SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法
阅读：260发布：2020-05-13
专利汇可以提供SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种SQUID磁 传感器 及其最佳工作点 锁 定方法，包括被测磁通 信号 放大并转换为响应磁通信号的SQUID磁通放大 电路 ；将响应磁通信号线性转换为检测 电压 信号的SQUID磁通检测电路；根据检测电压信号输出与所述被测磁通信号成比例的响应电压信号，并将响应电压信号转换为磁通信号耦合至SQUID磁通放大电路的第一SQUID磁通 锁定环 路；控制所述第二SQUID磁通锁定环路稳定在预设工作点上，之后 控制信号 控制所述第一SQUID磁通锁定环路无冲击锁定的最佳工作点锁定电路。本发明引入了自动锁定电路，能使整个双级SQUID电路锁定在最佳工作点上，且有电路自动完成锁定，无需人为选择工作点和锁定时机，操作简单，使得高性能的双级SQUID 磁传感器 得以实用化。，下面是SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法专利的具体信息内容。
1.一种SQUID磁传感器，其特征在于，所述SQUID磁传感器至少包括：
SQUID磁通放大电路，包括第一级超导量子干涉器及与所述第一级超导量子干涉器相连的放大转换模块，用于将被测磁通信号放大为响应磁通信号；
SQUID磁通检测电路，包括与所述SQUID磁通放大电路耦合相连的第二级超导量子干涉器及与所述第二级超导量子干涉器相连的第二SQUID磁通锁定环路，用于将所述响应磁通信号进行线性的磁通-电压转换，并输出检测电压信号；
第一SQUID磁通锁定环路，与所述SQUID磁通检测电路相连，根据所述检测电压信号输出与所述被测磁通信号成比例的响应电压信号，并将所述响应电压信号通过反馈回路转换为磁通信号耦合至所述第一级超导量子干涉器；
最佳工作点锁定电路，与所述SQUID磁通检测电路相连，对所述检测电压信号进行检测，并控制所述第二SQUID磁通锁定环路调整在预设工作点上，待所述第二SQUID磁通锁定环路稳定后控制所述第一SQUID磁通锁定环路锁定；包括第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路及第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路，将所述第二SQUID磁通锁定环路的控制信号引入到所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路中，联动控制所述第一SQUID磁通锁定环路及所述第二SQUID磁通锁定环路。
2.根据权利要求1所述的SQUID磁传感器，其特征在于：
所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路与所述SQUID磁通检测电路相连，监测所述检测电压信号的幅度，通过输出的第二环路控制信号控制所述第二SQUID磁通锁定环路中积分器的积分和放电；
所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路与所述SQUID磁通检测电路及所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路相连，监测所述检测电压信号及所述第二SQUID磁通锁定环路的工作状态，通过输出的第一环路控制信号控制所述第一SQUID磁通锁定环路中积分器的积分和放电，从而实现整个磁传感器环路的锁定和解锁。
3.根据权利要求2所述的SQUID磁传感器，其特征在于：所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路包括：
第二电压比较模块及第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块；
所述第二电压比较模块与所述SQUID磁通检测电路相连，将所述检测电压信号与第一参考电压、第二参考电压进行比较；
所述第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块与所述第二电压比较模块相连，当所述检测电压信号大于所述第二参考电压时，控制所述第二SQUID磁通锁定环路积分器放电，直到所述检测电压信号小于所述第一参考电压控制所述第二SQUID磁通锁定环路中积分器积分。
4.根据权利要求2所述的SQUID磁传感器，其特征在于：所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路包括：
第一电压比较模块，解锁逻辑模块，解锁信号保持模块，锁定逻辑模块及第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块；
所述第一电压比较模块与所述SQUID磁通检测电路相连，将所述检测电压信号与第三参考电压、第四参考电压进行比较；
所述解锁逻辑模块与所述第一电压比较模块及所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路相连，当在所述第一SQUID磁通锁定环路处于锁定状态下且所述检测电压信号大于所述第四参考电压时或所述第二环路控制信号使所述第二SQUID磁通锁定环路放电时，所述解锁逻辑模块输出有效的解锁控制信号；
所述解锁信号保持模块与所述解锁逻辑模块相连，用于将所述解锁逻辑模块输出的解锁控制信号定时保存；
所述锁定逻辑模块与所述第一电压比较模块及所述解锁信号保持模块相连，当所述解锁控制信号无效且所述检测电压信号小于所述第三参考电压，则所述锁定逻辑模块输出有效的锁定控制信号；
所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块与所述解锁信号保持模块及所述锁定逻辑模块相连，根据所述解锁控制信号及所述锁定控制信号输出第一环路控制信号以对所述第一SQUID磁通锁定环路进行锁定或解锁。
5.一种SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于，所述SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法包括：
基于SQUID磁通放大电路将被测磁通信号放大并转换为响应磁通信号；
基于SQUID磁通检测电路将所述响应磁通信号线性转换为检测电压信号；
基于第一SQUID磁通锁定环路根据所述检测电压信号输出与所述被测磁通信号成比例的响应电压信号，并将所述响应电压信号转换为磁通信号耦合至所述SQUID磁通放大电路；
基于最佳工作点锁定电路监测并调控所述检测电压信号，输出第二环路控制信号确保所述SQUID磁通检测电路中的第二SQUID磁通锁定环路稳定在预设工作点上；待所述第二SQUID磁通锁定环路稳定在预设工作点上且稳定工作后基于所述第二环路控制信号及所述检测电压信号产生第一环路控制信号控制所述第一SQUID磁通锁定环路无冲击锁定，实现所述第一SQUID磁通锁定环路与所述第二SQUID磁通锁定环路的联动控制。
6.据权利要求5所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：最佳工作点的锁定方法进一步包括：
基于第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路监测并调控所述检测电压信号，确保所述第二SQUID磁通锁定环路锁定在预设工作点上，当所述检测电压信号大于第二参考电压时控制所述第二SQUID磁通锁定环路放电，直至所述检测电压信号小于第一参考电压时控制所述第二SQUID磁通锁定环路积分，如此往复，直到所述第二SQUID磁通锁定环路最终调整在预设工作点上；
基于第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路监测所述第二SQUID磁通锁定环路的工作状态，当所述第二SQUID磁通锁定环路工作在预设工作点且所述检测电压信号小于第三参考电压时控制所述第一SQUID磁通锁定环路锁定；若锁定成功，所述第一SQUID磁通锁定环路始终跟踪抵消所述被测磁通信号的变化，则所述检测电压信号始终小于第三参考电压；
若锁定失败，所述第一SQUID磁通锁定环路无法抵消所述被测磁通信号的变化，则所述检测电压信号大于第四参考电压，控制所述第一SQUID磁通锁定环路解锁，所述第二SQUID磁通锁定环路重新调整至预设工作点，如此往复直至锁定成功。
7.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：还包括延时功能：当所述第一SQUID磁通锁定环路锁定失败后再次进行锁定时，需经过延时后再控制所述第一SQUID磁通锁定环路锁定，以确保所述第二SQUID磁通锁定环路有充足时间恢复到预设工作点。
8.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：所述第一参考电压V1＝V2-kΦ0，其中，V1为第一参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，Φ0为一个磁通量子。
9.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：所述第二参考电压根据所述响应磁通信号的幅度来确定：
其中，V2为第二参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数， 为所述响应磁通信号的幅度，Φ0为一个磁通量子。
10.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：所述第三参考电压接近零，设定为 其中，V3为第三参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，Φ0为一个磁通量子。
11.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：所述第四参考电压 其中，V4为第四参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，Φ0为一个磁通量子。
12.根据权利要求5所述的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，其特征在于：还包括预设工作点的设置：微调所述SQUID磁通检测电路中的直流磁通量，使得所述响应磁通信号的幅度相对于选定工作点正负均衡，该选定工作点即为预设工作点。
SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法
技术领域
背景技术
[0002] 基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，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。
[0003] SQUID器件是SQUID磁传感器中最核心的磁敏感元件。通常采用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，该器件是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两端的电压将具有随其感应磁场发生变化的特性，即SQUID感应外界磁通，输出响应的电压，输入磁通和电压构成对应的传输特性，典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线如图1所示，该磁通-电压传输特性类似于正弦波，是周期非线性的，周期为一个磁通量子Φ0(2.07×10-15韦伯)。
[0004] SQUID磁传感器就是依赖上述SQUID磁通-电压传输特性应用磁通-电压锁定环路(Flux-Locked Loop，FLL)原理来实现磁通检测并线性转换成电压信号，构成基于SQUID的高灵敏度低噪声磁传感器。基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器的典型结构如图2所示，其工作原理是：选择SQUID磁通-电压传输特性其中一个工作点，在工作点处，SQUID输出电压为零，积分器没有积分，所有输出稳定，达到负反馈的稳定状态。当外部被测磁通发生变化，SQUID感应到偏离工作点的磁通ΔΦ，将根据磁通-电压传输特性曲线输出电压ΔV，该电压经前置放大器进行信号放大，并送入积分器，积分器根据输入电压大小积分调制输电电压，该电压驱动反馈电阻产生反馈电流If，反馈电流通过反馈电感Lf与磁敏感元件SQUID的互感Mf产生抵消磁通，抵消外部输入的磁通，直到完全抵消，使得输入积分器的电压归零，整个负反馈环路恢复平衡，SQUID状态回到工作点。从磁通-电压锁定环路的负反馈工作过程可知，输入的被测磁通大小与抵消磁通始终相同，因此被测磁通大小产生抵消磁通的积分器输出电压成比例关系，只要检测积分器输出电压，即可获知外部被测磁通的大小，SQUID磁传感器就是利用该原理实现磁通-电压的线性转换。
[0005] SQUID器件在构建SQUID磁传感器时遇到的最大问题是SQUID在工作点处的磁通-电压传输率不够高，与前置放大器不匹配，使得整个传感器的噪声水平受前置放大器的电压主导，未能将SQUID低噪声的特性发挥出来。为了提高SQUID的磁通-电压传输率，通常采用两级SQUID级联来实现，如图3所示，通过SQD1检测被测磁场信号，输出电压驱动电阻和电感回路，将检测到电压信号转换成电流信号，再通过电感转换成磁通耦合到SQD2中，SQD2再将磁通转换成电压，输入前置放大器中进行放大，放大后的电压信号通过积分器输出，并通过反馈电阻转换为反馈电流，反馈电感将反馈电流转换为磁通信号后耦合至SQD1。该SQUID磁传感器可实现与前置放大器的噪声匹配，使得构成的磁传感器噪声水平接近SQUID的本征噪声，提升SQUID磁传感器的性能，但是该SQUID磁传感器存在工作点多值问题。如图4所示，两个普通SQUID的磁通-电压传输特性是周期性非线性的，当两个SQUID级联后，形成的磁通-电压传输特性如图5所示，出现了在一个磁通周期内具有多个可锁定的工作点，即工作点多值情况，其中只有具有最大磁通-电压传输率的工作点P为最佳工作点。工作点多值使得SQUID磁传感器无法保证锁定在最佳工作点上，因此无法维持最佳工作性能。
[0006] 为了解决工作点多值问题，将第二级SQUID采用基于SQUID磁通锁定环路实现的线性磁通-电压转换电路，如图6所示，通过SQD1检测被测磁场信号，输出电压驱动电阻和电感回路，将检测到电压信号转换成电流信号，再通过电感转换成磁通耦合到SQD2中，SQD2再将感应到的磁通转换为电压信号，以此将被测磁场信号通过电压方式表示，电压信号通过积分器输出，并通过反馈电阻转换为反馈电流，反馈电感将反馈电流转换为磁通信号后耦合至SQD1。由于第二级SQUID构成了磁通锁定环路，其传输特性是线性的，因此合成的磁通-电压传输特性可以避免工作点多值问题。但是，该SQUID磁传感器存在传输特性多值问题。如图7所示，第一级SQUID的磁通-电压传输特性是周期性非线性的，而第二级SQUID的磁通-电压传输特性是周期性线性的，当两个SQUID级联后，形成的磁通-电压传输特性如图8所示，第二级SQUID磁通锁定环路因工作点变化，使得双级SQUID级联模块形成的传输特性出现直流偏移不确定的问题。也就是说第二级SQUID磁通锁定环路输出直流偏移是受其工作点变动的。假定重新锁定前，第二级SQUID磁通锁定环路在工作点b锁定，其传输特性如图b所示。双级SQUID级联模块的磁通-电压传输特性的工作零点为最佳工作点。当第二级SQUID磁通发生异常失锁，重新锁定后，磁通锁定环路锁定在工作点a，那么双级SQUID级联模块的磁通-电压传输特性如图a所示。与之前的传输特性b相比，产生了直流偏移，因此工作点发生了变化，传输特性a对应的工作零点偏离了最佳工作点(最佳工作点应为b所示的传输特性中间点，此处的磁通-电压传输率 最大)。图中a所示的传输特性，如果要实现最佳工作点的锁定，只能通过后续的直流偏移抵消电路重新调整工作零点。或者通过多次重新锁定的操作，使得第二级SQUID磁通锁定环锁定在预设的工作点b。因此，该SQUID磁传感器虽然通过将第二级SQUID的磁通-电压转换特性线性化，可避免双SQUID级联模块磁通-电压传输特性出现周期内工作零点多值问题，但由于第二级SQUID磁通-锁定环路的线性传输特性的直流输出随第二级SQUID工作点的不同而变化，因此也无法确保整个双级SQUID磁通-电压转换模块的工作点始终是最佳的。
[0007] 工作点多值和传输特性多值使得两级SQUID级联形成的SQUID传感器无法确保工作在最佳工作点上，因此性能不能稳定发挥，严重影响了双级SQUID磁传感器的应用。
发明内容
[0008] 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SQUID磁传感器，用于解决现有技术中SQUID磁传感器的工作点不稳定、锁定操作困难等问题。
[0009] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID磁传感器，所述SQUID磁传感器至少包括：
[0010] SQUID磁通放大电路，包括第一级超导量子干涉器及与所述第一级超导量子干涉器相连的放大转换模块，用于将被测磁通信号放大为响应磁通信号；
[0011] SQUID磁通检测电路，包括与所述SQUID磁通放大电路耦合相连的第二级超导量子干涉器及与所述第二级超导量子干涉器相连的第二SQUID磁通锁定环路，用于将所述响应磁通信号进行线性的磁通-电压转换，并输出检测电压信号；
[0012] 第一SQUID磁通锁定环路，与所述SQUID磁通检测电路相连，根据所述检测电压信号输出与所述被测磁通信号成比例的响应电压信号，并将所述响应电压信号通过反馈回路转换为磁通信号耦合至所述第一级超导量子干涉器；
[0013] 最佳工作点锁定电路，与所述SQUID磁通检测电路相连，对所述检测电压信号进行检测，并控制所述第二SQUID磁通锁定环路调整在预设工作点上，待所述第二SQUID磁通锁定环路稳定后控制所述第一SQUID磁通锁定环路锁定。
[0014] 优选地，所述最佳工作点锁定电路包括：
[0015] 第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路以及第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路；
[0016] 所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路与所述SQUID磁通检测电路相连，监测所述检测电压信号的幅度，通过输出的第二环路控制信号控制所述第二SQUID磁通锁定环路中积分器的积分和放电；
[0017] 所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路与所述SQUID磁通检测电路及所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路相连，监测所述检测电压信号及所述第二SQUID磁通锁定环路的工作状态，通过输出的第一环路控制信号控制所述第一SQUID磁通锁定环路中积分器的积分和放电，从而实现整个磁传感器环路的锁定和解锁。
[0018] 更优选地，所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路包括：
[0019] 第二电压比较模块及第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块；
[0020] 所述第二电压比较模块与所述SQUID磁通检测电路相连，将所述检测电压信号与第一参考电压、第二参考电压进行比较；
[0021] 所述第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块与所述第二电压比较模块相连，当所述检测电压信号大于所述第二参考电压时，控制所述第二SQUID磁通锁定环路积分器放电，直到所述检测电压信号小于所述第一参考电压控制所述第二SQUID磁通锁定环路中积分器积分。
[0022] 更优选地，所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路包括：
[0023] 第一电压比较模块，解锁逻辑模块，解锁信号保持模块，锁定逻辑模块及第一SQUID环路锁定控制模块；
[0024] 所述第一电压比较模块与所述SQUID磁通检测电路相连，将所述检测电压信号与第三参考电压、第四参考电压进行比较；
[0025] 所述解锁逻辑模块与所述第一电压比较模块及所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路相连，当在所述第一SQUID磁通锁定环路处于锁定状态下且所述检测电压信号大于所述第四参考电压时或所述第二环路控制信号使所述第二SQUID磁通锁定环路放电时，所述解锁逻辑模块输出有效的解锁控制信号；
[0026] 所述解锁信号保持模块与所述解锁逻辑模块相连，用于将所述解锁逻辑模块输出的解锁控制信号定时保存；
[0027] 所述锁定逻辑模块与所述第一电压比较模块及所述解锁信号保持模块相连，当所述解锁控制信号无效且所述检测电压信号小于所述第三参考电压，则所述锁定逻辑模块输出有效的锁定控制信号；
[0028] 所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块与所述解锁信号保持模块及所述锁定逻辑模块相连，根据所述解锁控制信号及所述锁定控制信号输出第一环路控制信号以对所述第一SQUID磁通锁定环路进行锁定或解锁。
[0029] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，所述SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法包括：
[0030] 基于SQUID磁通放大电路将被测磁通信号放大并转换为响应磁通信号；
[0031] 基于SQUID磁通检测电路将所述响应磁通信号线性转换为检测电压信号；
[0032] 基于第一SQUID磁通锁定环路根据所述检测电压信号输出与所述被测磁通信号成比例的响应电压信号，并将所述响应电压信号转换为磁通信号耦合至所述SQUID磁通放大电路；
[0033] 基于最佳工作点锁定电路监测并调控所述检测电压信号，输出第二环路控制信号确保所述SQUID磁通检测电路中的第二SQUID磁通锁定环路稳定在预设工作点上，待所述第二SQUID磁通锁定环路稳定在预设工作点上且稳定工作后输出第一环路控制信号控制所述第一SQUID磁通锁定环路无冲击锁定。
[0034] 优选地，最佳工作点的锁定方法进一步包括：
[0035] 基于第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路监测并调控所述检测电压信号，确保所述第二SQUID磁通锁定环路锁定在预设工作点上，当所述检测电压信号大于第二参考电压时控制所述第二SQUID磁通锁定环路放电，直至所述检测电压信号小于第一参考电压时控制所述第二SQUID磁通锁定环路积分，如此往复，直到所述第二SQUID磁通锁定环路最终调整在预设工作点上；
[0036] 基于第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路监测所述第二SQUID磁通锁定环路的工作状态，当所述第二SQUID磁通锁定环路工作在预设工作点且所述检测电压信号小于第三参考电压时控制所述第一SQUID磁通锁定环路锁定；若锁定成功，所述第一SQUID磁通锁定环路始终跟踪抵消所述被测磁通信号的变化，则所述检测电压信号始终小于第三参考电压；若锁定失败，所述第一SQUID磁通锁定环路无法抵消所述被测磁通信号的变化，则所述检测电压信号大于第四参考电压，控制所述第一SQUID磁通锁定环路解锁，所述第二SQUID磁通锁定环路重新调整至预设工作点，如此往复直至锁定成功。
[0037] 更优选地，还包括延时功能：当所述第一SQUID磁通锁定环路锁定失败后再次进行锁定时，需经过延时后再控制所述第一SQUID磁通锁定环路锁定，以确保所述第二SQUID磁通锁定环路有充足时间恢复到预设工作点。
[0038] 更优选地，所述第一参考电压V1＝V2-kΦ0，其中，V1为第一参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，Φ0为一个磁通量子。
[0039] 更优选地，所述第二参考电压根据所述响应磁通信号的幅度来确定：
[0040]
[0041] 其中，V2为第二参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，为所述响应磁通信号的幅度，Φ0为一个磁通量子。
[0042] 更优选地，所述第三参考电压接近零，设定为 其中，V3为第三参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，Φ0为一个磁通量子。
[0043] 更优选地，所述第四参考电压 其中，V4为第四参考电压，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数，Φ0为一个磁通量子。
[0045] 如上所述，本发明的SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法，具有以下有益效果：
[0046] 本发明的SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法引入了一套自动锁定电路，能使整个双级SQUID电路锁定在最佳工作点上，且有电路自动完成锁定，无需人为选择工作点和锁定时机，操作简单。通过本方案，双级SQUID磁传感器可以像普通SQUID磁传感器一样操作，操作简单，使得高性能的双级SQUID磁传感器得以实用化。附图说明
[0047] 图1显示为现有技术中的典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线示意图。
[0048] 图2显示为现有技术中的基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器结构示意图。
[0049] 图3显示为两个普通SQUID级联构成的SQUID磁传感器结构示意图。
[0050] 图4显示为两个普通SQUID级联构成的磁通-电压转换原理示意图。
[0051] 图5显示为两个普通SQUID级联构成的磁通-电压传输特性曲线示意图。
[0052] 图6显示为一个普通SQUID与SQUID磁通锁定环路级联构成的SQUID磁传感器结构示意图。
[0053] 图7显示为一个普通SQUID与SQUID磁通锁定环路级联构成的磁通-电压转换原理示意图。
[0054] 图8显示为一个普通SQUID与SQUID磁通锁定环路级联构成的磁通-电压转换过程示意图。
[0055] 图9显示为本发明的SQUID磁传感器结构示意图。
[0056] 图10显示为本发明的SQUID磁传感器电路结构示意图。
[0057] 图11显示为本发明的第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路结构示意图。
[0058] 图12显示为本发明的第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路结构示意图。
[0059] 图13显示为本发明的第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路工作原理示意图。
[0060] 图14显示为本发明的第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路工作原理示意图。
[0061] 图15显示为本发明的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法流程示意图。
[0062] 图16～图17显示为本发明的第二SQUID磁通锁定环路的工作点调节过程示意图。
[0063] 元件标号说明
[0064] 1 SQUID磁传感器
[0065] 11 SQUID磁通放大电路
[0066] 12 SQUID磁通检测电路
[0067] 121 第二SQUID磁通锁定环路
[0068] 13 第一SQUID磁通锁定环路
[0069] 14 最佳工作点锁定电路
[0070] 141 第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路
[0071] 1411 第二电压比较模块
[0072] 1412 第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块
[0073] 142 第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路
[0074] 1421 第一电压比较模块
[0075] 1422 解锁逻辑模块
[0076] 1423 解锁信号保持模块
[0077] 1424 锁定逻辑模块
[0078] 1425 第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块
[0079] S1～S4 步骤
具体实施方式
[0080] 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。
[0081] 请参阅附图。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。
[0082] 如图9所示，本发明提供一种SQUID磁传感器1，所述SQUID磁传感器1至少包括：
[0083] SQUID磁通放大电路11，包括第一级超导量子干涉器SQD1及与所述第一级超导量子干涉器SQD1相连的放大转换模块，用于将被测磁通信号Φ放大为响应磁通信号Φ12。
[0084] 具体地，如图10所示，所述SQUID磁通放大电路11包括第一级超导量子干涉器SQD1、转换电阻R1及转换线圈L1，所述转换电阻R1及所述转换线圈L1形成放大转换模块，所述第一级超导量子干涉器SQD1、所述转换电阻R1及所述转换线圈L1串联形成回路，在回路中的具体位置不限。如图9所示，在本实施例中，所述第一级超导量子干涉器SQD1一端加第一偏置电流Ib1、另一端接地，所述第一级超导量子干涉器SQD1检测被测磁通信号Φ，并将所述被测磁通信号Φ转换为相应的电压信号；所述转换电阻R1连接于所述第一级超导量子干涉器SQD1，将所述第一级超导量子干涉器SQD1输出的电压转换为电流；所述转换线圈L1的一端连接所述转换电阻R1、另一端接地，将回路中的电流转换为响应磁通信号Φ12，并耦合至下一级超导量子干涉器。
[0085] SQUID磁通检测电路12，包括与所述放大转换模块耦合相连的第二级超导量子干涉器SQD2，及与所述第二级超导量子干涉器SQD2相连的第二SQUID磁通锁定环路121，用于将所述响应磁通信号Φ12进行线性的磁通-电压转换，并输出检测电压信号VFLL2。
[0086] 具体地，如图10所示，所述第二级超导量子干涉器SQD2与所述转换线圈L1耦合相连，其一端连接第二偏置电流Ib2、另一端接地，所述第二级超导量子干涉器SQD2将所述响应磁通信号Φ12转换为电压信号。所述第二SQUID磁通锁定环路121连接于所述第二级超导量子干涉器SQD2，包括前置放大器、第二积分器、第二反馈电阻Rf2、第二反馈线圈Lf2、可调偏置电压Vb1及偏置电阻Rb1。所述前置放大器与所述第二级超导量子干涉器SQD2及偏置电压Vb2相连，将所述第二级超导量子干涉器SQD2输出的电压放大。所述第二积分器与所述前置放大器相连，对所述前置放大器输出的信号进行积分，并输出检测电压信号VFLL2，在本实施例中，所述第二积分器包括第二放大器U2，所述第二放大器U2的正向输入端接地、反向输入端连接第一输入电阻Ri2、输出端通过第二积分电容Ci2连接至反向输入端，所述第二积分电容Ci2的两端接第二放电开关Sw2，为了避免放电过快，所述放电开关Sw2的回路中还串接有第二调节电阻Rw2。所述第二反馈电阻Rf2与所述第二积分器相连，用于将所述第二积分器输出的电压信号转换为反馈电流。所述第二反馈线圈Lf2与所述第二反馈电阻Rf2相连，将所述反馈电流转换为反馈磁通并耦合至所述第二级超导量子干涉器SQD2。所述可调偏置电压Vb1及偏置电阻Rb1串联后连接于所述第二反馈线圈Lf2的两端，通过微调所述可调偏置电压Vb1可改变所述第二反馈线圈Lf2中的反馈电流，产生磁通耦合到所述第二级超导量子干涉器SQD2，进而调节所述第二级超导量子干涉器SQD2的直流磁通量。
[0087] 第一SQUID磁通锁定环路13，与所述SQUID磁通检测电路12相连，根据所述检测电压信号VFLL2输出与所述被测磁通信号Φ成比例的响应电压信号VFLL1，并将所述响应电压信号VFLL1转换为磁通信号耦合至所述第一级超导量子干涉器SQD1。
[0088] 具体地，如图10所示，在本实施例中，所述第一SQUID磁通锁定环路13包括第一积分器、第一反馈电阻Rf1及第一反馈线圈Lf1。所述第一积分器连接于所述第二SQUID磁通锁定环路121，对所述检测电压信号VFLL2进行积分，在本实施例中，所述第一积分器包括第一放大器U1，所述第一放大器U1的正向输入端接地、反向输入端连接第一输入电阻Ri1、输出端通过第一积分电容Ci1连接至反向输入端，所述第一积分电容Ci1的两端接第一放电开关Sw1。所述第一反馈线圈Lf1与所述第一反馈电阻Rf1相连，将所述反馈电流转换为反馈磁通并耦合至所述第一级超导量子干涉器SQD1。
[0089] 最佳工作点锁定电路14，与所述SQUID磁通检测电路12相连，包括第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141以及第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142。所述最佳工作点锁定电路14对所述检测电压信号VFLL2进行检测，并控制所述第二SQUID磁通锁定环路121调整在预设工作点上，待所述第二SQUID磁通锁定环路121稳定后控制所述第一SQUID磁通锁定环路13锁定。
[0090] 所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141与所述SQUID磁通检测电路12相连，将所述检测电压信号VFLL2与第一参考电压V1及第二参考电压V2进行比较，当所述检测电压信号VFLL2小于所述第一参考电压V1时控制所述第二SQUID磁通锁定环路121中的积分器积分；当所述检测电压信号VFLL2大于所述第二参考电压V2时控制所述第二SQUID磁通锁定环路121中的积分器放电。
[0091] 具体地，如图11所示，所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141包括第二电压比较模块1411及第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块1412。在本实施例中，所述第二电压比较模块1411包括绝对值电路、第一比较电路IC1及第二比较电路IC2；所述绝对值电路与所述SQUID磁通检测电路12相连；所述第一比较电路IC1的正向输入端连接所述绝对值电路、反向输入端连接第一参考电压V1；所述第二比较电路IC2的反向输入端连接所述绝对值电路、正向输入端连接第二参考电压V2。在本实施例中，所述第二SQUID磁通锁定环路工作点跳变控制模块1412为RS触发器，所述RS触发器的R端连接所述第一比较电路IC1、S端连接所述第二比较电路IC2。
[0092] 所述检测电压信号VFLL2经所述绝对值电路转换成正电压信号，并与所述第一参考电压V1及所述第二参考电压V2进行比较，当所述检测电压信号VFLL2超过所述第二参考电压V2时，所述第二比较电路IC2输出低电平，所述第一比较电路IC1输出为高电平，因此所述RS触发器的S端输入为低电平，R端输入为高电平，所述RS触发器输出高电平，所述第二放电开关Sw2闭合，所述第二积分器开始放电，所述检测电压信号VFLL2开始下降。
[0093] 所述检测电压信号VFLL2在所述第一参考电压V1及所述第二参考电压V2之间时，所述第一比较电路IC1及所述第二比较电路IC2都输出高电平，因此所述RS触发器的R端和S端输入都是高电平，所述RS触发器输出保持原状态不变。
[0094] 当所述检测电压信号VFLL2下降小于所述第一参考电压V1时，所述第二比较电路IC2的输出为高电平，所述第一比较电路IC1的输出为低电平，即所述RS触发器的S端输入为高电平，R端输入为低电平，因此所述RS触发器的输出为低电平，控制所述第二放电开关Sw2断开，放电回路断开，所述第二积分器停止放电，恢复积分状态，所述第二SQUID磁通锁定环路121恢复锁定。
[0095] 如图13所示，最终所述检测电压信号VFLL2稳定在所述第二参考电压V2内。当所述检测电压信号VFLL2大于所述第二参考电压V2，所述RS触发器控制积分器放电，所述检测电压信号VFLL2在所述第二参考电压V2和所述第一参考电压V1之间时，积分器保持放电状态，直到所述检测电压信号VFLL2小于所述第一参考电压V1，所述RS触发器控制积分器积分。同理，在积分状态下，所述检测电压信号VFLL2在所述第二参考电压V2和所述第一参考电压V1之间时，积分器保持积分状态，直到所述检测电压信号VFLL2大于所述第二参考电压V2，所述RS触发器控制积分器重新放电，重复上述过程。
[0096] 所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142与所述SQUID磁通检测电路12及所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141相连，监测所述检测电压信号VFLL2及所述第二SQUID磁通锁定环路121的工作状态，与所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141联动，即将所述第二环路控制信号CTL2引入到所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141。当所述第二SQUID磁通锁定环路121稳定锁定在预设工作点上后，所述第二环路控制信号CTL2将保持低电平(定义高电平下，第二SQUID磁通锁定环积分器放电，如果已经在预设工作点上锁定，那么积分器处于正常积分状态，控制信号为低电平)，将使得所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142允许开始锁定工作，否则如果是高电平状态，则说明所述第二SQUID磁通锁定环路121发生了积分器放电操作，说明所述第二SQUID磁通锁定环路121还在调整工作点，未做好允许所述第一SQUID磁通锁定环路13锁定的准备。因此，当所述第二SQUID磁通锁定环路121在调整工作点操作时，则不能允许所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142工作；当所述第二SQUID磁通锁定环路121不再发生放电操作时，说明已经锁定在预设工作点上，则允许所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142工作。同时，所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142将所述检测电压信号VFLL2与第三参考电压V3及第四参考电压V4进行比较；当所述第二SQUID磁通锁定环路121放电时控制所述第一SQUID磁通锁定环路13解锁；当所述第二SQUID磁通锁定环路121积分时，若所述检测电压信号VFLL2小于所述第三参考电压V3则控制所述第一SQUID磁通锁定环路13锁定，若所述第一SQUID磁通锁定环路13在锁定状态下，所述检测电压信号VFLL2大于所述第四参考电压V4则控制所述第一SQUID磁通锁定环路13解锁。
[0097] 具体地，如图12所示，所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142包括第一电压比较模块1421，解锁逻辑模块1422，解锁信号保持模块1423，锁定逻辑模块1424及第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块1425。所述解锁逻辑模块1422与所述第一电压比较模块1421及所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141相连，当在所述第一SQUID磁通锁定环路13处于锁定状态下所述检测电压信号VFLL2大于所述第四参考电压V4或所述第二环路控制信号CTL2使所述第二SQUID磁通锁定环路121放电时，所述解锁逻辑模块1422输出有效的解锁控制信号。所述解锁信号保持模块1423与所述解锁逻辑模块1422相连，用于将所述解锁逻辑模块1422输出的解锁控制信号定时保存。所述锁定逻辑模块1424与所述第一电压比较模块1421及所述解锁信号保持模块1423相连，当所述解锁控制信号无效且所述检测电压信号VFLL2小于所述第三参考电压V3，则所述锁定逻辑模块1424输出有效的锁定控制信号。
所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块1425与所述解锁信号保持模块1423及所述锁定逻辑模块1424相连，根据所述解锁控制信号及所述锁定控制信号输出第一环路控制信号CTL1以对所述第一SQUID磁通锁定环路13进行锁定或解锁。
所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块1425与所述解锁信号保持模块1423及所述锁定逻辑模块1424相连，根据所述解锁控制信号及所述锁定控制信号输出第一环路控制信号CTL1以对所述第一SQUID磁通锁定环路13进行锁定或解锁。
[0098] 在本实施例中，所述第一电压比较模块1421包括绝对值电路、第三比较电路IC3及第四比较电路IC4；所述绝对值电路与所述SQUID磁通检测电路12相连，对所述检测电压信号VFLL2取绝对值；所述第三比较电路IC3的正向输入端连接所述绝对值电路、反向输入端连接第三参考电压V3，并输出比较结果；所述第四比较电路IC4的反向输入端连接所述绝对值电路、正向输入端连接第四参考电压V4，并输出比较结果。所述解锁逻辑模块1422包括输入端连接所述第二环路控制信号CTL2的第一非门、输入端连接所述第四比较电路IC4及所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142输出端的第一或门、连接所述第一非门和所述第一或门输出端的与门；所述解锁信号保持模块1423为清零定时器，连接于所述与门的输出端；所述锁定逻辑模块1424包括连接于所述清零定时器输出端的第二非门、连接于所述第二非门及所述第三比较电路IC3输出端的第二或门；所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块1425为RS触发器，所述RS触发器的R端连接所述第二或门、S端连接所述清零定时器，当所述第二SQUID磁通锁定环路121放电时输出高电平控制所述第一SQUID磁通锁定环路13解锁；当所述第二SQUID磁通锁定环路121积分时，若所述检测电压信号VFLL2小于所述第三参考电压则输出低电平控制所述第一SQUID磁通锁定环路13锁定，若所述第一SQUID磁通锁定环路13在锁定状态下，所述检测电压信号VFLL2大于所述第四参考电压V4则输出高电平控制所述第一SQUID磁通锁定环路13解锁。
[0099] 锁定时机选择在所述检测电压信号VFLL2接近零时，使用第三比较电路IC3将所述检测电压信号VFLL2经绝对值电路的电压送入其正输入端，所述第三比较电路IC3的负输入端与所述第三参考电压V3比较，当述检测电压信号VFLL2绝对值小于所述第三参考电压V3时，比较器输出为低电平。同时所述可清零计时器输出为高电平时，根据锁定逻辑，所述RS触发器的R输入端为低电平。所述RS触发器将被触发输出为低电平，所述第一SQUID磁通锁定环中的积分器放电开关打开，所述第一积分器开始积分输出。
[0100] 如果正常锁定，所述第二SQUID磁通锁定环路121输出的电压将稳定在零附近。如果锁定异常，则所述第二SQUID磁通锁定环路121输出的电压将不能稳定，电压超出所述第四参考电压V4，所述第四比较电路IC4的输出为低电平，通过或门和与门，将所述可清零定时器的CLR输入端置于低电平，实现定值器清零，所述可清零定时器输出低电平，计数器从零开始计时。由于所述可清零定时器输出为低电平，控制所述RS触发器输出为高电平，所述第一放电开关Sw1闭合，所述第一积分器输出归零，所述第一SQUID磁通锁定环路13恢复开环。
[0101] 由于所述RS触发器输出为高电平，或门的输出始终保持为高电平，因此屏蔽了所述第四比较电路IC4的输出，所述可清零计时器不再受所述第四比较电路IC4输出的影响，直到计时器计数达到设定值。期间所述RS触发器的S端始终保持低电平，所述第一积分器的控制端等待所述可清零计时器按设定时间计时。在该时间段内，如果由于本次所述第一SQUID磁通锁定环路13锁定失败对所述第二SQUID磁通锁定环路121造成冲击，所述第二SQUID磁通锁定环路121可以进行工作点的调整，使得所述第二SQUID磁通锁定环路121重新调整到设定的工作点上稳定输出，准备所述第一SQUID磁通锁定环路13的下一次锁定。
[0102] 由于所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141的输出控制着解锁逻辑，因此，当第二SQUID磁通锁定环路121在调整工作点时，其输出会控制解锁逻辑，使得所述可清零计时器不断保持计时，直到所述第二SQUID磁通锁定环路121稳定工作，不再发出控制信号，再经过定时后，锁定逻辑才能恢复使能。
[0103] 定时器计时完成后，所述可清零计时器输出恢复高电平，所述RS触发器的S端输入高电平，同时锁定逻辑模块1424中对所述第三比较电路IC3输出的使能打开，在所述检测电压信号VFLL2绝对值小于所述第三参考电压V3时，所述第三比较电路IC3的输出为低电平，将触发所述RS触发器的R端，使得所述RS触发器输出为零，解除所述第一积分器的归零控制开关，所述第一积分器开始积分锁定，并重复上述锁定和解锁的控制过程，直到双级SQUID传感器的磁通锁定环路稳定锁定工作。
[0104] 如图14所示，所述第一SQUID磁通锁定环路13的锁定判据如下：
[0105] 当所述检测电压信号VFLL2接近零时(小于所述第三参考电压V3)才能锁定，由于该时刻，第二SQUID磁通锁定环路121输出电压很小，此时所述第一积分器开始积分，冲击最小，且能快速稳定在零点上。
[0106] 在锁定过程中，当所述检测电压信号VFLL2超过所述第四参考电压V4时，说明整个SQUID磁传感器回路受到干扰冲击或无法跟上被测磁通的变化，偏离了工作零点，不能恢复锁定，此时将逻辑驱动RS触发器，输出控制所述第一积分器放电归零。
[0107] 具体地，如图14所示，当所述检测电压信号VFLL2大于所述第四参考电压V4，所述RS触发器控制积分器放电，所述检测电压信号VFLL2在所述第四参考电压V4和所述第三参考电压V3之间时，积分器保持放电状态，直到所述检测电压信号VFLL2小于所述第三参考电压V3，所述RS触发器控制积分器积分。同理，在积分状态下，所述检测电压信号VFLL2在所述第四参考电压V4和所述第三参考电压V3之间时，积分器保持积分状态，直到所述检测电压信号VFLL2大于所述第四参考电压V4，所述RS触发器控制积分器重新放电，重复上述过程。
[0108] 本发明的SQUID磁传感器通过第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路使所述第二SQUID磁通锁定环路调整在预设工作点上，再通过第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路控制第一SQUID磁通锁定环路无冲击锁定，实现了SQUID磁传感器的最佳工作点锁定，解决了工作点多值及传输特性多值的问题，大大提升了SQUID磁传感器的稳定性及实用性。
[0109] 如图15所示，本发明还提供一种SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法，所述SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法包括：
[0110] 步骤S1：基于SQUID磁通放大电路11将被测磁通信号Φ放大并转换为响应磁通信号Φ12。
[0111] 进一步包括：利用第一级超导量子干涉器SQD1将被测磁通信号Φ通过转化为电压信号，再经转换电阻R1转换为电流，再基于转换线圈L1将电流转换为幅度放大的响应磁通信号Φ12。
[0112] 步骤S2：基于SQUID磁通检测电路12将所述响应磁通信号Φ12线性转换为检测电压信号VFLL2。
[0113] 进一步包括：利用磁通锁定环路构成磁通-电压线性转换的SQUID磁通检测电路12，将所述响应磁通信号Φ12线性转换为检测电压信号VFLL2。
[0114] 步骤S3：基于第一SQUID磁通锁定环路13根据所述检测电压信号VFLL2输出与所述被测磁通信号Φ成比例的响应电压信号VFLL1，并将所述响应电压信号VFLL1转换为磁通信号耦合至所述SQUID磁通放大电路11。
[0115] 步骤S4：基于最佳工作点锁定电路14监测并调控所述检测电压信号VFLL2，输出第一环路控制信号CTL2确保所述第二SQUID磁通锁定环路121稳定在预设工作点上；待所述第二SQUID磁通锁定环路121稳定在预设工作点上且稳定工作后输出第一环路控制信号CTL1控制所述第一SQUID磁通锁定环路13无冲击锁定。
[0116] 具体地，如图8所示，所述SQUID磁通放大电路11的磁通-磁通传输特性为周期性的类正弦波，所述SQUID磁通检测电路12通过磁通锁定环路形成线性的磁通-电压传输特性，两者级联后输出的磁通-电压传输特性是具有直流偏移的多组特性曲线，受其工作点变动而变化，存在传输特性多值现象，其中输出波形的幅度正负均衡的b点是最佳工作点，因此b点为预设工作点。微调所述SQUID磁通检测电路12中的直流磁通量，使得所述响应磁通信号Φ12的幅度相对于工作点b正负均衡，在本实施例中，所述可调偏置电压Vb1的磁通调节范围是1个磁通量子。
[0117] 具体地，基于第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141监测所述检测电压信号VFLL2以控制所述第二SQUID磁通锁定环路121的积分和放电操作。当所述检测电压信号VFLL2大于第二参考电压V2时，说明该环路没有锁定在预设的工作点上，所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141的输出控制第二SQUID磁通锁定环路121中的积分器开始放电，直到积分器电压降至设定第一参考电压V1时，所述第二SQUID磁通锁定环路121工作点调控电路141改变输出，使得第二SQUID磁通锁定环路121中的积分器重新积分，如此反复，直到所述第二SQUID磁通锁定环路121锁定在预设的工作点上，其输出幅度将不会超过所述第二参考电压V2，控制电路停止对所述第二积分器的控制，所述第二SQUID磁通锁定环路121保持稳定工作。
[0118] 其中，所述第二参考电压V2根据所述响应磁通信号Φ12的幅度来确定。如图8所示，所述第二参考电压V2的设置要求使得工作点b对所述磁通信号的响应电压在所述第二参考电压V2范围内。所述第二参考电压V2比所述响应电压信号VFLL1(图中b所示波形)的幅度适当大一点，但不要超过一个磁通量子对应的电压值，这样在预设工作点上，才不会触发积分器放电，即第二参考电压V2满足如下关系： 其中，k为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压转换系数， 为所述响应磁通信号的幅度，Φ0为一个磁通量子。当所述SQUID磁通检测电路12在其他工作点上锁定时，输出直流电压与预设工作点的锁定输出相差整数个磁通量子，因此输出信号必然会超过所述第二参考电压V2，因此触发积分器放电，从而使得所述SQUID磁通检测电路12发生工作点跳变，直到磁通-锁定环路锁定在了预设的工作点上。这种设置就使得只有工作点b对应的输出响应不会超出所述第二参考电压V2限定的电压范围，而临近的工作点a和c对应的输出响应则必然超出边界，这样就可以出发控制电路进行工作点的重新调整。因此上述电路完成了工作点的调控，使得磁通-锁定环路锁定在唯一预设的工作点上。这样就可以控制第二SQUID磁通锁定环路的锁定时机，确保级联后的工作零点时两个SQUID具有最大磁通-电压转换系数工作点的级联，实现了最大的磁通电压转换系数，在该工作点上锁定后形成的总的磁通锁定环性能时最佳的。也即通过这种控制后，实现锁定的双级SQUID磁传感器达到了最好的性能，也使得该性能是可操作，明确的，使得双级SQUID磁传感器具备了可操作性。
[0119] 其中，所述第一参考电压V1与所述第二参考电压V2的电压值相差正好一个磁通量子Φ0对应的电压。所述检测电压信号VFLL2与所述被测磁通信号Φ成正比，即VFLL2＝k·Φ12，因此一个磁通量子对应的电压是ΔV＝k·Φ0，因此所述第一参考电压V1＝V2-kΦ0。系数k为所述SQUID磁通检测电路实现的线性磁通-电压转换系数，所述SQUID磁通检测电路锁定后，其输出电压与输入磁通的关系是：VFLL2＝k·Φ12，该系数k即为所述SQUID磁通检测电路的磁通-电压线性转换系数。
[0120] 所述第二SQUID磁通锁定环路121的调节过程如下：当工作点锁定在工作点a时，所述检测电压信号VFLL的正电压将会超过所述第二参考电压V2，所述第二SQUID磁通锁定环路121工作点调控电路141控制所述第二SQUID磁通锁定环路121中的积分器放电，工作点a切换到设定的最佳工作点b上，如图16所示；同理，当工作点锁定在工作点c时，所述检测电压信号VFLL的负电压将会超过所述第二参考电压V2，所述第二SQUID磁通锁定环路121工作点调控电路141控制所述第二SQUID磁通锁定环路121中的积分器放电，工作点c切换到设定的最佳工作点b上，如图17所示。
[0121] 具体地，基于第一SQUID磁通锁定环路锁定控制电路142选择时机在冲击最小的情况下将第一SQUID磁通锁定环路13锁定，消除对已锁定的第二SQUID磁通锁定环路121的影响，实现平稳锁定。同时在锁定工作的过程中，通过实时监测第二SQUID磁通锁定环路121的输出，判断传感器环路是否受到冲击扰动偏离最佳工作点，如果出现工作点偏离，将通过解锁第一SQUID磁通锁定环路13，重新开始锁定，避免环路锁定到次优工作点。所述第二SQUID磁通锁定环路121在最佳工作点上时，所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141的输出端不再输出所述第二积分器的放电信号，代表所述第二SQUID磁通锁定环路121已经在预设工作点上稳定工作。所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141的输出接所述第一SQUID磁通锁定环路13锁定控制电路中的解锁逻辑，当解锁逻辑有效时，经过定时保持后，送入所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块1425中，所述第一SQUID磁通锁定环路锁定控制模块1425的锁定逻辑被使能，比较器电路检测所述检测电压信号VFLL，当所述检测电压信号VFLL小于第三参考电压V3时，所述第二SQUID磁通锁定环路121工作点调控电路141控制所述第一SQUID磁通锁定环路13中的积分器开始积分，所述第一SQUID磁通锁定环路13开始锁定工作，若锁定成功，所述第一SQUID磁通锁定环路13始终跟踪抵消所述被测磁通信号Φ的变化，则所述检测电压信号VFLL2始终小于第三参考电压V3。同时比较电路实时监测所述检测电压信号VFLL2，当锁定失败时，所述检测电压信号VFLL2超过所述第四参考电压V4，说明环路工作不稳定，发生了异常，比较器输出驱动解锁逻辑，使得所述第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路141控制所述第一SQUID磁通锁定环路13中的积分器放电，停止积分，环路解锁。直到重新满足锁定条件，经定时保持后，锁定逻辑重新使能，确保所述第二SQUID磁通锁定环路121有充足时间恢复到预设工作点，重复上述的操作。
[0122] 其中，所述第三参考电压V3和所述第四参考电压V4的设置用于确定第一SQUID磁通锁定环路13开闭环的时机，为了实现无冲击锁定，所述第三参考电压V3应尽量接近0，在本实施例中，优选地，将所述第三参考电压V3设定为 所述第四参考电压V4设定为所述第三参考电压V3和所述第四参考电压V4的具体值根据具体应用决定，不以本实施例为限。
[0123] 本发明的SQUID磁传感器的最佳工作点锁定方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是本领域技术人员利用现有技术对本发明所述方案的变形都包括在本发明的保护范围内。
[0124] 为了实现最佳工作点锁定，本发明方案在第二SQUID的磁通锁定环路中引入了第二SQUID磁通锁定环路工作点调控电路，对第二SQUID磁通锁定环路调控，使其锁定在预设的固定工作点上，这样就将第一级超导量子干涉器的响应的直流偏移固定下来。完成这个工作后，再锁定第一SQUID磁通锁定环路，即整个SQUID磁通锁定环路，当整个双级SQUID磁通锁定环路稳定锁定时，整个SQUID传感器就工作在最佳工作点上。
[0125] 综上所述，本发明提供一种SQUID磁传感器及其最佳工作点锁定方法，包括被测磁通信号放大并转换为响应磁通信号的SQUID磁通放大电路；将响应磁通信号线性转换为检测电压信号的SQUID磁通检测电路；根据检测电压信号输出与所述被测磁通信号成比例的响应电压信号，并将响应电压信号转换为磁通信号耦合至SQUID磁通放大电路的第一SQUID磁通锁定环路；监测检测电压信号，并控制所述第二SQUID磁通锁定环路稳定在预设工作点上，之后控制信号控制所述第一SQUID磁通锁定环路无冲击锁定的最佳工作点锁定电路。本发明的SQUID磁传感器及最佳工作点锁定方法引入了一套自动锁定电路，能使整个双级SQUID电路锁定在最佳工作点上，且有电路自动完成锁定，无需人为选择工作点和锁定时机，操作简单。通过本方案，双级SQUID磁传感器可以像普通SQUID磁传感器一样操作，操作简单，使得高性能的双级SQUID磁传感器得以实用化。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。
[0126] 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。
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