超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法。所述磁傳感器包括：超導量子干涉器件；回滯反饋處理單元，用于將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理，使得超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性；與回滯反饋處理單元相連的磁通鎖定單元，用于將回滯反饋處理單元所輸出的電信號進行積分處理并反饋至超導量子干涉器件，以輸出反饋后的電信號；與回滯反饋處理單元相連的信號識別單元，用于根據(jù)回滯反饋處理單元所輸出的電信號的周期特性來生成并輸出用于識別磁通鎖定單元所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號。本發(fā)明利用回滯技術來改變超導量子干涉器件所輸出的電信號的周期特性，同時，得到具有高精度和線性度的感應電信號。
【專利說明】超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器技術，特別是涉及一種超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法。

【背景技術】
[0002]米用超導量子干涉器件(SuperconductingQuantum Interference Device,以下簡稱SQUID)的傳感器是目前已知的最靈敏、高分辨率的磁傳感器。其最低可探測磁場強度達到飛特(10-15特斯拉)量級。廣泛應用于心磁、腦磁、極低場核磁共振等微弱磁信號探測和科學研究中。
[0003]直流超導量子干涉器件(簡稱dc SQUID)采用兩個并聯(lián)的約瑟夫森結并聯(lián)構成超導環(huán)，將結的兩端引出形成一個兩端子元件，以下所涉及的SQUID都指直流超導量子干涉器件。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范圍，文獻報道其磁通測量范圍可達8X 14個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。即無法通過根據(jù)SQUID電壓輸出大小，獲知實際感應磁通的大小。因此無法將SQUID器件直接用作磁傳感器。
[0005]目前SQUID磁傳感器是通過一種稱為磁通鎖定環(huán)路(flux-locked loop,簡稱FLL)的讀出電路來實現(xiàn)磁通電壓的線性轉換，構建線性磁傳感器。采用FLL的磁傳感器受讀出電路輸出電壓的限制(通常為+-10V)其量程是有限的。同時由于環(huán)路工作時會發(fā)生不可預知的工作零點跳變而失鎖，造成測量中斷，信號輸出不連續(xù)。因此采用FLL的SQUID傳感器無法發(fā)揮SQUID器件大量程的性能，且易發(fā)生失鎖，造成測量中斷，鎖定一次工作零點只能測量10ms-1s時長內的磁通變化。
[0006]然而現(xiàn)有的能夠連續(xù)測量磁通在多個磁通量子變化周期之間變化的傳感器的精度又不能滿足某些特殊場合。因此，需要對現(xiàn)有的磁傳感器進行改進。


【發(fā)明內容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法，用于解決現(xiàn)有技術中的SQUID磁傳感器在連續(xù)測量多個磁通量子變化周期時，無法確定每次鎖定工作零點后的電信號所對應的磁通量的問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種工作點跳變的識別方法超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法，其包括:將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理，使得所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性；將所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號進行積分處理并反饋至所述超導量子干涉器件，以輸出反饋后的電信號，并根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的周期生成用于識別經(jīng)所述積分反饋處理所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號。
[0009]優(yōu)選地，將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理的方式包括:將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第一預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，以便輸出具有周期單調特性的電信號。
[0010]優(yōu)選地，將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理的方式包括:將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按第二預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，并輸出單調電信號；將所述單調電信號按照磁通量子變化周期進行復位，以便輸出具有周期、單調特性的電信號。
[0011 ] 優(yōu)選地，根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的周期生成用于識別經(jīng)所述積分反饋處理所輸出的電信號的周期的方式包括:根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的跳變沿方向和周期生成尖銳的識別電信號。
[0012]優(yōu)選地，所述識別電信號包括:三角波形電信號、或脈沖電信號。
[0013]基于上述目的，本發(fā)明還提供一種超導量子干涉器磁傳感器，包括:超導量子干涉器件；回滯反饋處理單元，用于將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理，使得所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性；與所述回滯反饋處理單元相連的磁通鎖定單元，用于將所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號進行積分處理并反饋至所述超導量子干涉器件，以輸出反饋后的電信號；與所述回滯反饋處理單元相連的信號識別單元，用于根據(jù)所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號的周期特性來生成用于識別所述磁通鎖定單元所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號，以便后續(xù)處理單元按照所述磁通鎖定單元和信號識別單元各自所輸出的電信號合成連續(xù)的、感應磁通變化的感應信號。
[0014]優(yōu)選地，所述回滯反饋處理單元包括:與所述超導量子干涉器件的輸出端相連的放大器，用于將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第一預設比例放大；與所述放大器相連的反饋電阻；以及與所述電阻相連且與所述超導量子干涉器件互感的反饋電感，用于將所述放大器放大后的電信號負反饋至所述超導量子干涉器件。
[0015]優(yōu)選地，所述回滯反饋處理單元包括:與所述超導量子干涉器件的輸出端相連、且與所述超導量子干涉器件互感的反饋電路，用于將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第二預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，并輸出單調電信號；與所述反饋電路相連的雙比較電路，用于將所述單調電信號按照磁通量子變化周期進行復位，并輸出具有周期、單調特性的電信號。
[0016]優(yōu)選地，所述信號識別單元包括:與所述回滯反饋處理單元的輸出端相連的微分電路，用于根據(jù)所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號的周期特性中的跳變沿方向生成尖銳的識別電信號。
[0017]優(yōu)選地，所述識別電信號包括:三角波形電信號、或脈沖電信號。
[0018]如上所述，本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法，具有以下有益效果:利用回滯技術來改變超導量子干涉器件所輸出的電信號的周期特性，以實現(xiàn)在一個磁通量子變化周期內電信號的周期單值輸出，使得在多個磁通量子變化周期的跨度范圍內進行測量時，能夠易于識別磁通鎖定單元所輸出的工作零點的位置；同時，得到具有高精度和線性度的感應電信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1顯示為本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器的結構示意圖。
[0020]圖2顯示為本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器在一個磁通量子變化周期中超導量子干涉器件在欠反饋電路的反饋前后輸出的電信號波形示意圖。
[0021]圖3顯示為本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器在連續(xù)跨越兩個磁通量子變化周期內所述欠反饋電路所輸出的電信號波形示意圖。
[0022]圖4顯示為本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器中回滯反饋處理單元的一種優(yōu)選方式的結構示意圖。
[0023]圖5顯示為對應圖4所示的回執(zhí)反饋處理單元所輸出的電信號的波形示意圖。
[0024]圖6顯示為本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器的一種優(yōu)選方式的結構示意圖。
[0025]圖7顯示為本發(fā)明的工作點跳變的識別方法超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法的流程圖。
[0026]元件標號說明
[0027]I超導量子干涉器磁傳感器
[0028]11超導量子干涉器件
[0029]12回滯反饋處理單元
[0030]13磁通鎖定單元
[0031]14信號識別單元
[0032]S1-S3步驟

【具體實施方式】
[0033]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供一種超導量子干涉器磁傳感器。所述超導量子干涉器磁傳感器I包括:超導量子干涉器件11、回滯反饋處理單元12、磁通鎖定單元13及信號識別單元14。
[0035]所述超導量子干涉器件11用于將所處外界環(huán)境的磁通變化轉換成電信號的傳感器件。在一個磁通量子變化周期內，所述超導量子干涉器件11隨著磁通量子的數(shù)量的增加而呈現(xiàn)類似于正弦信號的周期多值特性。
[0036]所述回滯反饋處理單元12用于將超導量子干涉器件11所輸出的電信號進行回滯反饋處理，使得所述超導量子干涉器件11經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性。其中，所述回滯反饋處理單元12通過硬件或軟件的方式，將所述超導量子干涉器件11在一個磁通量子變化周期內所感應的周期多值信號轉換為周期單值信號。另外，所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號的周期與所述超導量子干涉器件11所感應的周期相同。具體地，所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號在一個磁通量子變化周期的初始時處于工作零點、所述磁通量子變化周期結束時由峰值跳變至所述工作零點。
[0037]作為一種實施例，所述回滯反饋處理單元12包括:放大器、反饋電感和反饋電阻。
[0038]所述放大器與所述超導量子干涉器件11連接，用于將所述超導量子干涉器件11所感應的電信號按照第一預設比例予以放大。
[0039]所述反饋電阻和反饋電感依次連接在所述超導量子干涉器件11和放大器之間。
[0040]其中，所述放大器可以是線性放大，也可以非線性放大。根據(jù)下述條件以及電磁之間的轉換關系選擇合適的反饋電阻、反饋電感以及所述放大器即可。
[0041]具體地，根據(jù)超導量子干涉器件11在一個磁通量子變化周期內是周期信號的原理，所述放大器將所述超導量子干涉器件11所感應的電信號按照第一預設比例進行放大并由所述反饋電感負反饋至所述超導量子干涉器件11，使得反饋至所述超導量子干涉器件11的磁通在每個磁通量子變化周期逐步并最終對等的抵消相應磁通量子變化周期結束時的磁通，使得所述超導量子干涉器件11感應外界磁通和負反饋的磁通后所輸出的電信號呈現(xiàn)單值電壓上升/下降的周期特性。其中，所述第一預設比例為能夠使得反饋電感和反饋電阻實現(xiàn)對所述超導量子干涉器件欠反饋的比例。
[0042]以圖2中工作零點Vtjfs為起點，當外部感應磁通正好為工作零點對應的磁通量，以此時的磁通量為基準開始，外部磁通從工作零點向右增大，增加的外部輸入磁通量為Φ:。所述超導量子干涉器件11輸出的電壓r/隨著磁通量增大而增大，同時，所述回滯反饋處理單元12產(chǎn)生負反饋磁通，阻尼所述超導量子干涉器件11實際感應磁通Φ的增大速度。
當外部磁通增大到一個磁通量子Otl時，所述超導量子干涉器件11所輸出的電壓達到正的最大值；外部磁通再增大，所述超導量子干涉器件11輸出電壓通過反饋回路產(chǎn)生的磁通不再能維持抵消外磁通的能力，自動發(fā)生工作零點跳躍，由于外部磁通變化量正好為一個磁通量子，因此跳躍后進入下一個工作零點，所述超導量子干涉器件11輸出回歸至所述工作零點。
[0043]反之,外部磁通從工作零點開始減小。磁通量向左減小，減小的外部輸入磁通量為Φ:。所述超導量子干涉器件11輸出的電壓隨著磁通量減小而減小，同時所述回滯反饋處理單元12產(chǎn)生負反饋磁通Φ]，阻尼所述超導量子干涉器件11實際感應磁通Φ:的減小。當外部磁通減小達到一個磁通量子時，所述超導量子干涉器件11所輸出的電壓達到負的最大值；當外部磁通再減小，所述超導量子干涉器件11輸出電壓產(chǎn)生的負反饋磁通不足以抵消外磁通的增大，所述回滯反饋處理單元12的負反饋不能達到平衡，則將發(fā)送工作零點跳躍。由于外部磁通變化量正好為一個磁通量子，因此跳躍后進入下一個工作零點，所述超導量子干涉器件11輸出回歸至工作零點。
[0044]需要說明的是，本領域技術人員應該理解，上面描述中所謂的正負極性，并沒有特指正電壓和負電壓，只要滿足負反饋要求即可。
[0045]例如，如圖3所示，所述外界磁通由O逐步增加到2Φ。再由2Φ。逐步減至0(Φ。為
2.07Χ 10_15韋伯)，則所述超導量子干涉器件11在所述回滯反饋處理單元12的作用下最終所輸出的電信號的波形為周期單值的，并輸出至所述磁通鎖定單元13和信號識別單元14。
[0046]作為又一種實施例，如圖4所示,所述回滯反饋處理單元包括:反饋電路,雙向比較電路。
[0047]所述反饋電路與所述超導量子干涉器件的輸出端相連、且與所述超導量子干涉器件互感，用于將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第二預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，并輸出單調電信號。
[0048]具體地，所述反饋電路中的放大器的正向輸入端與所述超導量子干涉器件的輸出端相連，所述放大器的反向輸入端通過單刀雙擲開關與自身的輸出端相連。所述反饋電路中的放大器為深度放大器，其預設的第二放大比例不僅能夠使得所述超導量子干涉器件經(jīng)反饋后所輸出的電信號單調，還能讓所輸出的電信號無法回到工作零點。經(jīng)所述雙向比較電路輸出的電信號的波形如圖5所示。
[0049]所述雙向比較電路通過與門與所述單刀雙擲開關相連，用于將所述單調電信號按照磁通量子變化周期進行復位，并輸出具有周期、單調特性的電信號。
[0050]具體地，所述與門的輸入端分別連接兩個比較器的輸出端，其中，第一比較器的正輸入端連接正向電壓閾值、負輸入端連接所述反饋電路中的放大器的輸出端，第二比較器的正輸入端連接所述反饋電路中的放大器的輸出端、負輸入端連接負向電壓閾值。其中，正向電壓閾值和負向電壓閾值分別對應經(jīng)所述放大器放大后、所述超導量子干涉器件在感應到一個磁通量子變化周期所對應的正向電壓值及負向電壓值。所述磁通鎖定單元13用于將所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號進行積分處理并反饋至所述超導量子干涉器件11。
[0051]具體地，所述磁通鎖定單元13至少包括:積分電路和反饋電感。其中，所述積分電路與所述回滯反饋處理單元12相連，以對所述回滯反饋處理單元12所輸出的周期單值特性的電信號進行積分處理，并通過反饋電感反饋至所述超導量子干涉器件11。同時，所述磁通鎖定單元13在外界磁通變化超出一個磁通量子時，重新鎖定所接收的電信號的工作零點，并進行積分反饋。如此，所述磁通鎖定單元13所輸出的電信號具有高線性度。
[0052]在此，所述磁通鎖定單元13中的反饋電感可以與所述回滯反饋處理單元12中的反饋電感公用，也可以單獨設置。
[0053]在此，所述磁通鎖定單元13在所接收電信號的拐點或跳變點處重新鎖定工作零點，使得所輸出的電信號在一個磁通量子變化周期的幅值內隨外界磁通的變化而變化。
[0054]所述信號識別單元14與所述回滯反饋處理單元12相連，用于根據(jù)所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號的周期特性來生成用于識別所述磁通鎖定單元13所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號，以便后續(xù)處理單元按照所述磁通鎖定單元13和信號識別單元14各自所輸出的電信號合成連續(xù)的、感應磁通變化的感應信號。
[0055]具體地，所述回滯反饋處理單元12由于能夠將所述超導量子干涉器件11所感應的周期多值電信號轉換為周期單值電信號，則說明所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號為單調信號，當外界磁通在多個磁通量子變化周期內持續(xù)增加或減少時，所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號在上一周期結束、下一周期開始的時刻一定會出現(xiàn)如拐點、跳變之類的信號變化。在實際測量過程中，當外界磁通的變化超過一個磁通量子變化周期時，所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號具有所述拐點或跳變，以說明所述超導量子干涉器件11的工作零點發(fā)生了變化，相對應的，所述磁通鎖定單元13在工作零點處需要重新進行鎖定，以便輸出線性度高的電信號。因此，所述信號識別單元14通過識別上述周期特性中的拐點或跳變點的最大斜率來生成識別電信號，所述識別信號對應了所述磁通鎖定單元13所輸出的電信號的工作零點。其中，所述識別電信號包括但不限于:方波，并在工作零點的位置呈現(xiàn)電壓的跳變。優(yōu)選地，所述識別電信號在對應工作零點的位置呈現(xiàn)三角波或脈沖電信號。
[0056]優(yōu)選地，所述信號識別單元14包括微分電路。所述微分電路能夠根據(jù)拐點或跳變點的斜率的正負來對應輸出正向或負向的脈沖電信號。如此，當后續(xù)處理單元與所述磁通鎖定單元13和信號識別單元14相接后，能夠根據(jù)所述信號識別單元14所輸出的識別電信號的位置來確定所述磁通鎖定單元13所輸出的電信號的工作零點，同時，根據(jù)所述信號識別單元14所輸出的識別電信號的方向來確定所述磁通鎖定單元13所輸出的電信號所對應的磁通量的變化量。
[0057]例如，當所述超導量子干涉器件11所輸出的電信號的跳變沿為上跳變沿時，則所述微分電路輸出負向的脈沖電信號，當所述超導量子干涉器件11所輸出的電信號的跳變沿為下跳變沿時，則所述微分電路輸出正向的脈沖電信號。
[0058]當所述脈沖電信號為負向電信號時，所述后續(xù)處理單元將所述磁通鎖定單元13所輸出的對應工作零點開始的連續(xù)電信號的幅值增加一個磁通量子，當所述尖銳的電信號為正向電信號時，所述后續(xù)處理單元將所述磁通鎖定單元13所輸出的對應工作零點開始的連續(xù)電信號的幅值減少一個磁通量子，以使得所述磁通鎖定單元13所輸出的在工作零點發(fā)生跳變或不連續(xù)的電信號平滑。
[0059]如圖6所示，所述超導量子干涉器磁傳感器I的工作過程舉例如下:
[0060]超導量子干涉器件11感應外界磁通量子的變化，并輸出感應信號至所述回滯反饋處理單元12，所述回滯反饋處理單元12中的放大器將所述感應信號放大到預設比例，并通過反饋電感反饋至所述超導量子干涉器件11。由此在一個磁通量子變化周期內，所述回滯反饋處理單元12輸出具有單值周期特性的電信號，并傳遞至信號識別單元14和磁通鎖定單元13。其中，所述信號識別單元14中的微分電路按照電信號的波形斜率來生成識別電信號，其中，在斜率最大處所對應的識別電信號的幅值最大，整個波形呈現(xiàn)脈沖電信號狀。當外界磁通量子的變化超過一個磁通量子變化周期時，所述磁通鎖定單元13中的積分電路重新鎖定所述超導量子干涉器件11的工作零點，并將兩個工作零點之間的所述回滯反饋處理單元12所輸出的電信號予以輸出。由此，當后續(xù)處理單元，如具有CPU的處理單元，與所述信號識別單元14和磁通鎖定單元13相連時，所述后續(xù)處理單元可以根據(jù)信號識別單元14中幅值最高的脈沖電信號來確定相應位置的所述磁通鎖定單元13所輸出的信號為工作零點，并根據(jù)該脈沖電信號的脈沖方向來將所對應的工作零點之后的電信號的幅值相應增減，以得到高線性度、連續(xù)測量的電信號，以便測量連續(xù)的、能夠跨多個磁通量子變化周期的磁通量。
[0061]如圖7所示，本發(fā)明提供一種工作點跳變的識別方法超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法。所述工作點跳變的識別方法由超導量子干涉器磁傳感器來執(zhí)行。所述超導量子干涉器件包括:超導量子干涉器件、回滯反饋處理單元、磁通鎖定單元及信號識別單元。
[0062]所述超導量子干涉器件用于將所處外界環(huán)境的磁通變化轉換成電信號的傳感器件。在一個磁通量子變化周期內，所述超導量子干涉器件隨著磁通量子的數(shù)量的增加而呈現(xiàn)類似于正弦信號的周期多值特性。
[0063]所述回滯反饋處理單元與所述超導量子干涉器件相連，所述磁通鎖定單元與所述回滯反饋處理單元和所述超導量子干涉器件相連，所述信號識別單元與所述回滯反饋處理單元相連。
[0064]在步驟SI中，所述超導量子干涉器磁傳感器將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理，使得所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性。
[0065]具體地，所述回滯反饋處理單元通過硬件或軟件的方式，將所述超導量子干涉器件在一個磁通量子變化周期內所感應的周期多值信號轉換為周期單值信號。另外，所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號的周期與所述超導量子干涉器件所感應的周期相同。具體地，所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號在一個磁通量子變化周期的初始時處于工作零點、所述磁通量子變化周期結束時由峰值跳變至所述工作零點。
[0066]作為一種實施例，所述超導量子干涉磁傳感器將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理的方式包括:將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第一預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件。
[0067]具體地，所述回滯反饋處理單元包括:放大器、反饋電感和反饋電阻。
[0068]所述放大器與所述超導量子干涉器件連接，所述反饋電阻和反饋電感依次連接在所述超導量子干涉器件和放大器之間。
[0069]其中，所述放大器可以是線性放大，也可以非線性放大。根據(jù)下述條件以及電磁之間的轉換關系選擇合適的反饋電阻、反饋電感以及所述放大器即可。
[0070]具體地，根據(jù)超導量子干涉器件在一個磁通量子變化周期內是周期信號的原理，所述放大器將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第一預設比例進行放大并由所述反饋電感負反饋至所述超導量子干涉器件，使得反饋至所述超導量子干涉器件的磁通在每個磁通量子變化周期逐步并最終對等的抵消相應磁通量子變化周期結束時的磁通，使得所述超導量子干涉器件感應外界磁通和負反饋的磁通后所輸出的電信號呈現(xiàn)單值電壓上升/下降的周期特性。其中，所述第一預設比例為能夠使得反饋電感和反饋電阻實現(xiàn)對所述超導量子干涉器件欠反饋的比例。
[0071]以圖2中工作零點Vtjfs為起點，當外部感應磁通正好為工作零點對應的磁通量，以此時的磁通量為基準開始，外部磁通從工作零點向右增大，增加的外部輸入磁通量為Φ。
所述超導量子干涉器件輸出的電圧隨著磁通量增大而增大，同時，所述回滯反饋處理單元產(chǎn)生負反饋磁迦，阻尼所述超導量子干涉器件實際感應磁通Φ:的增大速度。當外部磁通增大到一個磁通量子Otl時，所述超導量子干涉器件所輸出的電壓達到正的最大值；夕卜部磁通再增大，所述超導量子干涉器件輸出電壓通過反饋回路產(chǎn)生的磁通不再能維持抵消外磁通的能力，自動發(fā)生工作零點跳躍，由于外部磁通變化量正好為一個磁通量子，因此跳躍后進入下一個工作零點，所述超導量子干涉器件輸出回歸至所述工作零點。
[0072]反之,外部磁通從工作零點開始減小。磁通量向左減小，減小的外部輸入磁通量為
。所述超導量子干涉器件輸出的電壓隨著磁通量減小而減小，同時所述回滯反饋處理單元產(chǎn)生負反饋磁通Φ}，阻尼所述超導量子干涉器件實際感應磁通φ:的減小。當外部磁通減小達到一個磁通量子時，所述超導量子干涉器件所輸出的電壓達到負的最大值；當外部磁通再減小，所述超導量子干涉器件輸出電壓產(chǎn)生的負反饋磁通不足以抵消外磁通的增大，所述回滯反饋處理單元的負反饋不能達到平衡，則將發(fā)送工作零點跳躍。由于外部磁通變化量正好為一個磁通量子，因此跳躍后進入下一個工作零點，所述超導量子干涉器件輸出回歸至工作零點。
[0073]需要說明的是，本領域技術人員應該理解，上面描述中所謂的正負極性，并沒有特指正電壓和負電壓，只要滿足負反饋要求即可。
[0074]例如，如圖3所示，所述外界磁通由O逐步增加到2Φ。再由2Φ。逐步減至0(Φ。為2.07Χ 10_15韋伯)，則所述超導量子干涉器件在所述回滯反饋處理單元的作用下最終所輸出的電信號的波形為周期單值的，并輸出至所述磁通鎖定單元和信號識別單元。
[0075]作為又一種實施例，所述超導量子干涉磁傳感器將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理的方式還包括:步驟Sll和S12。
[0076]具體地,如圖4所示,所述回滯反饋處理單元包括:反饋電路,雙向比較電路。
[0077]在步驟Sll中，所述反饋電路將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第二預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，并輸出單調電信號。其中，所述反饋電路與所述超導量子干涉器件的輸出端相連、且與所述超導量子干涉器件互感。
[0078]具體地，所述反饋電路中的放大器的正向輸入端與所述超導量子干涉器件的輸出端相連，所述放大器的反向輸入端通過單刀雙擲開關與自身的輸出端相連。所述反饋電路中的放大器為深度放大器，其預設的第二放大比例不僅能夠使得所述超導量子干涉器件經(jīng)反饋后所輸出的電信號單調，還能讓所輸出的電信號無法回到工作零點。經(jīng)本步驟執(zhí)行輸出的電信號的波形圖如圖5所示。
[0079]在步驟S12中，所述雙向比較電路將通過與門所接收的所述單調電信號按照磁通量子變化周期進行復位，并輸出具有周期、單調特性的電信號。
[0080]具體地，所述與門的輸入端分別連接兩個比較器的輸出端，其中，第一比較器的正輸入端連接正向電壓閾值、負輸入端連接所述反饋電路中的放大器的輸出端，第二比較器的正輸入端連接所述反饋電路中的放大器的輸出端、負輸入端連接負向電壓閾值。其中，正向電壓閾值和負向電壓閾值分別對應經(jīng)所述放大器放大后、所述超導量子干涉器件在感應到一個磁通量子變化周期所對應的正向電壓值及負向電壓值。
[0081]在步驟S2中，所述超導量子干涉器磁傳感器將所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號進行積分處理并反饋至所述超導量子干涉器件。
[0082]具體地，所述磁通鎖定單元至少包括:積分電路和反饋電感。其中，所述積分電路與所述回滯反饋處理單元相連，以對所述回滯反饋處理單元所輸出的周期單值特性的電信號進行積分處理，并通過反饋電感反饋至所述超導量子干涉器件。同時，所述磁通鎖定單元在外界磁通變化超出一個磁通量子時，重新鎖定所接收的電信號的工作零點，并進行積分反饋。如此，所述磁通鎖定單元所輸出的電信號具有高線性度。
[0083]在此，所述磁通鎖定單元中的反饋電感可以與所述回滯反饋處理單元中的反饋電感公用，也可以單獨設置。
[0084]在此，所述磁通鎖定單元在所接收電信號的拐點或跳變點處重新鎖定工作零點，使得所輸出的電信號在一個磁通量子變化周期的幅值內隨外界磁通的變化而變化。
[0085]在步驟S3中，所述超導量子干涉器磁傳感器根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的周期生成用于識別經(jīng)所述積分反饋處理所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號。
[0086]具體地，所述回滯反饋處理單元由于能夠將所述超導量子干涉器件所感應的周期多值電信號轉換為周期單值電信號，則說明所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號為單調信號，當外界磁通在多個磁通量子變化周期內持續(xù)增加或減少時，所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號在上一周期結束、下一周期開始的時刻一定會出現(xiàn)如拐點、跳變之類的信號變化。在實際測量過程中，當外界磁通的變化超過一個磁通量子變化周期時，所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號具有所述拐點或跳變，以說明所述超導量子干涉器件的工作零點發(fā)生了變化，相對應的，所述磁通鎖定單元在工作零點處需要重新進行鎖定，以便輸出線性度高的電信號。因此，所述信號識別單元通過識別上述周期特性中的拐點或跳變點的最大斜率來生成識別電信號，所述識別信號對應了所述磁通鎖定單元所輸出的電信號的工作零點。其中，所述識別電信號包括但不限于:方波，并在工作零點的位置呈現(xiàn)電壓的跳變。優(yōu)選地，所述識別電信號在對應工作零點的位置呈現(xiàn)三角波或脈沖電信號。
[0087]優(yōu)選地，所述信號識別單元包括微分電路。所述微分電路能夠根據(jù)拐點或跳變點的斜率的正負來對應輸出正向或負向的脈沖電信號。如此，當后續(xù)處理單元與所述磁通鎖定單元和信號識別單元相接后，能夠根據(jù)所述信號識別單元所輸出的識別電信號的位置來確定所述磁通鎖定單元所輸出的電信號的工作零點，同時，根據(jù)所述信號識別單元所輸出的識別電信號的方向來確定所述磁通鎖定單元所輸出的電信號所對應的磁通量的變化量。
[0088]例如，當所述超導量子干涉器件所輸出的電信號的跳變沿為上跳變沿時，則所述微分電路輸出負向的脈沖電信號，當所述超導量子干涉器件所輸出的電信號的跳變沿為下跳變沿時，則所述微分電路輸出正向的脈沖電信號。
[0089]當所述脈沖電信號為負向電信號時，所述后續(xù)處理單元將所述磁通鎖定單元所輸出的對應工作零點開始的連續(xù)電信號的幅值增加一個磁通量子，當所述尖銳的電信號為正向電信號時，所述后續(xù)處理單元將所述磁通鎖定單元所輸出的對應工作零點開始的連續(xù)電信號的幅值減少一個磁通量子，以使得所述磁通鎖定單元所輸出的在工作零點發(fā)生跳變或不連續(xù)的電信號平滑。
[0090]需要說明的是，步驟S2和S3同時執(zhí)行，以便同步輸出各自的電信號。如此，后續(xù)處理單元在進行進一步處理時，能夠同步參考。
[0091]如圖6所示，所述超導量子干涉器磁傳感器的工作過程舉例如下:
[0092]超導量子干涉器件感應外界磁通量子的變化，并輸出感應信號至所述回滯反饋處理單元，所述回滯反饋處理單元中的放大器將所述感應信號放大到預設比例，并通過反饋電感反饋至所述超導量子干涉器件。由此在一個磁通量子變化周期內，所述回滯反饋處理單元輸出具有單值周期特性的電信號，并傳遞至信號識別單元和磁通鎖定單元。其中，所述信號識別單元中的微分電路按照電信號的波形斜率來生成識別電信號，其中，在斜率最大處所對應的識別電信號的幅值最大，整個波形呈現(xiàn)脈沖電信號狀。當外界磁通量子的變化超過一個磁通量子變化周期時，所述磁通鎖定單元中的積分電路重新鎖定所述超導量子干涉器件的工作零點，并將兩個工作零點之間的所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號予以輸出。由此，當后續(xù)處理單元，如具有CPU的處理單元，與所述信號識別單元和磁通鎖定單元相連時，所述后續(xù)處理單元可以根據(jù)信號識別單元中幅值最高的脈沖電信號來確定相應位置的所述磁通鎖定單元所輸出的信號為工作零點，并根據(jù)該脈沖電信號的脈沖方向來將所對應的工作零點之后的電信號的幅值相應增減，以得到高線性度、連續(xù)測量的電信號，以便測量連續(xù)的、能夠跨多個磁通量子變化周期的磁通量。
[0093]綜上所述，本發(fā)明的超導量子干涉器磁傳感器及其中的工作點跳變的識別方法，利用回滯技術來改變超導量子干涉器件所輸出的電信號的周期特性，以實現(xiàn)在一個磁通量子變化周期內電信號的周期單值輸出，使得在多個磁通量子變化周期的跨度范圍內進行測量時，能夠易于識別磁通鎖定單元所輸出的工作零點的位置；同時，得到具有高精度和線性度的感應電信號；另外，利用比例放大器和反饋電感的組合能夠實現(xiàn)對所述超導量子干涉器件所感應的電信號進行比例放大并負反饋，能夠輸出單值的、且具有正向/負向跳變沿的電信號，其中，所述跳變沿能夠體現(xiàn)外界磁通對應減少/增加一個磁通量子；還有，采用微分電路，能夠快速、有效的識別工作零點的位置，以便后續(xù)處理單元能夠據(jù)此來處理磁通鎖定單元所輸出的電信號，以得到連續(xù)的、反映多個磁通量子變化周期的磁通變化的電信號。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0094]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法，其特征在于，包括: 將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理，使得所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性； 將所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號進行積分處理并反饋至所述超導量子干涉器件，以輸出反饋后的電信號，并根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的周期生成并輸出用于識別經(jīng)所述積分反饋處理所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法，其特征在于，將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理的方式包括: 將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第一預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，以便輸出具有周期單調特性的電信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法，其特征在于，將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理的方式包括: 將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按第二預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，并輸出單調電信號； 將所述單調電信號按照磁通量子變化周期進行復位，以便輸出具有周期、單調特性的電信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法，其特征在于，根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的周期生成用于識別經(jīng)所述積分反饋處理所輸出的電信號的周期的方式包括: 根據(jù)所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號的跳變沿方向和周期生成尖銳的識別電信號。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的超導量子干涉器磁傳感器中工作點跳變的識別方法，其特征在于，所述識別電信號包括:三角波形電信號、或脈沖電信號。
6.一種超導量子干涉器磁傳感器，其特征在于，包括: 超導量子干涉器件； 回滯反饋處理單元，用于將超導量子干涉器件所感應的電信號進行回滯反饋處理，使得所述超導量子干涉器件經(jīng)回滯反饋處理后所輸出的電信號具有周期單值特性； 與所述回滯反饋處理單元相連的磁通鎖定單元，用于將所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號進行積分處理并反饋至所述超導量子干涉器件，以輸出反饋后的電信號； 與所述回滯反饋處理單元相連的信號識別單元，用于根據(jù)所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號的周期特性來生成用于識別所述磁通鎖定單元所輸出的電信號的工作零點跳變的識別電信號，以便后續(xù)處理單元按照所述磁通鎖定單元和信號識別單元各自所輸出的電信號合成連續(xù)的、感應磁通變化的感應信號。
7.根據(jù)權利要求6所述的超導量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述回滯反饋處理單元包括: 與所述超導量子干涉器件的輸出端相連的放大器，用于將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第一預設比例放大； 與所述放大器相連的反饋電阻；以及 與所述電阻相連且與所述超導量子干涉器件互感的反饋電感，用于將所述放大器放大后的電信號負反饋至所述超導量子干涉器件。
8.根據(jù)權利要求6所述的超導量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述回滯反饋處理單元包括: 與所述超導量子干涉器件的輸出端相連、且與所述超導量子干涉器件互感的反饋電路，用于將所述超導量子干涉器件所感應的電信號按照第二預設比例放大后再負反饋至所述超導量子干涉器件，并輸出單調電信號； 與所述反饋電路相連的雙比較電路，用于將所述單調電信號按照磁通量子變化周期進行復位，并輸出具有周期、單調特性的電信號。
9.根據(jù)權利要求6所述的超導量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述信號識別單元包括:與所述回滯反饋處理單元的輸出端相連的微分電路，用于根據(jù)所述回滯反饋處理單元所輸出的電信號的周期特性中的跳變沿方向生成尖銳的識別電信號。
10.根據(jù)權利要求6或8所述的超導量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述識別電信號包括:三角波形電信號、或脈沖電信號。
【文檔編號】G01R33/035GK104198962SQ201410437744
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權日:2014年8月29日
【發(fā)明者】王永良, 徐小峰, 孔祥燕, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所