高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器及探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器及探測(cè)方法，包括產(chǎn)生環(huán)路輸出電壓的磁通鎖定電路；檢測(cè)環(huán)路輸出電壓的電壓檢測(cè)電路；根據(jù)環(huán)路輸出電壓調(diào)節(jié)偏置電壓的可控偏置電壓電路；以及對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器電路?；诖磐ㄦi定電路輸出與被測(cè)磁通成比例的環(huán)路輸出電壓；根據(jù)環(huán)路輸出電壓的狀態(tài)偏置電壓，使磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)；對(duì)偏置電壓的跳變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)；最終合成環(huán)路輸出電壓及計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)大量程的探測(cè)。本發(fā)明只改變偏置電壓值，不破壞原有傳感器的傳輸特性；偏置電壓值根據(jù)環(huán)路的響應(yīng)特性靈活調(diào)整，電路輸出歸零的速度達(dá)到最快；歸零控制由狀態(tài)切換電路完成，消除誤計(jì)數(shù)。
【專利說(shuō)明】
高速大量程的超導(dǎo)量子干潰器磁傳感器及探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微弱磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁 傳感器及探測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用超導(dǎo)量子干設(shè)器件（Superconducting 如antum Inte;rference Device, W下 簡(jiǎn)稱S卵ID)的傳感器是目前已知的最靈敏的磁傳感器。廣泛應(yīng)用于屯、磁、腦磁、極低場(chǎng)核磁 共振等極微弱磁信號(hào)探測(cè)和科學(xué)研究中。由于其采用微電子工藝，在多通道、高分辨率、集 成化高端應(yīng)用系統(tǒng)中具有不可替代的作用。
[0003] S卵ID器件是由兩個(gè)超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成的超導(dǎo)環(huán)，將結(jié)的兩端引出形成一 個(gè)兩端子的無(wú)源器件。當(dāng)給SQUID注入一定的偏置電流后，S卵ID兩端電壓將隨著其感應(yīng)的 磁通呈周期變化，周期正好為一個(gè)磁通量子O〇( O0 = 2.07 X 10-15韋伯），如圖1所示。S卵ID 磁傳感器是基于磁通鎖定環(huán)路(Flux-Locked Loop,簡(jiǎn)稱化L)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)電壓的線性轉(zhuǎn)換， 如圖2所示。化L電路選用SQUI郵茲通電壓傳輸特性曲線中磁通電壓轉(zhuǎn)換斜率最大的點(diǎn)作為 工作點(diǎn)，如圖1中標(biāo)記為w0、wl、w2等為工作點(diǎn)，運(yùn)些工作點(diǎn)周期分布，因此工作點(diǎn)之間間隔 一個(gè)磁通量子巫0。
[0004] 上述化L電路在不同工作點(diǎn)下工作的輸入磁通與輸出電壓的傳輸特性曲線如圖3 所示，每一個(gè)工作點(diǎn)下對(duì)應(yīng)一條傳輸特性曲線，每條曲線之間正好相差一個(gè)磁通量子的磁 通和對(duì)應(yīng)的電壓。在某個(gè)固定工作點(diǎn)下的FLL電路，由于其輸出電壓限制(通常為±10V)，因 此可測(cè)量的磁通范圍是有限的（如圖3中陰影部分）。而SQUID實(shí)際能感應(yīng)的磁通遠(yuǎn)大于該測(cè) 量范圍。
[0005] 為了S卵ID器件性能，擴(kuò)大SQUI郵茲傳感器性能，目前采用工作點(diǎn)切換，配合磁通量 子計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)大量程的測(cè)量。即，當(dāng)在某個(gè)工作點(diǎn)下，測(cè)量磁通正好達(dá)到N個(gè)(60，其中， N為± 1，± 2…的整數(shù)。將化L電路輸出置零，并重新開(kāi)始鎖定，此時(shí)的化L電路將切換到與之 前相差N ? 0的工作點(diǎn)上從零開(kāi)始鎖定輸出。通過(guò)上述切換，記錄工作點(diǎn)跳躍的對(duì)應(yīng)? 0的變 化量及在化L電路正常鎖定的輸出，即可得知當(dāng)前被測(cè)磁通的大小。
[0006] 通過(guò)上述方法，將SQUID磁傳感器的磁通測(cè)量范圍擴(kuò)大到了 S卵ID所能感應(yīng)的磁通 范圍，因此測(cè)量能力大大提升。實(shí)現(xiàn)了大量程的S卵I郵茲傳感器。
[0007] 但是，采用上述工作點(diǎn)切換方法實(shí)現(xiàn)的大量程SQUID磁傳感器在實(shí)際應(yīng)用中存在 W下幾個(gè)問(wèn)題：
[000引1、采用復(fù)位歸零后再重新鎖定的切換過(guò)程，在歸零和重新鎖時(shí)刻，存在過(guò)沖和振 蕩現(xiàn)象，如圖4及圖5所示，圖5為圖4虛線框內(nèi)的局部放大圖。
[0009] 尤其是在磁通鎖定環(huán)化L中使用積分器的電路中，在復(fù)位時(shí)，要將積分器電容中的 電荷快速放電歸零，因而產(chǎn)生很大的電流，對(duì)復(fù)位開(kāi)關(guān)和運(yùn)算放電器造成很大的沖擊，易造 成電路損壞。如果控制放電電流，則放電時(shí)間延長(zhǎng)，切換速度不夠快。
[0010] 2、傳感器工作點(diǎn)切換速度不夠快，傳統(tǒng)復(fù)位電路的復(fù)位曲線是指數(shù)下降函數(shù)，因 此復(fù)位越到后期時(shí)間越長(zhǎng)，W至于出現(xiàn)漏計(jì)數(shù)或誤計(jì)數(shù)的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種高速大量程的超導(dǎo)量 子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中SQUI郵茲傳感器的磁通測(cè)量范圍增大 后存在的過(guò)沖、振蕩W及誤計(jì)數(shù)等問(wèn)題。
[0012] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器 磁傳感器，所述高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器至少包括：
[0013] 磁通鎖定電路、電壓檢測(cè)電路、可控偏置電壓電路及計(jì)數(shù)器電路；
[0014] 所述磁通鎖定電路對(duì)被測(cè)磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被測(cè)磁通成比例的環(huán)路輸 出電壓;所述磁通鎖定電路包括SQUID超導(dǎo)環(huán)、連接于所述SQUID超導(dǎo)環(huán)輸出端的運(yùn)算放大 器、依次連接于所述運(yùn)算放大器輸出端的反饋電阻及反饋線圈；
[0015] 所述電壓檢測(cè)電路連接于所述磁通鎖定電路的輸出端，對(duì)所述環(huán)路輸出電壓的數(shù) 值進(jìn)行檢測(cè)；
[0016] 所述可控偏置電壓電路連接于所述電壓檢測(cè)電路，根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓調(diào)節(jié)偏 置電壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)；
[0017] 所述計(jì)數(shù)器電路連接于所述可控偏置電壓電路，根據(jù)所述可控偏置電壓電路的跳 變狀態(tài)進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)。
[0018] 優(yōu)選地，所述電壓檢測(cè)電路分別將所述環(huán)路輸出電壓與第一參考電壓、第二參考 電壓及參考零電壓進(jìn)行比較;其中，第一參考電壓為輸入磁通為第一數(shù)量n個(gè)磁通量子時(shí)對(duì) 應(yīng)的電壓，第二參考電壓為所述第一參考電壓的負(fù)數(shù)，所述第一數(shù)量n為自然數(shù)。
[0019] 更優(yōu)選地，所述電壓檢測(cè)電路包括四個(gè)比較器，第一比較器的正相輸入端連接所 述第一參考電壓、反相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓，第二比較器的正相輸入端連接所述 環(huán)路輸出電壓、反相輸入端接地，第=比較器的正相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓、反相輸 入端連接所述第二參考電壓，第四比較器的正相輸入端接地、反相輸入端連接所述環(huán)路輸 出電壓。
[0020] 更優(yōu)選地，所述可控偏置電壓電路包括狀態(tài)觸發(fā)模塊及分壓網(wǎng)絡(luò)模塊;其中，所述 狀態(tài)觸發(fā)模塊連接所述電壓檢測(cè)電路的輸出端，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓大于所述第一參考電 壓時(shí)跳變至第一工作狀態(tài)，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓小于所述第二參考電壓時(shí)跳變至第二工作 狀態(tài)，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓歸零后跳變至第=工作狀態(tài);所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊連接所述狀態(tài) 觸發(fā)模塊，受所述狀態(tài)觸發(fā)模塊的控制，在所述第一工作狀態(tài)時(shí)輸出第一偏置電壓，在所述 第二工作狀態(tài)時(shí)輸出第二偏置電壓，在所述第=工作狀態(tài)時(shí)輸出第=偏置電壓，所述第一 偏置電壓的值大于所述SQUID超導(dǎo)環(huán)的最大輸出電壓，所述第二偏置電壓的值小于所述 SQUID超導(dǎo)環(huán)的最小輸出電壓，所述第S偏置電壓為所述SQUID超導(dǎo)環(huán)工作點(diǎn)處的偏置電 壓。
[0021] 更優(yōu)選地，所述狀態(tài)觸發(fā)模塊包括第一觸發(fā)器及第二觸發(fā)器，所述第一觸發(fā)器的 置位端連接所述第一比較器的輸出端，復(fù)位端連接所述第二比較器的輸出端;所述第二觸 發(fā)器的置位端連接所述第=比較器的輸出端，復(fù)位端連接所述第四比較器的輸出端。
[0022] 更優(yōu)選地，所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊包括連接所述運(yùn)算放大器輸入端的第一~四電阻， 所述第一電阻的另一端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)連接第一偏置電壓，所述第二電阻的另一端通過(guò)第二 開(kāi)關(guān)連接第二偏置電壓，所述第=電阻的另一端連接第=偏置電壓，所述第四電阻的另一 端接地。
[0023] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明還提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè) 器探測(cè)方法，所述高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器探測(cè)方法至少包括：
[0024] 基于一磁通鎖定電路對(duì)被測(cè)磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被測(cè)磁通成比例的環(huán)路 輸出電壓；
[0025] 對(duì)所述環(huán)路輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓的狀態(tài)調(diào)整所述磁通鎖定 電路的偏置電壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)；
[0026] 對(duì)所述偏置電壓的跳變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)；
[0027] 最終通過(guò)合成所述環(huán)路輸出電壓及計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)大量程的探測(cè)。
[0028] 優(yōu)選地，通過(guò)將所述環(huán)路輸出電壓與第一參考電壓、第二參考電壓及參考零電壓 進(jìn)行比較來(lái)確定所述偏置電壓的輸出值，其中，所述第一參考電壓為輸入磁通為第一數(shù)量n 個(gè)磁通量子時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓，所述第二參考電壓為所述第一參考電壓的負(fù)數(shù)，所述第一數(shù)量n 為自然數(shù)。
[0029] 更優(yōu)選地，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓大于所述第一參考電壓時(shí)，跳變至第一工作狀態(tài)， 則所述偏置電壓大于所述SQUID超導(dǎo)環(huán)的最大輸出電壓，所述環(huán)路輸出電壓逐漸下降歸零； 當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓小于所述第二參考電壓時(shí)，跳變至第二工作狀態(tài)，則所述偏置電壓小 于所述S卵ID超導(dǎo)環(huán)的最小輸出電壓，所述環(huán)路輸出電壓逐漸上升歸零；當(dāng)所述環(huán)路輸出電 壓歸零后，跳變至第S工作狀態(tài)，則所述偏置電壓為S卵ID超導(dǎo)環(huán)工作點(diǎn)處的偏置電壓。
[0030] 更優(yōu)選地，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓大于所述第一參考電壓時(shí)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)所述環(huán) 路輸出電壓小于所述第二參考電壓時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。
[0031] 如上所述，本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法，具有W 下有益效果：
[0032] 1、本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法只改變偏置電壓 值，不改變?cè)袀鞲衅麟娐返姆答亝?shù)，不會(huì)破壞原有傳感器電路的傳輸特性。
[0033] 2、本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法中偏置電壓值可 根據(jù)環(huán)路的響應(yīng)特性進(jìn)行靈活調(diào)整，其歸零過(guò)程是線性函數(shù)型的，歸零時(shí)間短，通過(guò)參數(shù)調(diào) 節(jié)，可使得電路輸出歸零的速度達(dá)到最快，而傳統(tǒng)的復(fù)位電路存受充放電時(shí)間參數(shù)限制，其 性質(zhì)是指數(shù)衰減函數(shù)型的，輸出到零時(shí)間長(zhǎng)，因此切換過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)由于放電沖擊，容 易出現(xiàn)過(guò)沖和振蕩。
[0034] 3、本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法的歸零控制由狀 態(tài)切換電路完成，狀態(tài)控制確保電路觸發(fā)工作點(diǎn)發(fā)生跳變到跳變完成，實(shí)時(shí)跟蹤鎖定磁通 鎖定環(huán)路的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)磁通鎖定環(huán)路完整的復(fù)位及退出流程，確保不會(huì)出現(xiàn)誤計(jì)數(shù)。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的S卵I郵茲通-電壓傳輸特性曲線示意圖。
[0036] 圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的磁通鎖定環(huán)路示意圖。
[0037] 圖3顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的磁通鎖定環(huán)路的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。
[0038] 圖4顯示為現(xiàn)有技術(shù)中采用復(fù)位歸零后再重新鎖定的切換過(guò)程中過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象 的示意圖。
[0039] 圖5顯示為現(xiàn)有技術(shù)中過(guò)沖和振蕩現(xiàn)象的局部放大示意圖。
[0040] 圖6顯示為本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器的原理示意圖。
[0041] 圖7顯示為本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042] 圖8顯示為本發(fā)明的狀態(tài)機(jī)原理示意圖。
[0043] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0044] 1 高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器
[0045] 11 磁通鎖定電路
[0046] 111 運(yùn)算放大器
[0047] 12 電壓檢測(cè)電路
[004引13 可控偏置電壓電路
[0049] 131 狀態(tài)觸發(fā)模塊
[00加]132 分壓網(wǎng)絡(luò)模塊
[0051] 14 計(jì)數(shù)器電路
[0化2] Sl~S4 步驟
【具體實(shí)施方式】
[0053] W下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū) 所掲露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可W通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加W實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可W基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0054] 請(qǐng)參閱圖6~圖8。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅W示意方式說(shuō)明本 發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)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。
[0055] 如圖6~圖7所示，本發(fā)明提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器1，所述 高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器1至少包括：
[0056] 磁通鎖定電路11、電壓檢測(cè)電路12、可控偏置電壓電路13及計(jì)數(shù)器電路14。
[0057] 如圖6~圖7所示，所述磁通鎖定電路11對(duì)被測(cè)磁通〇6進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被 測(cè)磁通O e成比例的環(huán)路輸出電壓Vf。
[005引具體地，所述磁通鎖定電路11包括SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl、運(yùn)算放大器111、反饋電阻Rf 及反饋線圈L1。所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl及所述反饋線圈Ll構(gòu)成四端子SQUID器件。所述SQUID 超導(dǎo)環(huán)SQl的一端接地、另一端連接所述運(yùn)算放大器111的第一輸入端，如圖7所示，在本實(shí) 施例中，所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl連接所述運(yùn)算放大器111的正相輸入端。所述運(yùn)算放大器111 的第二輸入端連接所述可控偏置電壓電路13,如圖7所示，在本實(shí)施例中，所述可控偏置電 壓電路13連接所述運(yùn)算放大器111的反相輸入端。所述反饋電阻Rf的一端連接所述運(yùn)算放 大器111的輸出端、另一端連接所述反饋線圈L1。所述反饋線圈Ll的另一端接地。如圖7所 示，在本實(shí)施例中，所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl的輸出端還連接一SQUID偏置電路，包括一端接地 的偏置電壓Vbi，其另一端通過(guò)偏置電阻Rbi連接至所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl的輸出端，與所述 S卵ID超導(dǎo)環(huán)SQl構(gòu)成偏置回路，向所述S卵ID超導(dǎo)環(huán)SQl提供偏置電流Ib,使得所述SQUID超 導(dǎo)環(huán)SQl表現(xiàn)最佳的磁通-電壓轉(zhuǎn)換特性。
[0059] 如圖6~圖7所示，所述電壓檢測(cè)電路12連接于所述磁通鎖定電路11的輸出端，對(duì) 所述環(huán)路輸出電壓Vf的數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)。
[0060] 具體地，所述電壓檢測(cè)電路12分別將所述環(huán)路輸出電壓Vf與第一參考電壓Vref、第 二參考電壓-Vref及參考零電壓進(jìn)行比較。其中，第一參考電壓Vref為輸入磁通為第一數(shù)量n 個(gè)磁通量子時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓，即
n為一設(shè)定的自然數(shù)，O0為一個(gè)磁通量子，Rf 為所述反饋電阻Rf的阻值，Mf為所述反饋線圈Ll與所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl的互感;第二參考電 壓-Vref為所述第一參考電壓Vref的負(fù)數(shù)。在本實(shí)施例中，采用型號(hào)LM311，正負(fù)兩個(gè)電壓輸 入，輸出為T(mén)ll電平兼容的邏輯信號(hào)，當(dāng)正端電壓大于負(fù)端電壓時(shí)，比較器輸出為高電平;反 之當(dāng)比較器正端電壓小于負(fù)端輸入電壓時(shí)，比較器輸出為低電平。如圖7所示，所述電壓檢 測(cè)電路12包括四個(gè)比較器，第一比較器ICl的正相輸入端連接所述第一參考電壓Vref、反相 輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓Vf,第二比較器IC2的正相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓Vf、 反相輸入端接地，第=比較器IC3的正相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓Vf、反相輸入端連接 所述第二參考電壓-Vref,第四比較器IC4的正相輸入端接地、反相輸入端連接所述環(huán)路輸出 電壓Vf。所述第一比較器ICl實(shí)現(xiàn)所述環(huán)路輸出電壓Vf與所述第一參考電壓Vref的比較，當(dāng)所 述環(huán)路輸出電壓Vf電壓大于所述第一參考電壓Vref時(shí)，所述第一比較器ICl輸出低電平，反 之輸出高電平。所述第二比較器IC2實(shí)現(xiàn)所述環(huán)路輸出電壓Vf與參考零電壓的比較，當(dāng)所述 環(huán)路輸出電壓Vf電壓小于0時(shí)，所述第二比較器IC2輸出低電平，反之輸出高電平。所述第= 比較器IC3實(shí)現(xiàn)所述環(huán)路輸出電壓Vf與所述第二參考電壓-Vref的比較，當(dāng)所述環(huán)路輸出電 壓Vf小于所述第二參考電壓-Vref時(shí)，所述第S比較器IC3輸出低電平，反之輸出高電平。所 述第四比較器IC4實(shí)現(xiàn)所述環(huán)路輸出電壓Vf與參考零電壓的比較，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf電 壓大于加寸，所述第四比較器IC4輸出低電平，反之輸出高電平。
[0061] 如圖6~圖7所示，所述可控偏置電壓電路13連接于所述電壓檢測(cè)電路12,根據(jù)所 述環(huán)路輸出電壓Vf調(diào)節(jié)偏置電壓，使所述磁通鎖定電路11歸零后重新鎖定工作點(diǎn)。
[0062] 具體地，如圖7所示，所述可控偏置電壓電路13包括狀態(tài)觸發(fā)模塊131及分壓網(wǎng)絡(luò) 模塊132。
[0063] 更具體地，如圖7所示，所述狀態(tài)觸發(fā)模塊131連接所述電壓檢測(cè)電路12的輸出端， 包括第一觸發(fā)器IC5-1及第二觸發(fā)器IC5-2,所述第一觸發(fā)器IC5-1的置位端連接所述第一 比較器ICl的輸出端，復(fù)位端連接所述第二比較器IC2的輸出端;所述第二觸發(fā)器IC5-2的置 位端連接所述第=比較器IC3的輸出端，復(fù)位端連接所述第四比較器IC4的輸出端;所述第 一觸發(fā)器IC5-1及所述第二觸發(fā)器IC5-2的時(shí)鐘端化K和數(shù)據(jù)輸入端D均接地。在本實(shí)施例 中，所述第一觸發(fā)器IC5-1及所述第二觸發(fā)器IC5-2為D型觸發(fā)器711S74,任意可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 的狀態(tài)跳變的觸發(fā)器或電路結(jié)構(gòu)均適用于本發(fā)明，不W本實(shí)施例為限。D型觸發(fā)器711S74的 真值表如下：
[0064]
[0065] 當(dāng)置位端為低電平時(shí)，輸出端Q被置位為I;當(dāng)復(fù)位端為低電平時(shí)，輸出端 Q被清為0，；當(dāng)置位端遠(yuǎn)^和復(fù)位端瓦^(guò)均為高電平時(shí)，輸出端Q保持前一狀態(tài)不變。由此構(gòu) 成狀態(tài)機(jī)：
[0066] 1)當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf大于所述第一參考電壓化ef時(shí)，所述第一觸發(fā)器IC5-1 的輸出將被置位1。
[0067] 2)當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf小于加寸，所述第一觸發(fā)器IC5-1的輸出將被清0。
[0068] 3)當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf小于所述第二參考電壓-化ef時(shí)，所述第二觸發(fā)器IC5-2 的輸出將被置位1。
[0069] 4)當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf大于加寸，所述第二觸發(fā)器IC5-2的輸出將被清0。
[0070] 所述第一觸發(fā)器IC5-1及所述第二觸發(fā)器IC5-2的輸出組合表征狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)： [0071 ]第一工作狀態(tài)Sl:對(duì)應(yīng)兩個(gè)觸發(fā)器組合輸出為10;第二工作狀態(tài)S2:對(duì)應(yīng)兩個(gè)觸發(fā) 器組合輸出為01;第=工作狀態(tài)SO:對(duì)應(yīng)兩個(gè)觸發(fā)器組合輸出00。即，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓 Vf大于所述第一參考電壓Vref時(shí)跳變至第一工作狀態(tài)SI,當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf小于所述第 二參考電壓-Vref時(shí)跳變至第二工作狀態(tài)S2,當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf歸零后跳變至第S工作 狀態(tài)so。
[0072] 更具體地，所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊132連接所述狀態(tài)觸發(fā)模塊131，在所述第一工作狀 態(tài)Sl時(shí)，所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊132輸出第一偏置電壓VI，所述第一偏置電壓Vl的值大于所述 S卵ID超導(dǎo)環(huán)SQl的最大輸出電壓，可根據(jù)實(shí)際情況做具體設(shè)定;在所述第二工作狀態(tài)S2時(shí)， 所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊132輸出第二偏置電壓V2,所述第二偏置電壓V2的值小于所述SQUID超導(dǎo) 環(huán)SQl的最小輸出電壓;在所述第=工作狀態(tài)SO時(shí)，所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊132輸出第=偏置電 壓V0,所述第=偏置電壓VO為所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl工作點(diǎn)處的偏置電壓。所述狀態(tài)觸發(fā)模 塊131對(duì)所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊132中的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，W實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)下不同偏置電壓的 輸出，任意可實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下輸出相應(yīng)偏置電壓的電路均適用于本發(fā)明，不W本實(shí)施例為 限。如圖7所示，在本實(shí)施例中，包括連接所述運(yùn)算放大器111反相輸入端的第一~四電阻， 所述第一電阻Roi的另一端通過(guò)第一開(kāi)關(guān)SWl連接第一偏置電壓Vos,所述第二電阻R02的另一 端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)SW2連接第二偏置電壓-Vos,所述第S電阻R03的另一端連接第S偏置電壓 Voo,所述第四電阻R04的另一端接地。偏置電壓來(lái)自所述第四電阻R04上的電壓，所述第四電 阻R04的阻值與所述S卵ID超導(dǎo)環(huán)SQl在工作點(diǎn)處的直流電阻相當(dāng)，選取1~10歐姆。第一~S 電阻Roi、R02、R03的取值大于所述第四電阻R04。加載在所述第四電阻Ro止電壓來(lái)自立路：
[0073] 所述第=偏置電壓Voo驅(qū)動(dòng)所述第=電阻R03產(chǎn)生電流流入所述第四電阻R04,產(chǎn)生 偏置電壓記為VO:
[0074] 當(dāng)所述第一觸發(fā)器IC5-1的輸出為高電平I時(shí)，該輸出控制所述第一開(kāi)關(guān)SWl閉合， 導(dǎo)通所述第一偏置電壓Vos,所述第一偏置電壓Vos驅(qū)動(dòng)所述第一電阻Roi產(chǎn)生電流流入所述 第四電阻R04,和所述第S偏置電壓Voo在所述第四電阻R04上產(chǎn)生的電壓綜合記為VI:
[0075]
[0076] 同理，當(dāng)所述第二觸發(fā)器IC5-2的輸出為高電平1時(shí)，該輸出控制所述第二開(kāi)關(guān)SW2 閉合，導(dǎo)通所述第二偏置電壓-Vos,所述第二偏置電壓-Vos驅(qū)動(dòng)所述第二電阻R02產(chǎn)生電流流 入所述第四電阻R04,和所述第S偏置電壓Voo在所述第四電阻R04上產(chǎn)生的電壓綜合記為 V2：
[0077]
(R〇i、R〇2取值是相同的，運(yùn)樣產(chǎn)生的正負(fù)偏壓幅度相 同）
[0078] 因此根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓Vf形成狀態(tài)機(jī)，依據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)不同偏置電 壓值輸出。
[0079] 當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf輸出為正，并達(dá)到所述第一參考電壓Vref時(shí)，所述第一比較 器ICl觸發(fā)所述第一觸發(fā)器IC5-1的置位端，所述第一觸發(fā)器IC5-1的輸出為1，所述第一開(kāi) 關(guān)SWl閉合，所述可控偏置電壓電路13輸入到所述運(yùn)算放大器111反相輸入端的電壓為第一 偏置電壓VI，所述環(huán)路輸出電壓Vf開(kāi)始反相歸零。在輸出歸零過(guò)程中，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓 Vf小于0時(shí)，所述第一觸發(fā)器IC5-1的復(fù)位端被所述第二比較器IC2觸發(fā)，所述第一觸發(fā)器 I巧-1的輸出為0,所述第一開(kāi)關(guān)SWl斷開(kāi)，所述可控偏置電壓電路13恢復(fù)輸出第S偏置電壓 V0,所述磁通鎖定電路11重新鎖定工作，完成一次工作點(diǎn)切換。
[0080] 同理，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf輸出為負(fù)，并達(dá)到所述第二參考電壓-Vref時(shí)，所述第 =比較器IC3觸發(fā)所述第二觸發(fā)器IC5-2的置位端，所述第二觸發(fā)器IC5-2的輸出為1，所述 第二開(kāi)關(guān)SW2閉合，所述可控偏置電壓電路13輸入到所述運(yùn)算放大器111反相輸入端的電壓 為第二偏置電壓V2,所述環(huán)路輸出電壓Vf開(kāi)始反相歸零。在輸出歸零過(guò)程中，當(dāng)所述環(huán)路輸 出電壓Vf大于加寸，所述第二觸發(fā)器IC5-2的復(fù)位端被所述第四比較器IC4觸發(fā)，所述第二觸 發(fā)器IC5-2的輸出為0,所述第二開(kāi)關(guān)SW2斷開(kāi)，所述可控偏置電壓電路13恢復(fù)輸出第=偏置 電壓V0,所述磁通鎖定電路11重新鎖定工作，完成一次工作點(diǎn)切換。
[0081] 如圖6~圖7所示，所述計(jì)數(shù)器電路14連接于所述可控偏置電壓電路13,根據(jù)所述 可控偏置電壓電路13的跳變狀態(tài)進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)。
[0082] 具體地，如圖7所示，所述第一觸發(fā)器IC5-1的輸出端連接所述計(jì)數(shù)器電路14的第 一時(shí)鐘端CLKl，作為所述磁通鎖定電路11正向工作點(diǎn)切換的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)；同理，所述第二 觸發(fā)器IC5-2的輸出端連接所述計(jì)數(shù)器電路14的第二時(shí)鐘端化K2,作為所述磁通鎖定電路 11負(fù)向工作點(diǎn)切換的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。運(yùn)兩個(gè)脈沖信號(hào)分別輸入可加減計(jì)數(shù)器的加和減的時(shí) 鐘輸入，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果為總的工作點(diǎn)切換對(duì)應(yīng)的磁通量子數(shù)。
[0083] 所述計(jì)數(shù)器電路14的輸出值Dnut和所述環(huán)路輸出電壓Vf,可合成最后總的被測(cè)磁 場(chǎng)輸出，由于磁通計(jì)數(shù)的范圍可W很大，因此本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的磁傳感器具有傳統(tǒng)磁傳感器無(wú) 法實(shí)現(xiàn)的大量程。
[0084] 如圖6~圖8所示，本發(fā)明還提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器探測(cè)方法，在 本實(shí)施例中基于所述高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器1實(shí)現(xiàn)，所述探測(cè)方法至少包 括：
[0085] 步驟SI:基于一磁通鎖定電路對(duì)被測(cè)磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被測(cè)磁通成比 例的環(huán)路輸出電壓。
[0086] 具體地，如圖6~圖7所示，所述S卵ID超導(dǎo)環(huán)SQl對(duì)被測(cè)磁通Oe進(jìn)行檢測(cè)，并產(chǎn)生 相應(yīng)的電壓信號(hào)，S卵ID偏置電路向所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl提供偏置電流Ib,使得所述SQUID 超導(dǎo)環(huán)SQl表現(xiàn)最佳的磁通-電壓轉(zhuǎn)換特性。所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl和所述偏置電路13的輸出 信號(hào)送入所述運(yùn)算放大器111，所述運(yùn)算放大器111將電壓差進(jìn)行開(kāi)環(huán)放大輸出所述環(huán)路輸 出電壓Vf。所述環(huán)路輸出電壓Vf驅(qū)動(dòng)所述反饋電阻Rf產(chǎn)生反饋電流，通過(guò)所述反饋線圈與 所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl的互感Mf將反饋電流轉(zhuǎn)換成磁通禪合到所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl中，形成 完整的環(huán)路，通過(guò)工作點(diǎn)的鎖定使所述環(huán)路輸出電壓Vf與所述被測(cè)磁通〇6成比例。
[0087] 步驟S2:對(duì)所述環(huán)路輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓的狀態(tài)調(diào)整所述 磁通鎖定電路的偏置電壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)。
[0088] 具體地，通過(guò)所述環(huán)路輸出電壓Vf與第一參考電壓Vref、第二參考電壓-Vref及參考 零電壓進(jìn)行比較來(lái)確定所述偏置電壓的輸出值，其中，所述第一參考電壓為輸入磁通為第 一數(shù)量n個(gè)磁通量子時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓，即，
n為一設(shè)定的自然數(shù)，O0為一個(gè)磁通 量子，Rf為所述反饋電阻Rf的阻值，Mf為所述反饋線圈Ll與所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl的互感;所 述第二參考電壓-Vref為所述第一參考電壓Vref的負(fù)數(shù)。如圖8所示，通過(guò)所述環(huán)路輸出電壓 Vf的值控制狀態(tài)機(jī)，再由狀態(tài)機(jī)控制偏置電壓。所述狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行和狀態(tài)切換是根據(jù)所述 環(huán)路輸出電壓Vf的輸出值來(lái)確定，即：
[0089] 1)正常情況下，所述可控偏置電壓電路13工作在第=工作狀態(tài)S0,其偏置電壓輸 出為第S偏置電壓V0,所述環(huán)路輸出電壓Vf的范圍在所述第二參考電壓-Vref和所述第一參 考電壓Vref之間，即-VreKVKVref。所述第S偏置電壓VO的值與所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl工作點(diǎn) 處的電壓化相同。
[0090] 2)所述可控偏置電壓電路13工作在第=工作狀態(tài)SO下，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf大 于所述第一參考電壓Vref時(shí)，所述可控偏置電壓電路13由第=工作狀態(tài)SO進(jìn)入到第一工作 狀態(tài)SI,其偏置電壓輸出為第一偏置電壓VI。所述第一偏置電壓Vl大于所述SQUID超導(dǎo)環(huán) SQl的最大輸出電壓。所述運(yùn)算放大器111的輸入因偏置電壓高于所述S卵ID超導(dǎo)環(huán)SQl的輸 出電壓而發(fā)生反相變化，所述環(huán)路輸出電壓Vf下降到零。
[0091] 3)所述可控偏置電壓電路13工作在第一工作狀態(tài)Sl下，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf下 降小于零時(shí)，所述可控偏置電壓電路13切換到所述第=工作狀態(tài)S0,偏置電壓恢復(fù)輸出為 VOo
[0092] 4)所述可控偏置電壓電路13工作在第=工作狀態(tài)SO下，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf小 于所述第二參考電壓-Vref時(shí)，所述可控偏置電壓電路13由第=工作狀態(tài)SO切換到第二工作 狀態(tài)S2,其偏置電壓輸出為第二偏置電壓V2。所述第二偏置電壓V2小于所述SQUID超導(dǎo)環(huán) SQl的最小輸出電壓。因此，所述運(yùn)算放大器111的輸入因偏置電壓低于所述SQUID超導(dǎo)環(huán) SQl的輸出電壓而發(fā)生反相變化，所述環(huán)路輸出電壓Vf上升到零。
[0093] 5)所述可控偏置電壓電路13工作在第二工作狀態(tài)S2下，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf回 升到零時(shí)，所述可控偏置電壓電路13切換到所述第=工作狀態(tài)S0,偏置電壓恢復(fù)輸出為V0。
[0094] 如圖6~圖8所示，在本實(shí)施例中，通過(guò)所述電壓檢測(cè)電路12確定環(huán)路輸出電壓Vf 的電壓狀態(tài)，控制狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行，在第=工作狀態(tài)SO下，所述可控偏置電壓電路13的輸出電 壓VO正好為所述SQUID超導(dǎo)環(huán)SQl的工作點(diǎn)電壓，所述磁通鎖定電路11保持正常鎖定運(yùn)行， 在第一工作狀態(tài)Sl下，所述可控偏置電壓電路13的輸出電壓Vl將驅(qū)動(dòng)所述運(yùn)算放大器111 使所述環(huán)路輸出電壓Vf由正電壓快速歸零。在第二工作狀態(tài)S2下，所述可控偏置電壓電路 13的輸出電壓V2將驅(qū)動(dòng)所述運(yùn)算放大器111使所述環(huán)路輸出電壓Vf由負(fù)電壓快速歸零。 [00M] 當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf達(dá)到所述第一參考電壓Vref或所述第二參考電壓-Vref時(shí)， 就受可控偏置電壓電路13的輸出電壓驅(qū)動(dòng)，使得所述運(yùn)算放大器111的輸出快速歸零，電壓 歸零后，電路就在新的工作點(diǎn)上恢復(fù)正常鎖定輸出。因此本發(fā)明能準(zhǔn)確快速得進(jìn)行工作點(diǎn) 切換。
[0096] 步驟S3:對(duì)所述偏置電壓的跳變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)。
[0097] 具體地，所述可控偏置電壓電路13狀態(tài)切換時(shí)同時(shí)輸出計(jì)數(shù)脈沖，驅(qū)動(dòng)所述計(jì)數(shù) 器電路14進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf大于所述第一參考電壓Vref時(shí)通過(guò)觸發(fā)電路產(chǎn) 生脈沖，進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓Vf小于所述第二參考電壓-Vref時(shí)通過(guò)相應(yīng)觸發(fā) 電路產(chǎn)生脈沖，進(jìn)行減計(jì)數(shù)，加減計(jì)數(shù)操作后得到的總得計(jì)數(shù)值就是工作點(diǎn)切換總的偏移 數(shù)，通過(guò)工作點(diǎn)切換偏移數(shù)可W得出對(duì)應(yīng)變化的磁通量子數(shù)，即工作點(diǎn)變化產(chǎn)生的磁通偏 移量。
[0098] 步驟S4:最終，工作點(diǎn)變化的磁通偏移量和磁通鎖定環(huán)路的實(shí)時(shí)輸出進(jìn)行綜合，就 得到實(shí)際的外部輸入磁通的大小。通過(guò)合成所述環(huán)路輸出電壓及計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)大量程的探 測(cè)。
[0099] 具體地，記錄下工作點(diǎn)切換的磁通量子計(jì)數(shù)，并結(jié)合所述磁通鎖定電路11正常鎖 定的環(huán)路輸出電壓Vf,就可W記錄被測(cè)磁場(chǎng)超大變化范圍的信號(hào)，不受制于傳統(tǒng)固定工作 點(diǎn)的S卵I郵茲通鎖定環(huán)有限量程的測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)超大量程的S卵I郵茲傳感器。
[0100] 如上所述，本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法，具有W 下有益效果：
[0101] 1、本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法只改變偏置電壓 值，不改變?cè)袀鞲衅麟娐返姆答亝?shù)，不會(huì)破壞原有傳感器電路的傳輸特性。
[0102] 2、本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法中偏置電壓值可 根據(jù)環(huán)路的響應(yīng)特性進(jìn)行靈活調(diào)整，其歸零過(guò)程是線性函數(shù)型的，歸零時(shí)間短，通過(guò)參數(shù)調(diào) 節(jié)，可使得電路輸出歸零的速度達(dá)到最快，而傳統(tǒng)的復(fù)位電路存受充放電時(shí)間參數(shù)限制，其 性質(zhì)是指數(shù)衰減函數(shù)型的，輸出到零時(shí)間長(zhǎng)，因此切換過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)由于放電沖擊，容 易出現(xiàn)過(guò)沖和振蕩。
[0103] 3、本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法的歸零控制由狀 態(tài)切換電路完成，狀態(tài)控制確保電路觸發(fā)工作點(diǎn)發(fā)生跳變到跳變完成，實(shí)時(shí)跟蹤鎖定磁通 鎖定環(huán)路的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)磁通鎖定環(huán)路完整的復(fù)位及退出流程，確保不會(huì)出現(xiàn)誤計(jì)數(shù)。
[0104] 綜上所述，本發(fā)明提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器，包括:對(duì)被測(cè) 磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出環(huán)路輸出電壓的磁通鎖定電路;對(duì)所述環(huán)路輸出電壓的數(shù)值進(jìn)行檢 測(cè)的電壓檢測(cè)電路;根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓調(diào)節(jié)偏置電壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重 新鎖定工作點(diǎn)的可控偏置電壓電路；W及根據(jù)所述可控偏置電壓電路的跳變狀態(tài)進(jìn)行加減 計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器電路。本發(fā)明還提供一種高速大量程的超導(dǎo)量子干 設(shè)器探測(cè)方法，包括:基于一磁通鎖定電路對(duì)被測(cè)磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被測(cè)磁通成 比例的環(huán)路輸出電壓;對(duì)所述環(huán)路輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓的狀態(tài)調(diào)整 所述磁通鎖定電路的偏置電壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)；對(duì)所述偏置 電壓的跳變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù);最終通過(guò)合成所述環(huán)路輸出電壓及計(jì) 數(shù)值實(shí)現(xiàn)大量程的探測(cè)。本發(fā)明的高速大量程的超導(dǎo)量子干設(shè)器磁傳感器及探測(cè)方法只改 變偏置電壓值，不改變?cè)袀鞲衅麟娐返姆答亝?shù)，不會(huì)破壞原有傳感器電路的傳輸特性； 偏置電壓值可根據(jù)環(huán)路的響應(yīng)特性進(jìn)行靈活調(diào)整，使得電路輸出歸零的速度達(dá)到最快，而 傳統(tǒng)的復(fù)位電路存受充放電時(shí)間參數(shù)限制，切換過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，容易出現(xiàn)過(guò)沖和振蕩；歸零控 制由狀態(tài)切換電路完成，狀態(tài)控制確保電路觸發(fā)工作點(diǎn)發(fā)生跳變到跳變完成，消除了誤計(jì) 數(shù)。所W，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0105] 上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)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(shù)的人±皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所掲示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于，所述高速大量程的超導(dǎo) 量子干涉器磁傳感器至少包括： 磁通鎖定電路、電壓檢測(cè)電路、可控偏置電壓電路及計(jì)數(shù)器電路； 所述磁通鎖定電路對(duì)被測(cè)磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被測(cè)磁通成比例的環(huán)路輸出電 壓;所述磁通鎖定電路包括SQUID超導(dǎo)環(huán)、連接于所述SQUID超導(dǎo)環(huán)輸出端的運(yùn)算放大器、依 次連接于所述運(yùn)算放大器輸出端的反饋電阻及反饋線圈； 所述電壓檢測(cè)電路連接于所述磁通鎖定電路的輸出端，對(duì)所述環(huán)路輸出電壓的數(shù)值進(jìn) 行檢測(cè)； 所述可控偏置電壓電路連接于所述電壓檢測(cè)電路，根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓調(diào)節(jié)偏置電 壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)； 所述計(jì)數(shù)器電路連接于所述可控偏置電壓電路，根據(jù)所述可控偏置電壓電路的跳變狀 態(tài)進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于:所述電 壓檢測(cè)電路分別將所述環(huán)路輸出電壓與第一參考電壓、第二參考電壓及參考零電壓進(jìn)行比 較;其中，第一參考電壓為輸入磁通為第一數(shù)量η個(gè)磁通量子時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓，第二參考電壓 為所述第一參考電壓的負(fù)數(shù)，所述第一數(shù)量η為自然數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于:所述電 壓檢測(cè)電路包括四個(gè)比較器，第一比較器的正相輸入端連接所述第一參考電壓、反相輸入 端連接所述環(huán)路輸出電壓，第二比較器的正相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓、反相輸入端 接地，第三比較器的正相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓、反相輸入端連接所述第二參考電 壓，第四比較器的正相輸入端接地、反相輸入端連接所述環(huán)路輸出電壓。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于:所述可 控偏置電壓電路包括狀態(tài)觸發(fā)模塊及分壓網(wǎng)絡(luò)模塊;其中，所述狀態(tài)觸發(fā)模塊連接所述電 壓檢測(cè)電路的輸出端，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓大于所述第一參考電壓時(shí)跳變至第一工作狀 態(tài)，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓小于所述第二參考電壓時(shí)跳變至第二工作狀態(tài)，當(dāng)所述環(huán)路輸出 電壓歸零后跳變至第三工作狀態(tài);所述分壓網(wǎng)絡(luò)模塊連接所述狀態(tài)觸發(fā)模塊，受所述狀態(tài) 觸發(fā)模塊的控制，在所述第一工作狀態(tài)時(shí)輸出第一偏置電壓，在所述第二工作狀態(tài)時(shí)輸出 第二偏置電壓，在所述第三工作狀態(tài)時(shí)輸出第三偏置電壓，所述第一偏置電壓的值大于所 述SQUID超導(dǎo)環(huán)的最大輸出電壓，所述第二偏置電壓的值小于所述SQUID超導(dǎo)環(huán)的最小輸出 電壓，所述第三偏置電壓為所述SQUID超導(dǎo)環(huán)工作點(diǎn)處的偏置電壓。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于:所述狀 態(tài)觸發(fā)模塊包括第一觸發(fā)器及第二觸發(fā)器，所述第一觸發(fā)器的置位端連接所述第一比較器 的輸出端，復(fù)位端連接所述第二比較器的輸出端;所述第二觸發(fā)器的置位端連接所述第三 比較器的輸出端，復(fù)位端連接所述第四比較器的輸出端。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器，其特征在于:所述分 壓網(wǎng)絡(luò)模塊包括連接所述運(yùn)算放大器輸入端的第一~四電阻，所述第一電阻的另一端通過(guò) 第一開(kāi)關(guān)連接第一偏置電壓，所述第二電阻的另一端通過(guò)第二開(kāi)關(guān)連接第二偏置電壓，所 述第三電阻的另一端連接第三偏置電壓，所述第四電阻的另一端接地。7. -種高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器探測(cè)方法，其特征在于，所述高速大量程的超導(dǎo) 量子干涉器探測(cè)方法至少包括： 基于一磁通鎖定電路對(duì)被測(cè)磁通進(jìn)行檢測(cè)，并輸出與所述被測(cè)磁通成比例的環(huán)路輸出 電壓； 對(duì)所述環(huán)路輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)所述環(huán)路輸出電壓的狀態(tài)調(diào)整所述磁通鎖定電路 的偏置電壓，使所述磁通鎖定電路歸零后重新鎖定工作點(diǎn)； 對(duì)所述偏置電壓的跳變狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通量子的計(jì)數(shù)； 最終通過(guò)合成所述環(huán)路輸出電壓及計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)大量程的探測(cè)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器探測(cè)方法，其特征在于:通過(guò)將 所述環(huán)路輸出電壓與第一參考電壓、第二參考電壓及參考零電壓進(jìn)行比較來(lái)確定所述偏置 電壓的輸出值，其中，所述第一參考電壓為輸入磁通為第一數(shù)量η個(gè)磁通量子時(shí)對(duì)應(yīng)的電 壓，所述第二參考電壓為所述第一參考電壓的負(fù)數(shù)，所述第一數(shù)量η為自然數(shù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器探測(cè)方法，其特征在于：當(dāng)所述 環(huán)路輸出電壓大于所述第一參考電壓時(shí)，跳變至第一工作狀態(tài)，則所述偏置電壓大于所述 SQUID超導(dǎo)環(huán)的最大輸出電壓，所述環(huán)路輸出電壓逐漸下降歸零；當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓小于 所述第二參考電壓時(shí)，跳變至第二工作狀態(tài)，則所述偏置電壓小于所述SQUID超導(dǎo)環(huán)的最小 輸出電壓，所述環(huán)路輸出電壓逐漸上升歸零；當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓歸零后，跳變至第三工作 狀態(tài)，則所述偏置電壓為SQUID超導(dǎo)環(huán)工作點(diǎn)處的偏置電壓。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高速大量程的超導(dǎo)量子干涉器探測(cè)方法，其特征在于：當(dāng)所 述環(huán)路輸出電壓大于所述第一參考電壓時(shí)進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)所述環(huán)路輸出電壓小于所述第二 參考電壓時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01R33/035GK106019181SQ201610319580
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】王永良, 徐小峰, 榮亮亮, 謝曉明
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所