超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器。所述磁傳感器包括：第一超導(dǎo)量子干涉器件；欠反饋電路，用于將第一超導(dǎo)量子干涉器件所輸出的電信號按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至第一超導(dǎo)量子干涉器件，使得反饋后的第一超導(dǎo)量子干涉器輸出的電信號以周期單值特性輸出并且反饋后的電信號在外部磁通所包含的各磁通量子變化周期結(jié)束時刻所輸出的電信號由峰值跳變至磁通量子變化周期初始時的工作零點；信號處理單元，用于根據(jù)所接收的電信號中各跳變沿的方向來確定各磁通量子變化周期的數(shù)字波形信號的幅值并生成數(shù)字波形信號，并將所接收的電信號與所生成的數(shù)字波形進(jìn)行疊加。本實用新型能夠在多個磁通量子變化周期的跨度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，有效增加了測量時間和量程。
【專利說明】超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種磁傳感器，特別是涉及一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]米用超導(dǎo)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(qiáng)度達(dá)到飛特(10-15特斯拉)量級。廣泛應(yīng)用于心磁、腦磁、極低場核磁共振等微弱磁信號探測和科學(xué)研究中。
[0003]直流超導(dǎo)量子干涉器件(簡稱dc SQUID)采用兩個并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成超導(dǎo)環(huán)，將結(jié)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)范圍，文獻(xiàn)報道其磁通測量范圍可達(dá)8X IO4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(yīng)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(zhuǎn)換，構(gòu)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+-ι?ν)其量程是有限的。同時由于環(huán)路工作時會發(fā)生不可預(yù)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IOOms-1s時長內(nèi)的磁通變化。這是由于常規(guī)SQUID傳感器鎖定一次的工作時間要根據(jù)外部環(huán)境磁場干擾情況而定，有的能工作幾分鐘到幾個小時，它是在受到外部如電力裝置、手機(jī)等電磁場發(fā)生裝置的干擾，造成失鎖。這種干擾具有一定的隨機(jī)性。因此這里主要說明基于FLL的SQUID磁傳感器易受干擾，且重新鎖定后不能回復(fù)到原先的工作零點，無法實現(xiàn)測量的連續(xù)性。因此，現(xiàn)有的SQUID磁傳感器不適用長時間連續(xù)工作的系統(tǒng)。因此限制了 SQUID的應(yīng)用。
[0006]隨著SQUID磁傳感器在地磁測量等領(lǐng)域的擴(kuò)展，如何發(fā)揮SQUID器件的特點并能長時間(如I天甚至一個月以上)的測量外部磁通，避免傳統(tǒng)SQUID磁傳感器工作零點跳變造成測量不連續(xù)，是本領(lǐng)域技術(shù)人員所要解決的問題。
實用新型內(nèi)容
[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的SQUID磁傳感器無法長時間、無需在鎖定工作零點所在量程區(qū)間內(nèi)測量外部磁通的問題。[0008]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，包括:用于感應(yīng)外部磁通的第一超導(dǎo)量子干涉器件；與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連、且負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的欠反饋電路，用于將所述第一超導(dǎo)量子干涉器件所輸出的電信號按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件，使得所述第一超導(dǎo)量子干涉器件經(jīng)反饋后的電信號以周期單值特性輸出，并且反饋后的電信號在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時處于工作零點、所述磁通量子變化周期結(jié)束時刻所輸出的電信號由峰值跳變至所述工作零點；與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的信號處理單元，用于根據(jù)所接收的電信號中各跳變沿的方向來確定各所述磁通量子變化周期的數(shù)字波形信號的幅值并生成所述數(shù)字波形信號，以將所述幅值作為磁通量子的整數(shù)倍計數(shù)，并將所接收的電信號與所生成的數(shù)字波形進(jìn)行疊加，以得到反映所述外部磁通在連續(xù)的磁通量子的整數(shù)倍變化期間的電信號。
[0009]優(yōu)選地，所述欠反饋電路包括:放大單元，用于將所述第一超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的電信號按照預(yù)設(shè)比例予以放大；依次與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連的反饋電阻和反饋電感。
[0010]優(yōu)選地，所述放大單元為與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連的比例放大器，所述比例放大器的輸出端為所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端；則所述反饋電阻與所述比例放大器的輸出端連接，所述反饋電感與所述反饋電阻相連且所述第一超導(dǎo)量子干涉器件互感。
[0011]優(yōu)選地，所述第一超導(dǎo)量子干涉器件通過所述比例放大器的輸出端輸出經(jīng)欠反饋后的電信號。
[0012]優(yōu)選地，所述放大單元包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件互感連接的磁通放大回路包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件互感的電感La、與所述反饋電感互感且與電感La串聯(lián)的第二超導(dǎo)量子干涉器件、與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件和電感La并聯(lián)的電阻Rb22，以及與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感的直流磁通調(diào)節(jié)回路；則所述反饋電阻與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連，所述反饋電感與所述反饋電阻相連；所述反饋電阻與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的連接端還與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連。
[0013]優(yōu)選地，所述信號處理單元包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的計數(shù)波形生成器，用于按照所接收的電信號的周期和所述電信號的跳變沿的方向生成數(shù)字波形信號，其中，當(dāng)所接收的電信號為下跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號的幅值增加一個磁通量子，當(dāng)所接收的電信號為上跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號的幅值減少一個磁通量子；與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的整型濾波器，用于將所接收的電信號進(jìn)行線性矯正；與所述計數(shù)波形生成器和整型濾波器相連的合成器，用于將矯正后的電信號與所生成的數(shù)字波形信號進(jìn)行疊加，以得到對應(yīng)于所述外部磁通的跨多個磁通量子變化周期的電信號。
[0014]優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第一超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路。
[0015]優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第一超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路，以及向所述第二超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第二偏置電路。[0016]如上所述，本實用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，具有以下有益效果:利用欠反饋電路來改變第一超導(dǎo)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(nèi)電信號的周期單值輸出，且在連續(xù)變化的多個磁通量子變化周期內(nèi)，呈現(xiàn)若磁通增加一個變化周期，電信號具有一個下跳變沿，若磁通減少一個變化周期，電信號具有一個上跳變沿的特征，如此，本實用新型所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器能夠在多個磁通量子變化周期的跨度范圍內(nèi)進(jìn)行測量且無需進(jìn)行工作零點鎖定，能有效增加超導(dǎo)量子干涉器件磁傳感器的測量時間和量程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器在一個磁通量子變化周期中第一超導(dǎo)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。
[0019]圖3顯示為本實用新型的超導(dǎo)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(nèi)所述欠反饋電路所輸出的電信號波形示意圖。
[0020]圖4顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器的一種優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖5顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器的又一種優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖6顯示為本實用新型的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器中信號處理單元的一種優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖7顯示為本實用新型的超導(dǎo)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(nèi)所述信號處理單元中整型濾波器、計數(shù)波形生成器和合成器各自所輸出的電信號波形示意圖。
[0024]元件標(biāo)號說明
[0025]I超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器
[0026]11第一超導(dǎo)量子干涉器件
[0027]12欠反饋電路
[0028]121比例放大器
[0029]121’磁通回路放大器
[0030]122、122’反饋電阻
[0031]123、123’反饋電感
[0032]124直流磁通調(diào)節(jié)回路
[0033]13信號處理單元
[0034]131計數(shù)波形生成器
[0035]132整型濾波器
[0036]133合成器
[0037]14第一偏置電路
[0038]15第二偏置電路【具體實施方式】
[0039]以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效。
[0040]請參閱圖1至圖7。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新型可實施的限定條件，故不具技術(shù)上的實質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本實用新型所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本實用新型所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。需說明的是，在不沖突的情況下，以下實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0041]需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本實用新型的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本實用新型中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0042]如圖1所示，本實用新型提供一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器。所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器I能夠感應(yīng)外部環(huán)境的磁通在多個連續(xù)跨度變化的磁通量子變化周期內(nèi)的磁場信號，并將所感應(yīng)的磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0043]所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器I包括:第一超導(dǎo)量子干涉器件11，欠反饋電路12及信號處理單元13。
[0044]所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11用于感應(yīng)外部磁通。其中，所述外部磁通以一個磁通量子(2.07X10—15韋伯)的整數(shù)倍劃分多個磁通量子變化周期。所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11被放置在超導(dǎo)環(huán)境中。所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11在一個所述磁通量子變化周期內(nèi)感應(yīng)輸出的電信號具有周期多值性。例如，所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11在一個磁通量子變化周期內(nèi)所輸出的電信號的波形類似于正弦波。
[0045]所述欠反饋電路12與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11相連、且負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11，用于將所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11所輸出的電信號按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11，使得所述第一超導(dǎo)量子干涉器件經(jīng)反饋后的電信號以周期單值特性輸出，并且反饋后的電信號在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時處于工作零點、所述磁通量子變化周期結(jié)束時刻所輸出的電信號由峰值跳變至所述工作零點。
[0046]具體地，本實用新型根據(jù)超導(dǎo)量子干涉器件在一個磁通量子變化周期內(nèi)是周期信號的原理，由所述欠反饋電路12將所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11所輸出的電信號進(jìn)行放大并負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11，使得反饋至所述第一超導(dǎo)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(yīng)磁通量子變化周期結(jié)束時的磁通，使得所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11感應(yīng)外界磁通和負(fù)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，并且反饋后的電信號在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時處于工作零點、所述磁通量子變化周期結(jié)束時刻所輸出的電信號由峰值跳變至所述工作零點。其中，所述工作零點可以是某一電壓值，該電壓值經(jīng)過偏移電壓的調(diào)節(jié)處理后，所述工作零點調(diào)節(jié)到Ον。
[0047]優(yōu)選地，以圖2中工作零點(即圖2中電壓為Nofs所對應(yīng)的I1JIJI1點)為起點，當(dāng)外部感應(yīng)磁通正好為工作零點對應(yīng)的磁通量，以此時的磁通量為基準(zhǔn)。當(dāng)外部磁通從工作零點向右增大，增加的外部輸入磁通量為。所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11輸出h
著磁通量增大而增大，同時欠反饋電路12產(chǎn)生負(fù)反饋磁通φ)「且尼所述第一超導(dǎo)量子干
涉器件11實際感應(yīng)磁通Φ,1,的增大速度。當(dāng)外部磁通增大到一個磁通量子Otl時，所述第
一超導(dǎo)量子干涉器件11所輸出的電壓達(dá)到正的最大值；外部磁通再增大，所述第一超導(dǎo)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(jìn)入下一個工作零點，所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11輸出回歸至所述工作零點。
[0048]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；。所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11輸出V;隨著磁通量減小而減小，同時所述欠反饋電路
12產(chǎn)生負(fù)反饋磁通①,「且尼所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11實際感應(yīng)磁通Φ的減小。當(dāng)
外部磁通減小達(dá)到一個磁通量子，同時所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11所輸出的電壓達(dá)到負(fù)的最大值；當(dāng)外部磁通再減小，所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11輸出電壓產(chǎn)生的負(fù)反饋磁通不足以抵消外磁通的增大，負(fù)反饋不能達(dá)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(jìn)入下一個工作零點，所述第一超導(dǎo)量子干涉器件11輸出回歸至工作零點。
[0049]由上述分析可見，從工作零點出發(fā)，磁通增大到一個磁通量子時，將發(fā)生工作零點跳躍，滿足臨界條件:
[0050]
【權(quán)利要求】
1.一種超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，包括: 用于感應(yīng)外部磁通的第一超導(dǎo)量子干涉器件； 與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連、且負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的欠反饋電路，用于將所述第一超導(dǎo)量子干涉器件所輸出的電信號按預(yù)設(shè)比例放大后負(fù)反饋至所述第一超導(dǎo)量子干涉器件，使得所述第一超導(dǎo)量子干涉器件經(jīng)反饋后的電信號以周期單值特性輸出，并且反饋后的電信號在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時處于工作零點、所述磁通量子變化周期結(jié)束時刻所輸出的電信號由峰值跳變至所述工作零點；與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的信號處理單元，用于根據(jù)所接收的電信號中各跳變沿的方向來確定各所述磁通量子變化周期的數(shù)字波形信號的幅值并生成所述數(shù)字波形信號，以將所述幅值作為磁通量子的整數(shù)倍計數(shù)，并將所接收的電信號與所生成的數(shù)字波形進(jìn)行疊加，以得到反映所述外部磁通在連續(xù)的磁通量子的整數(shù)倍變化期間的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述欠反饋電路包括: 放大單元，用于將所述第一超導(dǎo)量子干涉器件所感應(yīng)的電信號按照預(yù)設(shè)比例予以放大； 依次與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連的反饋電阻和反饋電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述放大單元為與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連的比例放大器； 則所述反饋電阻與所述比例放大器的輸出端連接，所述反饋電感與所述反饋電阻相連且所述第一超導(dǎo)量子干涉器件互感。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述第一超導(dǎo)量子干涉器件通過所述比例放大器的輸出端輸出經(jīng)欠反饋后的電信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述放大單元包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件互感連接的磁通放大回路包括:與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件互感的電感La、與所述反饋電感互感且與電感La串聯(lián)的第二超導(dǎo)量子干涉器件、與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件和電感La并聯(lián)的電阻Rb22,以及與所述第二超導(dǎo)量子干涉器件互感的直流磁通調(diào)節(jié)回路； 則所述反饋電阻與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件相連，所述反饋電感與所述反饋電阻相連； 所述反饋電阻與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的連接端還與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述信號處理單元包括: 與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的計數(shù)波形生成器，用于按照所接收的電信號的周期和所述電信號的跳變沿的方向生成數(shù)字波形信號，其中，當(dāng)所接收的電信號為下跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號的幅值增加一個磁通量子，當(dāng)所接收的電信號為上跳變沿將當(dāng)前數(shù)字波形信號的幅值減少一個磁通量子； 與所述第一超導(dǎo)量子干涉器件的輸出端相連的整型濾波器，用于將所接收的電信號進(jìn)行線性矯正； 與所述計數(shù)波形生成器和整型濾波器相連的合成器，用于將矯正后的電信號與所生成的數(shù)字波形信號進(jìn)行疊加，以得到對應(yīng)于所述外部磁通的跨多個磁通量子變化周期的電信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述 第一超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器還包括:向所述第一超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第一偏置電路，以及向所述第二超導(dǎo)量子干涉器件提供可調(diào)偏置電流的第二偏置電路。
【文檔編號】G01R33/035GK203720338SQ201420090889
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】王永良, 徐小峰, 孔祥燕, 謝曉明 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所