CN104198962B - 超导量子干涉器磁传感器及其中的工作点跳变的识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超导量子干涉器磁传感器及其中的工作点跳变的识别方法。所述磁传感器包括：超导量子干涉器件；回滞反馈处理单元，用于将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理，使得超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性；与回滞反馈处理单元相连的磁通锁定单元，用于将回滞反馈处理单元所输出的电信号进行积分处理并反馈至超导量子干涉器件，以输出反馈后的电信号；与回滞反馈处理单元相连的信号识别单元，用于根据回滞反馈处理单元所输出的电信号的周期特性来生成并输出用于识别磁通锁定单元所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号。本发明利用回滞技术来改变超导量子干涉器件所输出的电信号的周期特性，同时，得到具有高精度和线性度的感应电信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器技术，特别是涉及一种超导量子干涉器磁传感器及其中的工作点跳变的识别方法。
背景技术
采用超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下简称SQUID)的传感器是目前已知的最灵敏、高分辨率的磁传感器。其最低可探测磁场强度达到飞特(10-15特斯拉)量级。广泛应用于心磁、脑磁、极低场核磁共振等微弱磁信号探测和科学研究中。
直流超导量子干涉器件(简称dc SQUID)采用两个并联的约瑟夫森结并联构成超导环，将结的两端引出形成一个两端子元件，以下所涉及的SQUID都指直流超导量子干涉器件。给SQUID两端加载一定的偏置电流，SQUID两端电压具有随外部感应磁通大小而变化的磁敏特性。典型的SQUID磁通电压传输特性曲线是周期非线性的，以一个磁通量子Φ0的磁通(2.07×10-15韦伯)为周期。具有很大的磁通感应范围，文献报道其磁通测量范围可达8×104个Φ0以上。
然而，上述SQUID周期性非线性的磁通电压传输特性曲线，不具有单值函数特性。即无法通过根据SQUID电压输出大小，获知实际感应磁通的大小。因此无法将SQUID器件直接用作磁传感器。
目前SQUID磁传感器是通过一种称为磁通锁定环路(flux-locked loop，简称FLL)的读出电路来实现磁通电压的线性转换，构建线性磁传感器。采用FLL的磁传感器受读出电路输出电压的限制(通常为+-10V)其量程是有限的。同时由于环路工作时会发生不可预知的工作零点跳变而失锁，造成测量中断，信号输出不连续。因此采用FLL的SQUID传感器无法发挥SQUID器件大量程的性能，且易发生失锁，造成测量中断，锁定一次工作零点只能测量100ms-1s时长内的磁通变化。
然而现有的能够连续测量磁通在多个磁通量子变化周期之间变化的传感器的精度又不能满足某些特殊场合。因此，需要对现有的磁传感器进行改进。
发明内容
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超导量子干涉器磁传感器及其中的工作点跳变的识别方法，用于解决现有技术中的SQUID磁传感器在连续测量多个磁通量子变化周期时，无法确定每次锁定工作零点后的电信号所对应的磁通量的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种工作点跳变的识别方法超导量子干涉器磁传感器中工作点跳变的识别方法，其包括：将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理，使得所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性；将所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号进行积分处理并反馈至所述超导量子干涉器件，以输出反馈后的电信号，并根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的周期生成用于识别经所述积分反馈处理所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号。
优选地，将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理的方式包括：将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第一预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，以便输出具有周期单调特性的电信号。
优选地，将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理的方式包括：将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按第二预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，并输出单调电信号；将所述单调电信号按照磁通量子变化周期进行复位，以便输出具有周期、单调特性的电信号。
优选地，根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的周期生成用于识别经所述积分反馈处理所输出的电信号的周期的方式包括：根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的跳变沿方向和周期生成尖锐的识别电信号。
优选地，所述识别电信号包括：三角波形电信号、或脉冲电信号。
基于上述目的，本发明还提供一种超导量子干涉器磁传感器，包括：超导量子干涉器件；回滞反馈处理单元，用于将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理，使得所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性；与所述回滞反馈处理单元相连的磁通锁定单元，用于将所述回滞反馈处理单元所输出的电信号进行积分处理并反馈至所述超导量子干涉器件，以输出反馈后的电信号；与所述回滞反馈处理单元相连的信号识别单元，用于根据所述回滞反馈处理单元所输出的电信号的周期特性来生成用于识别所述磁通锁定单元所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号，以便后续处理单元按照所述磁通锁定单元和信号识别单元各自所输出的电信号合成连续的、感应磁通变化的感应信号。
优选地，所述回滞反馈处理单元包括：与所述超导量子干涉器件的输出端相连的放大器，用于将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第一预设比例放大；与所述放大器相连的反馈电阻；以及与所述电阻相连且与所述超导量子干涉器件互感的反馈电感，用于将所述放大器放大后的电信号负反馈至所述超导量子干涉器件。
优选地，所述回滞反馈处理单元包括：与所述超导量子干涉器件的输出端相连、且与所述超导量子干涉器件互感的反馈电路，用于将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第二预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，并输出单调电信号；与所述反馈电路相连的双比较电路，用于将所述单调电信号按照磁通量子变化周期进行复位，并输出具有周期、单调特性的电信号。
优选地，所述信号识别单元包括：与所述回滞反馈处理单元的输出端相连的微分电路，用于根据所述回滞反馈处理单元所输出的电信号的周期特性中的跳变沿方向生成尖锐的识别电信号。
优选地，所述识别电信号包括：三角波形电信号、或脉冲电信号。
如上所述，本发明的超导量子干涉器磁传感器及其中的工作点跳变的识别方法，具有以下有益效果：利用回滞技术来改变超导量子干涉器件所输出的电信号的周期特性，以实现在一个磁通量子变化周期内电信号的周期单值输出，使得在多个磁通量子变化周期的跨度范围内进行测量时，能够易于识别磁通锁定单元所输出的工作零点的位置；同时，得到具有高精度和线性度的感应电信号。
附图说明
图1显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器的结构示意图。
图2显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器在一个磁通量子变化周期中超导量子干涉器件在欠反馈电路的反馈前后输出的电信号波形示意图。
图3显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器在连续跨越两个磁通量子变化周期内所述欠反馈电路所输出的电信号波形示意图。
图4显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器中回滞反馈处理单元的一种优选方式的结构示意图。
图5显示为对应图4所示的回执反馈处理单元所输出的电信号的波形示意图。
图6显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器的一种优选方式的结构示意图。
图7显示为本发明的工作点跳变的识别方法超导量子干涉器磁传感器中工作点跳变的识别方法的流程图。
元件标号说明
1 超导量子干涉器磁传感器
11 超导量子干涉器件
12 回滞反馈处理单元
13 磁通锁定单元
14 信号识别单元
S1-S3 步骤
具体实施方式
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。
如图1所示，本发明提供一种超导量子干涉器磁传感器。所述超导量子干涉器磁传感器1包括：超导量子干涉器件11、回滞反馈处理单元12、磁通锁定单元13及信号识别单元14。
所述超导量子干涉器件11用于将所处外界环境的磁通变化转换成电信号的传感器件。在一个磁通量子变化周期内，所述超导量子干涉器件11随着磁通量子的数量的增加而呈现类似于正弦信号的周期多值特性。
所述回滞反馈处理单元12用于将超导量子干涉器件11所输出的电信号进行回滞反馈处理，使得所述超导量子干涉器件11经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性。其中，所述回滞反馈处理单元12通过硬件或软件的方式，将所述超导量子干涉器件11在一个磁通量子变化周期内所感应的周期多值信号转换为周期单值信号。另外，所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号的周期与所述超导量子干涉器件11所感应的周期相同。具体地，所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号在一个磁通量子变化周期的初始时处于工作零点、所述磁通量子变化周期结束时由峰值跳变至所述工作零点。
作为一种实施例，所述回滞反馈处理单元12包括：放大器、反馈电感和反馈电阻。
所述放大器与所述超导量子干涉器件11连接，用于将所述超导量子干涉器件11所感应的电信号按照第一预设比例予以放大。
所述反馈电阻和反馈电感依次连接在所述超导量子干涉器件11和放大器之间。
其中，所述放大器可以是线性放大，也可以非线性放大。根据下述条件以及电磁之间的转换关系选择合适的反馈电阻、反馈电感以及所述放大器即可。
具体地，根据超导量子干涉器件11在一个磁通量子变化周期内是周期信号的原理，所述放大器将所述超导量子干涉器件11所感应的电信号按照第一预设比例进行放大并由所述反馈电感负反馈至所述超导量子干涉器件11，使得反馈至所述超导量子干涉器件11的磁通在每个磁通量子变化周期逐步并最终对等的抵消相应磁通量子变化周期结束时的磁通，使得所述超导量子干涉器件11感应外界磁通和负反馈的磁通后所输出的电信号呈现单值电压上升/下降的周期特性。其中，所述第一预设比例为能够使得反馈电感和反馈电阻实现对所述超导量子干涉器件欠反馈的比例。
以图2中工作零点Vofs为起点，当外部感应磁通正好为工作零点对应的磁通量，以此时的磁通量为基准开始，外部磁通从工作零点向右增大，增加的外部输入磁通量为所述超导量子干涉器件11输出的电压随着磁通量增大而增大，同时，所述回滞反馈处理单元12产生负反馈磁通阻尼所述超导量子干涉器件11实际感应磁通的增大速度。当外部磁通增大到一个磁通量子Φ0时，所述超导量子干涉器件11所输出的电压达到正的最大值；外部磁通再增大，所述超导量子干涉器件11输出电压通过反馈回路产生的磁通不再能维持抵消外磁通的能力，自动发生工作零点跳跃，由于外部磁通变化量正好为一个磁通量子，因此跳跃后进入下一个工作零点，所述超导量子干涉器件11输出回归至所述工作零点。
反之，外部磁通从工作零点开始减小。磁通量向左减小，减小的外部输入磁通量为所述超导量子干涉器件11输出的电压随着磁通量减小而减小，同时所述回滞反馈处理单元12产生负反馈磁通阻尼所述超导量子干涉器件11实际感应磁通的减小。当外部磁通减小达到一个磁通量子时，所述超导量子干涉器件11所输出的电压达到负的最大值；当外部磁通再减小，所述超导量子干涉器件11输出电压产生的负反馈磁通不足以抵消外磁通的增大，所述回滞反馈处理单元12的负反馈不能达到平衡，则将发送工作零点跳跃。由于外部磁通变化量正好为一个磁通量子，因此跳跃后进入下一个工作零点，所述超导量子干涉器件11输出回归至工作零点。
需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上面描述中所谓的正负极性，并没有特指正电压和负电压，只要满足负反馈要求即可。
例如，如图3所示，所述外界磁通由0逐步增加到2Φ0再由2Φ0逐步减至0(Φ0为2.07×10-15韦伯)，则所述超导量子干涉器件11在所述回滞反馈处理单元12的作用下最终所输出的电信号的波形为周期单值的，并输出至所述磁通锁定单元13和信号识别单元14。
作为又一种实施例，如图4所示，所述回滞反馈处理单元包括：反馈电路，双向比较电路。
所述反馈电路与所述超导量子干涉器件的输出端相连、且与所述超导量子干涉器件互感，用于将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第二预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，并输出单调电信号。
具体地，所述反馈电路中的放大器的正向输入端与所述超导量子干涉器件的输出端相连，所述放大器的反向输入端通过单刀双掷开关与自身的输出端相连。所述反馈电路中的放大器为深度放大器，其预设的第二放大比例不仅能够使得所述超导量子干涉器件经反馈后所输出的电信号单调，还能让所输出的电信号无法回到工作零点。经所述双向比较电路输出的电信号的波形如图5所示。
所述双向比较电路通过与门与所述单刀双掷开关相连，用于将所述单调电信号按照磁通量子变化周期进行复位，并输出具有周期、单调特性的电信号。
具体地，所述与门的输入端分别连接两个比较器的输出端，其中，第一比较器的正输入端连接正向电压阈值、负输入端连接所述反馈电路中的放大器的输出端，第二比较器的正输入端连接所述反馈电路中的放大器的输出端、负输入端连接负向电压阈值。其中，正向电压阈值和负向电压阈值分别对应经所述放大器放大后、所述超导量子干涉器件在感应到一个磁通量子变化周期所对应的正向电压值及负向电压值。所述磁通锁定单元13用于将所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号进行积分处理并反馈至所述超导量子干涉器件11。
具体地，所述磁通锁定单元13至少包括：积分电路和反馈电感。其中，所述积分电路与所述回滞反馈处理单元12相连，以对所述回滞反馈处理单元12所输出的周期单值特性的电信号进行积分处理，并通过反馈电感反馈至所述超导量子干涉器件11。同时，所述磁通锁定单元13在外界磁通变化超出一个磁通量子时，重新锁定所接收的电信号的工作零点，并进行积分反馈。如此，所述磁通锁定单元13所输出的电信号具有高线性度。
在此，所述磁通锁定单元13中的反馈电感可以与所述回滞反馈处理单元12中的反馈电感公用，也可以单独设置。
在此，所述磁通锁定单元13在所接收电信号的拐点或跳变点处重新锁定工作零点，使得所输出的电信号在一个磁通量子变化周期的幅值内随外界磁通的变化而变化。
所述信号识别单元14与所述回滞反馈处理单元12相连，用于根据所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号的周期特性来生成用于识别所述磁通锁定单元13所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号，以便后续处理单元按照所述磁通锁定单元13和信号识别单元14各自所输出的电信号合成连续的、感应磁通变化的感应信号。
具体地，所述回滞反馈处理单元12由于能够将所述超导量子干涉器件11所感应的周期多值电信号转换为周期单值电信号，则说明所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号为单调信号，当外界磁通在多个磁通量子变化周期内持续增加或减少时，所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号在上一周期结束、下一周期开始的时刻一定会出现如拐点、跳变之类的信号变化。在实际测量过程中，当外界磁通的变化超过一个磁通量子变化周期时，所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号具有所述拐点或跳变，以说明所述超导量子干涉器件11的工作零点发生了变化，相对应的，所述磁通锁定单元13在工作零点处需要重新进行锁定，以便输出线性度高的电信号。因此，所述信号识别单元14通过识别上述周期特性中的拐点或跳变点的最大斜率来生成识别电信号，所述识别信号对应了所述磁通锁定单元13所输出的电信号的工作零点。其中，所述识别电信号包括但不限于：方波，并在工作零点的位置呈现电压的跳变。优选地，所述识别电信号在对应工作零点的位置呈现三角波或脉冲电信号。
优选地，所述信号识别单元14包括微分电路。所述微分电路能够根据拐点或跳变点的斜率的正负来对应输出正向或负向的脉冲电信号。如此，当后续处理单元与所述磁通锁定单元13和信号识别单元14相接后，能够根据所述信号识别单元14所输出的识别电信号的位置来确定所述磁通锁定单元13所输出的电信号的工作零点，同时，根据所述信号识别单元14所输出的识别电信号的方向来确定所述磁通锁定单元13所输出的电信号所对应的磁通量的变化量。
例如，当所述超导量子干涉器件11所输出的电信号的跳变沿为上跳变沿时，则所述微分电路输出负向的脉冲电信号，当所述超导量子干涉器件11所输出的电信号的跳变沿为下跳变沿时，则所述微分电路输出正向的脉冲电信号。
当所述脉冲电信号为负向电信号时，所述后续处理单元将所述磁通锁定单元13所输出的对应工作零点开始的连续电信号的幅值增加一个磁通量子，当所述尖锐的电信号为正向电信号时，所述后续处理单元将所述磁通锁定单元13所输出的对应工作零点开始的连续电信号的幅值减少一个磁通量子，以使得所述磁通锁定单元13所输出的在工作零点发生跳变或不连续的电信号平滑。
如图6所示，所述超导量子干涉器磁传感器1的工作过程举例如下：
超导量子干涉器件11感应外界磁通量子的变化，并输出感应信号至所述回滞反馈处理单元12，所述回滞反馈处理单元12中的放大器将所述感应信号放大到预设比例，并通过反馈电感反馈至所述超导量子干涉器件11。由此在一个磁通量子变化周期内，所述回滞反馈处理单元12输出具有单值周期特性的电信号，并传递至信号识别单元14和磁通锁定单元13。其中，所述信号识别单元14中的微分电路按照电信号的波形斜率来生成识别电信号，其中，在斜率最大处所对应的识别电信号的幅值最大，整个波形呈现脉冲电信号状。当外界磁通量子的变化超过一个磁通量子变化周期时，所述磁通锁定单元13中的积分电路重新锁定所述超导量子干涉器件11的工作零点，并将两个工作零点之间的所述回滞反馈处理单元12所输出的电信号予以输出。由此，当后续处理单元，如具有CPU的处理单元，与所述信号识别单元14和磁通锁定单元13相连时，所述后续处理单元可以根据信号识别单元14中幅值最高的脉冲电信号来确定相应位置的所述磁通锁定单元13所输出的信号为工作零点，并根据该脉冲电信号的脉冲方向来将所对应的工作零点之后的电信号的幅值相应增减，以得到高线性度、连续测量的电信号，以便测量连续的、能够跨多个磁通量子变化周期的磁通量。
如图7所示，本发明提供一种工作点跳变的识别方法超导量子干涉器磁传感器中工作点跳变的识别方法。所述工作点跳变的识别方法由超导量子干涉器磁传感器来执行。所述超导量子干涉器件包括：超导量子干涉器件、回滞反馈处理单元、磁通锁定单元及信号识别单元。
所述超导量子干涉器件用于将所处外界环境的磁通变化转换成电信号的传感器件。在一个磁通量子变化周期内，所述超导量子干涉器件随着磁通量子的数量的增加而呈现类似于正弦信号的周期多值特性。
所述回滞反馈处理单元与所述超导量子干涉器件相连，所述磁通锁定单元与所述回滞反馈处理单元和所述超导量子干涉器件相连，所述信号识别单元与所述回滞反馈处理单元相连。
在步骤S1中，所述超导量子干涉器磁传感器将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理，使得所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性。
具体地，所述回滞反馈处理单元通过硬件或软件的方式，将所述超导量子干涉器件在一个磁通量子变化周期内所感应的周期多值信号转换为周期单值信号。另外，所述回滞反馈处理单元所输出的电信号的周期与所述超导量子干涉器件所感应的周期相同。具体地，所述回滞反馈处理单元所输出的电信号在一个磁通量子变化周期的初始时处于工作零点、所述磁通量子变化周期结束时由峰值跳变至所述工作零点。
作为一种实施例，所述超导量子干涉磁传感器将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理的方式包括：将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第一预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件。
具体地，所述回滞反馈处理单元包括：放大器、反馈电感和反馈电阻。
所述放大器与所述超导量子干涉器件连接，所述反馈电阻和反馈电感依次连接在所述超导量子干涉器件和放大器之间。
其中，所述放大器可以是线性放大，也可以非线性放大。根据下述条件以及电磁之间的转换关系选择合适的反馈电阻、反馈电感以及所述放大器即可。
具体地，根据超导量子干涉器件在一个磁通量子变化周期内是周期信号的原理，所述放大器将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第一预设比例进行放大并由所述反馈电感负反馈至所述超导量子干涉器件，使得反馈至所述超导量子干涉器件的磁通在每个磁通量子变化周期逐步并最终对等的抵消相应磁通量子变化周期结束时的磁通，使得所述超导量子干涉器件感应外界磁通和负反馈的磁通后所输出的电信号呈现单值电压上升/下降的周期特性。其中，所述第一预设比例为能够使得反馈电感和反馈电阻实现对所述超导量子干涉器件欠反馈的比例。
以图2中工作零点Vofs为起点，当外部感应磁通正好为工作零点对应的磁通量，以此时的磁通量为基准开始，外部磁通从工作零点向右增大，增加的外部输入磁通量为所述超导量子干涉器件输出的电压随着磁通量增大而增大，同时，所述回滞反馈处理单元产生负反馈磁通阻尼所述超导量子干涉器件实际感应磁通的增大速度。当外部磁通增大到一个磁通量子Φ0时，所述超导量子干涉器件所输出的电压达到正的最大值；外部磁通再增大，所述超导量子干涉器件输出电压通过反馈回路产生的磁通不再能维持抵消外磁通的能力，自动发生工作零点跳跃，由于外部磁通变化量正好为一个磁通量子，因此跳跃后进入下一个工作零点，所述超导量子干涉器件输出回归至所述工作零点。
反之，外部磁通从工作零点开始减小。磁通量向左减小，减小的外部输入磁通量为所述超导量子干涉器件输出的电压随着磁通量减小而减小，同时所述回滞反馈处理单元产生负反馈磁通阻尼所述超导量子干涉器件实际感应磁通的减小。当外部磁通减小达到一个磁通量子时，所述超导量子干涉器件所输出的电压达到负的最大值；当外部磁通再减小，所述超导量子干涉器件输出电压产生的负反馈磁通不足以抵消外磁通的增大，所述回滞反馈处理单元的负反馈不能达到平衡，则将发送工作零点跳跃。由于外部磁通变化量正好为一个磁通量子，因此跳跃后进入下一个工作零点，所述超导量子干涉器件输出回归至工作零点。
需要说明的是，本领域技术人员应该理解，上面描述中所谓的正负极性，并没有特指正电压和负电压，只要满足负反馈要求即可。
例如，如图3所示，所述外界磁通由0逐步增加到2Φ0再由2Φ0逐步减至0(Φ0为2.07×10-15韦伯)，则所述超导量子干涉器件在所述回滞反馈处理单元的作用下最终所输出的电信号的波形为周期单值的，并输出至所述磁通锁定单元和信号识别单元。
作为又一种实施例，所述超导量子干涉磁传感器将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理的方式还包括：步骤S11和S12。
具体地，如图4所示，所述回滞反馈处理单元包括：反馈电路，双向比较电路。
在步骤S11中，所述反馈电路将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第二预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，并输出单调电信号。其中，所述反馈电路与所述超导量子干涉器件的输出端相连、且与所述超导量子干涉器件互感。
具体地，所述反馈电路中的放大器的正向输入端与所述超导量子干涉器件的输出端相连，所述放大器的反向输入端通过单刀双掷开关与自身的输出端相连。所述反馈电路中的放大器为深度放大器，其预设的第二放大比例不仅能够使得所述超导量子干涉器件经反馈后所输出的电信号单调，还能让所输出的电信号无法回到工作零点。经本步骤执行输出的电信号的波形图如图5所示。
在步骤S12中，所述双向比较电路将通过与门所接收的所述单调电信号按照磁通量子变化周期进行复位，并输出具有周期、单调特性的电信号。
具体地，所述与门的输入端分别连接两个比较器的输出端，其中，第一比较器的正输入端连接正向电压阈值、负输入端连接所述反馈电路中的放大器的输出端，第二比较器的正输入端连接所述反馈电路中的放大器的输出端、负输入端连接负向电压阈值。其中，正向电压阈值和负向电压阈值分别对应经所述放大器放大后、所述超导量子干涉器件在感应到一个磁通量子变化周期所对应的正向电压值及负向电压值。
在步骤S2中，所述超导量子干涉器磁传感器将所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号进行积分处理并反馈至所述超导量子干涉器件。
具体地，所述磁通锁定单元至少包括：积分电路和反馈电感。其中，所述积分电路与所述回滞反馈处理单元相连，以对所述回滞反馈处理单元所输出的周期单值特性的电信号进行积分处理，并通过反馈电感反馈至所述超导量子干涉器件。同时，所述磁通锁定单元在外界磁通变化超出一个磁通量子时，重新锁定所接收的电信号的工作零点，并进行积分反馈。如此，所述磁通锁定单元所输出的电信号具有高线性度。
在此，所述磁通锁定单元中的反馈电感可以与所述回滞反馈处理单元中的反馈电感公用，也可以单独设置。
在此，所述磁通锁定单元在所接收电信号的拐点或跳变点处重新锁定工作零点，使得所输出的电信号在一个磁通量子变化周期的幅值内随外界磁通的变化而变化。
在步骤S3中，所述超导量子干涉器磁传感器根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的周期生成用于识别经所述积分反馈处理所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号。
具体地，所述回滞反馈处理单元由于能够将所述超导量子干涉器件所感应的周期多值电信号转换为周期单值电信号，则说明所述回滞反馈处理单元所输出的电信号为单调信号，当外界磁通在多个磁通量子变化周期内持续增加或减少时，所述回滞反馈处理单元所输出的电信号在上一周期结束、下一周期开始的时刻一定会出现如拐点、跳变之类的信号变化。在实际测量过程中，当外界磁通的变化超过一个磁通量子变化周期时，所述回滞反馈处理单元所输出的电信号具有所述拐点或跳变，以说明所述超导量子干涉器件的工作零点发生了变化，相对应的，所述磁通锁定单元在工作零点处需要重新进行锁定，以便输出线性度高的电信号。因此，所述信号识别单元通过识别上述周期特性中的拐点或跳变点的最大斜率来生成识别电信号，所述识别信号对应了所述磁通锁定单元所输出的电信号的工作零点。其中，所述识别电信号包括但不限于：方波，并在工作零点的位置呈现电压的跳变。优选地，所述识别电信号在对应工作零点的位置呈现三角波或脉冲电信号。
优选地，所述信号识别单元包括微分电路。所述微分电路能够根据拐点或跳变点的斜率的正负来对应输出正向或负向的脉冲电信号。如此，当后续处理单元与所述磁通锁定单元和信号识别单元相接后，能够根据所述信号识别单元所输出的识别电信号的位置来确定所述磁通锁定单元所输出的电信号的工作零点，同时，根据所述信号识别单元所输出的识别电信号的方向来确定所述磁通锁定单元所输出的电信号所对应的磁通量的变化量。
例如，当所述超导量子干涉器件所输出的电信号的跳变沿为上跳变沿时，则所述微分电路输出负向的脉冲电信号，当所述超导量子干涉器件所输出的电信号的跳变沿为下跳变沿时，则所述微分电路输出正向的脉冲电信号。
当所述脉冲电信号为负向电信号时，所述后续处理单元将所述磁通锁定单元所输出的对应工作零点开始的连续电信号的幅值增加一个磁通量子，当所述尖锐的电信号为正向电信号时，所述后续处理单元将所述磁通锁定单元所输出的对应工作零点开始的连续电信号的幅值减少一个磁通量子，以使得所述磁通锁定单元所输出的在工作零点发生跳变或不连续的电信号平滑。
需要说明的是，步骤S2和S3同时执行，以便同步输出各自的电信号。如此，后续处理单元在进行进一步处理时，能够同步参考。
如图6所示，所述超导量子干涉器磁传感器的工作过程举例如下：
超导量子干涉器件感应外界磁通量子的变化，并输出感应信号至所述回滞反馈处理单元，所述回滞反馈处理单元中的放大器将所述感应信号放大到预设比例，并通过反馈电感反馈至所述超导量子干涉器件。由此在一个磁通量子变化周期内，所述回滞反馈处理单元输出具有单值周期特性的电信号，并传递至信号识别单元和磁通锁定单元。其中，所述信号识别单元中的微分电路按照电信号的波形斜率来生成识别电信号，其中，在斜率最大处所对应的识别电信号的幅值最大，整个波形呈现脉冲电信号状。当外界磁通量子的变化超过一个磁通量子变化周期时，所述磁通锁定单元中的积分电路重新锁定所述超导量子干涉器件的工作零点，并将两个工作零点之间的所述回滞反馈处理单元所输出的电信号予以输出。由此，当后续处理单元，如具有CPU的处理单元，与所述信号识别单元和磁通锁定单元相连时，所述后续处理单元可以根据信号识别单元中幅值最高的脉冲电信号来确定相应位置的所述磁通锁定单元所输出的信号为工作零点，并根据该脉冲电信号的脉冲方向来将所对应的工作零点之后的电信号的幅值相应增减，以得到高线性度、连续测量的电信号，以便测量连续的、能够跨多个磁通量子变化周期的磁通量。
综上所述，本发明的超导量子干涉器磁传感器及其中的工作点跳变的识别方法，利用回滞技术来改变超导量子干涉器件所输出的电信号的周期特性，以实现在一个磁通量子变化周期内电信号的周期单值输出，使得在多个磁通量子变化周期的跨度范围内进行测量时，能够易于识别磁通锁定单元所输出的工作零点的位置；同时，得到具有高精度和线性度的感应电信号；另外，利用比例放大器和反馈电感的组合能够实现对所述超导量子干涉器件所感应的电信号进行比例放大并负反馈，能够输出单值的、且具有正向/负向跳变沿的电信号，其中，所述跳变沿能够体现外界磁通对应减少/增加一个磁通量子；还有，采用微分电路，能够快速、有效的识别工作零点的位置，以便后续处理单元能够据此来处理磁通锁定单元所输出的电信号，以得到连续的、反映多个磁通量子变化周期的磁通变化的电信号。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。
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。
Claims (10)
1.一种超导量子干涉器磁传感器中工作零点跳变的识别方法，其特征在于，包括：
将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理，使得所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性；
将所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号进行积分处理并反馈至所述超导量子干涉器件，以输出反馈后的电信号，并根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的周期生成并输出用于识别经所述积分反馈处理所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号。
2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器中工作零点跳变的识别方法，其特征在于，将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理的方式包括：
将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第一预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，以便输出具有周期单调特性的电信号。
3.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器中工作零点跳变的识别方法，其特征在于，将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理的方式包括：
将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按第二预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，并输出单调电信号；
将所述单调电信号按照磁通量子变化周期进行复位，以便输出具有周期、单调特性的电信号。
4.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器中工作零点跳变的识别方法，其特征在于，根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的周期生成用于识别经所述积分反馈处理所输出的电信号的方式包括：
根据所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号的跳变沿方向和周期生成尖锐的识别电信号。
5.根据权利要求1或4所述的超导量子干涉器磁传感器中工作零点跳变的识别方法，其特征在于，所述识别电信号包括：三角波形电信号、或脉冲电信号。
6.一种超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，包括：
超导量子干涉器件；
回滞反馈处理单元，用于将超导量子干涉器件所感应的电信号进行回滞反馈处理，使得所述超导量子干涉器件经回滞反馈处理后所输出的电信号具有周期单值特性；
与所述回滞反馈处理单元相连的磁通锁定单元，用于将所述回滞反馈处理单元所输出的电信号进行积分处理并反馈至所述超导量子干涉器件，以输出反馈后的电信号；
与所述回滞反馈处理单元相连的信号识别单元，用于根据所述回滞反馈处理单元所输出的电信号的周期特性来生成用于识别所述磁通锁定单元所输出的电信号的工作零点跳变的识别电信号，以便后续处理单元按照所述磁通锁定单元和信号识别单元各自所输出的电信号合成连续的、感应磁通变化的感应信号。
7.根据权利要求6所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述回滞反馈处理单元包括：
与所述超导量子干涉器件的输出端相连的放大器，用于将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第一预设比例放大；
与所述放大器相连的反馈电阻；以及
与所述反馈电阻相连且与所述超导量子干涉器件互感的反馈电感，用于将所述放大器放大后的电信号负反馈至所述超导量子干涉器件。
8.根据权利要求6所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述回滞反馈处理单元包括：
与所述超导量子干涉器件的输出端相连、且与所述超导量子干涉器件互感的反馈电路，用于将所述超导量子干涉器件所感应的电信号按照第二预设比例放大后再负反馈至所述超导量子干涉器件，并输出单调电信号；
与所述反馈电路相连的双比较电路，用于将所述单调电信号按照磁通量子变化周期进行复位，并输出具有周期、单调特性的电信号。
9.根据权利要求6所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述信号识别单元包括：与所述回滞反馈处理单元的输出端相连的微分电路，用于根据所述回滞反馈处理单元所输出的电信号的周期特性中的跳变沿方向生成尖锐的识别电信号。
10.根据权利要求6或8所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述识别电信号包括：三角波形电信号、或脉冲电信号。
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