及所述调制解调信号发生器相连，根据所述磁通解调 信号对所述高通滤波器的输出信号进行解调；
[0012] 积分器，与所述解调器相连，对所述解调器的输出信号进行积分，并输出与所述被 测磁通信号成比例的响应电压信号；
[0013] 反馈模块，与所述积分器及所述调制解调信号发生器相连，将所述响应电压信号 通过所述磁通调制信号调制后反馈至所述SQUID器件，以此锁定工作点。
[0014] 优选地，所述高通滤波器包括连接于所述前置放大器和所述解调器之间的电容， 以及一端连接于所述电容输出端、另一端接地的电阻。
[0015] 优选地，所述反馈模块包括反馈电阻及反馈线圈；所述反馈电阻的一端连接所述 积分器的输出端，另一端连接所述反馈线圈;所述反馈线圈的另一端接地，所述反馈电阻及 所述反馈线圈之间连接所述磁通调制信号。
[0016] 更优选地，所述磁通调制信号为占空比为50%的方波信号。
[0017] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述直读式磁通调制读出电路 的读出方法，所述直读式磁通调制读出方法至少包括：
[0018] 通过磁通调制信号将SQUID器件的工作点设定在第一工作点及第二工作点之间跳 跃，所述第一工作点及所述第二工作点的变化趋势相反，将检测到的被测磁通信号转化为 相应的电信号，对该电信号放大后进行高通滤波以滤除低频噪声，并隔离直流量，然后经解 调、积分后反馈回所述SQUID器件，形成SQUID磁通锁定环路以此锁定工作点。
[0019]优选地，所述第一工作点与所述第二工作点相差半个周期。
[0020] 如上所述，本发明的直读式磁通调制读出电路及方法，具有以下有益效果：
[0021] 1、SQUID器件与读出电路直接连接实现了磁通调制，噪声抑制更优越;调制频率选 择更宽，有利于信噪比提升;克服了传统磁通调制电路变压器的负载效应，SQUID磁通电压 曲线无衰减。
[0022] 2、在前置放大器输出后引入高通滤波器，保证信号通过的同时，隔离了前置放大 器的输出偏置电压和低频噪声。
[0023] 3、避免了变压器的使用，可选择的磁通调制频率范围更宽，针对低频信号的采集， 可以采用更低的调制频率，避免切换暂态效应对磁通调制的影响;避免变压器存在的热噪 声问题。
[0024] 4、SQUID器件与前置放大器匹配，克服了传统磁通调制电路中SQUID与变压器匹配 存在的带宽限制问题，高次谐波分量无损失，SQUID磁通-电压曲线失真更小。
【附图说明】
[0025]图1显示为现有技术中的磁通调制电路的结构示意图。
[0026]图2显示为本发明的直读式磁通调制读出电路的结构示意图。
[0027]图3显示为典型SQUID磁通-电压传输特性曲线示意图。
[0028]图4显示为本发明的直读式磁通调制读出方法的原理示意图。
[0029] 元件标号说明
[0030] 1 磁通调制电路
[0031] 11 SQUID 器件
[0032] 12 变压器
[0033] 13 前置放大器
[0034] 14 解调器
[0035] 15 积分器
[0036] 16 调制解调信号发生器
[0037] 2 直读式磁通调制读出电路
[0038] 21 SQUID 器件
[0039] 22 前置放大器
[0040] 23 高通滤波器
[0041] 24 调制解调信号发生器
[0042] 25 解调器
[0043] 26 积分器
[0044] 27 反馈模块
【具体实施方式】
[0045]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。
[0046] 请参阅图2~图4。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。
[0047] 如图2所示，本发明提供一种直读式磁通调制读出电路2,所述直读式磁通调制读 出电路2至少包括：
[0048] SQUID器件21、前置放大器22、高通滤波器23、调制解调信号发生器24、解调器25、 积分器26、反馈模块27。
[0049]如图2所示，所述SQUID器件用于检测被测磁通信号并转化为相应的电信号输出。 [0050] 具体地，所述SQUID器件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，SQUID器件两端的电压将具有随其感应磁场发 生变化的特性，典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线如图3所示。所述SQUID器件的一端接 地，另一端连接所述前置放大器22的输入端，将检测到的被测磁通信号转化为相应的电信 号后输出到所述前置放大器22。
[0051] 如图2所示，所述前置放大器22与所述SQUID器件相连，对所述SQUID器件21输出的 电信号进行放大。
[0052]具体地，所述前置放大器22为高输入阻抗，SQUID磁通-电压转换系数不会因负载 效应而降低，同时所述前置放大器22的带宽较宽，不会对SQUID磁通-电压曲线产生高次谐 波失真。
[0053]如图2所示，所述高通滤波器23与所述前置放大器22相连，用于滤除所述前置放大 器22输出的直流量和低频噪声。
[0054]具体地，所述高通滤波器23的具体结构不限，任意能实现高通滤波功能的电路结 构均包括在内。在本实施例中，所述高通滤波器23包括电容C和第一电阻R1，所述电容C连接 于所述前置放大器22的输出端和所述解调器25的输入端之间;所述第一电阻R1的一端连接 于所述电容C和所述