CN104569868A - 一种超导量子干涉装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导量子干涉装置，包括：探测模块；加载第二偏置电流的工作电压产生模块，在第二偏置电流流经所述工作电压产生模块时产生一与预定工作电压相等的直流电压；运算放大模块，在探测模块工作在预定工作电压下时，输出端的输出电压为零；探测模块在感应到被测磁通信号时，运算放大模块的正输入端和负输入端之间会产生一电压差；正反馈模块，在探测模块感应到被测磁通信号时，响应电压差以形成磁通正反馈；负反馈模块，用于抵消探测模块感应到的被测磁通信号，使得在所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间产生的电压差消失。发明提升SQUID器件磁通电压传输特性，实现放大器前放噪声抑制，提高抗干扰能力，实现传感器电路引线最小化。

Description

一种超导量子干涉装置

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及一种量子干涉装置，特别是涉及一种超导量子干涉装置。

背景技术

超导量子干涉器(superconducting Quantum Interference Device，简称SQUID)是一种非常灵敏的磁通电压转换元件。采用SQUID制作的传感器具有极高的灵敏度，就其功能而言是一种磁通传感器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。SQUID的基本原理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的，根据偏置电流的不同，分为直流和射频两类。SQUID作为探测器，可以测量出10^-11高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。超导量子干涉器广泛应用于心磁、脑磁、极低场核磁共振以及地球物理磁探测等极微弱磁信号检测和极微弱磁场异常研究中，具有很好的应用前景。

直流SQUID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，通以一定的偏置电流，SQUID两端的电压将具有随其感应磁场发生变化的特性。该特性使得SQUID成为磁敏元件。

现有技术中SQUID传感器由SQUID器件配合放大电路工作，并放置在低温保持器中，构建成实用的SQUID磁传感器装置。请参阅图1，显示为现有技术中典型的SQUID磁传感器装置结构示意图，其中，SQUID磁传感器装置1包括低温保持器11、连接导线12、SQUID器件13，及放大电路14，其中所述低温保持器11中具有液氦或液氮。但是现有SQUID器件在制作成磁传感器的实际应用中，存在有以下几个问题：

第一，噪声抑制问题：SQUID器件需要工作在超导状态，因此必须将其放置在低于其超导临界转变温度以下的环境中，低温超导SQUID通常浸泡在液氦(温度是4.2K)环境下，高温超导SQUID则浸泡在液氮(温度是77K)的低温环境下。而与之匹配的放大器则工作在室温(温度是300K)环境下，放大器输入端的电流噪声In和电压噪声Vn相对于低温环境下的SQUID器件而言都是不可忽略的。影响SQUID低噪声性能的发挥。因此如何抑制室温环境下SQUID前置放大器的电压和电流噪声的影响，是提高SQUID磁传感器性能一个重要问题。

第二，抗干扰问题：SQUID器件必须工作在低温环境下保持超导状态，在实际应用中，SQUID通常放置在灌注液氦或液氮的低温保持容器中，而放大器电路则在容器的外部，因此SQUID器件与放大器需要通过一段较长(通常达到1米以上)电缆进行连接，SQUID信号非常微弱，其信号传输到放大器输入端的过程中，极易受到电磁干扰的影响，产生电压噪声，破坏SQUID感应信号，降低传感器性能。传统读出电路对导线中引入电磁噪声没有抑制能力，抗干扰能力很差。

第三，工作点稳定问题：SQUID器件工作点的保持需要放大器电路提供稳定的偏置电流Ib和偏移电压Vb,如图2所示。由于电路在室温环境下，环境温度的波动对Ib和Vb产生影响，引起的波动直接影响SQUID的工作点，进而找出SQUID传感器性能的变化。传统电路无Ib和Vb都在室温电路中调节，无法有效抑制波动对SQUID工作点的影响。

第四，电路连线优化问题：由于SQUID器件和放大电路分别工作在两个温度差异很大的环境下，温度相近300度，环境绝热问题将影响SQUID内低温环境的维持。SQUID器件与放大电路之间通常采用低电阻率的导线，而铜线是热的良导体，因此在多通道SQUID传感器应用中，铜导线数量随着SQUID器件数量而增加，给低温保持系统的绝热设计带来挑战。尽量减少SQUID器件与放大电路的引线数量，是SQUID磁传感器的设计要求。传统电路为了解决抗高问题，采用四引线检测接线，却增加了导线的数量，给多通道应用的热隔离设计带来挑战。

因此，如何提供一种超导量子干涉装置，以解决现有技术中的超导量子干涉装置中存在的室温环境下SQUID前置放大器的电压和电流噪声、极易受到电磁干扰的影响、电流波动对SQUID工作点的影响、及电路布线不优化等种种缺陷，实已成为本领域从业者亟待解决的技术问题。

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装置，用于解决现有技术中超导量子干涉装置中存在的室温环境下SQUID前置放大器的电压和电流噪声、极易受到电磁干扰的影响、电流波动对SQUID工作点的影响、及电路布线不优化的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉装置，用于探测被测磁通信号，包括：加载第一偏置电流的探测模块；所述第一偏置电流使得所述探测模块达到预定工作电压和最大磁通电压传输率；加载第二偏置电流的工作电压产生模块，用于在所述第二偏置电流流经所述工作电压产生模块时产生一与所述预定工作电压相等的直流电压；分别与所述探测模块和工作电压产生模块连接的运算放大模块，包括正输入端，负输入端，及输出端；所述运算放大模块在所述探测模块工作在所述预定工作电压下时，所述输出端的输出电压为零；所述探测模块在感应到所述被测磁通信号时，所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间会产生一电压差；分别与所述探测模块和所述运算放大模块连接的正反馈模块，用于在所述探测模块感应到所述被测磁通信号时，响应所述电压差以形成磁通正反馈；分别与所述正反馈模块和所述运算放大模块连接的负反馈模块，用于抵消所述探测模块感应到的所述被测磁通信号，使得在所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间产生的电压差消失。

可选地，所述正反馈模块包括与所述探测模块连接的第一反馈单元和与所述第一反馈单元连接的第二反馈单元，所述第一反馈单元、第二反馈单元、及所述探测模块形成一封闭环路。

可选地，所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间产生的电压差在所述封闭环路中产生第一电流，所述第一电流通过所述第二反馈单元时产生第一磁通信号，所述第二反馈单元将所述第一磁通信号耦合到所述探测模块上以实现所述探测模块灵敏度的增强。

可选地，所述负反馈模块为一反馈电阻，所述电压差经所述运算放大模块放大后产生一与所述电压差反方向的放大电压，所述放大电压驱动所述反馈电阻产生一反馈电流，所述反馈电流流经所述第二反馈单元时，产生第二磁通信号，并通过所述第二反馈单元将所述第二磁通信号耦合到所述探测模块上以抵消所述第一磁通信号和被测磁通信号。

可选地，所述第二反馈单元包括第一端口、第二端口、第三端口、及第四端口；其中所述第一端口与所述探测模块的一端相连接，所述第二端口与所述第一反馈单元的一端相连接，所述第三端口接地，所述第四端口与所述工作电压产生模块的一端相连接，所述工作电压产生模块的另一端与所述运算放大模块的正输入端相连接，所述探测模块的另一端与所述运算放大模块的负输入端相连接。

可选地，所述第一反馈单元的一端连接在所述运算放大模块的负输入端上，所述第一反馈单元的另一端与所述第二反馈单元的第四端口相连接。

可选地，所述负反馈模块的一端与所述运算放大模块的输出端相连接，所述负反馈模块的另一端与所述第二反馈单元的第二端口相连接。

可选地，所述第一反馈单元为一反馈电阻，所述第二反馈单元为一具有等电位特性的超导线圈，所述超导线圈在低温环境下为一零电阻导线。

如上所述，本发明所述的超导量子干涉装置，具有以下有益效果：

1、本发明具有SQUID器件磁通-电压传输特性提升功能，实现放大器前放噪声影响的抑制。

2、本发明具有放大器正输入端和负输入端偏置电流噪声和波动的抑制。

3、本发明抑制了SQUID工作点处偏置电流Ib1和直流电压Vb的波动，实现工作点稳定

4、本发明具有共模干扰抑制能力，抑制SQUID信号引出线路中共模干扰的影响，提高了抗干扰能力。

5、本发明的共模抑制解决共地干扰问题，实现只用一根共地引线设计，实现传感器电路引线最小化。

附图说明

图1显示为现有技术中典型的SQUID磁传感器装置结构示意图。

图2显示为本发明的超导量子干涉装置的原理结构示意图。

图3显示为本发明的超导量子干涉装置的一种实施方式电路图。

图4显示为本发明的超导量子干涉装置中超导量子干涉器的磁通电压传输特性曲线示意图。

元件标号说明

2 超导量子干涉装置

21 探测模块

22 工作电压产生模块

23 运算放大模块

24 正反馈模块

25 负反馈模块

241 第一反馈单元

242 第二反馈单元

A 第一端口

B 第二端口

C 第三端口

D 第四端口

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。

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。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

本实施例提供一种超导量子干涉装置2，用于探测被测磁通信号，将感应到的被测磁通信号线性转换成等比例的电压。请参阅图2和图3，分别显示为超导量子干涉装置的原理结构示意图和超导量子干涉装置的一种实施方式电路图。如图2所示，所述超导量子干涉装置2包括探测模块21、工作电压产生模块22、运算放大模块23、正反馈模块24、及负反馈模块25。

其中，在本实施例中，所述探测模块21包括有多个超导量子干涉器，即SQUID，所述探测模块可以由单个或多个串联的超导量子干涉器件(DC SQUID)构成。所述探测模块用于感应所述超导量子干涉装置2所处地理环境中的被测磁通信号。所述探测模块21上加载有第一偏置电流I_b1，该第一偏置电流I_b1能够使所述超导量子干涉器达到预定工作电压和最大磁通电压传输率。请参阅图4，显示为超导量子干涉装置中超导量子干涉器的磁通电压传输特性曲线，其中，如图4所示，图4中所示W点为所述超导量子干涉器件的工作点，也就是所述超导量子干涉器件进入最佳工作状态。

所述工作电压产生模块22加载有第二偏置电流I_b2，所述工作电压产生模块22用于在所述第二偏置电流流经所述工作电压产生模块22时产生一与所述预定工作电压相等的直流电压使得所述运算放大模块23在所述超导量子干涉器件进入最佳工作状态时，所述运算放大模块23的正输入端的电压和负输入端的电压相等，输出端的电压为零。因此，在所述工作电压产生模块22上加载第二偏置电流I_b2是为了抵消所述探测模块21在进入最佳工作状态时产生的工作电压，使得所述运算放大模块23的正输入端的电压和负输入端的之间的电压差为零。在本实施例中，所述工作电压产生模块22为一分压电阻R_p。

所述运算放大模块23分别与所述探测模块21和工作电压产生模块22连接，其包括正输入端231，负输入端232，及输出端233。所述运算放大模块23在所述探测模块21工作在所述预定工作电压下时，所述输出端的输出电压为零；在所述探测模块21在感应到所述被测磁通信号Φ_e时，所述运算放大模块11的正输入端和负输入端之间会产生一电压差Δv。在本实施例中，所述运算放大模块23为一运算放大器(OPA)。

所述正反馈模块24分别与所述探测模块21和所述运算放大模块23连接，所述正反馈模块24用于在所述探测模块21感应到所述被测磁通信号Φ_e时，响应所述电压差Δv以形成磁通正反馈。所述正反馈模块24包括第一反馈单元241和第二反馈单元242。在本实施例中，在所述探测模块21就近并联一正反馈模块24是为了实现电压正反馈，使得响应所述被测磁通信号Φ_e的电压差Δv得到增强，即实现了比普通SQUID器件更大的磁通电压转换率。也就是说，所述探测模块21感应到的被测磁通信号Φ_e在所述运算放大模块11的正输入端和负输入端之间产生的电压差Δv驱动所述第一反馈单元241，在本实施例中，所述第一反馈单元241为一反馈电阻Rs，在探测模块21、第一反馈单元241、及第二反馈单元242形成的封闭环路中产生第一电流Δi_s，所述第一电流Δi_s的计算公式为：

$\mathrm{\Δ}{i}_s=\frac{({\mathrm{\Φ}}_e+\mathrm{\Δ}{i}_s*M_f)*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}}{R_d+R_s}$ 公式(1)

通过公式(1)可以推导出第一电流Δi_s

$\mathrm{\Δ}{i}_s=\frac{{\mathrm{\Φ}}_e*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}}{R_d+R_s-M_f*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}}$ 公式(2)

公式(1)和公式(2)中的M_f为第二反馈单元的与SQUID的互感耦合系数，是磁通探测模块的磁通-电压转换率，是一个比值系数，该系数乘以探测模块所感应的磁通，就是其感应产生的电压，因此被测磁通信号在探测模块21上感应的电压是第一磁通信号在探测模块21引起的电压是R_d为所述探测模块21中SQUID器件本身的电阻(或程动态电阻)，R_s为第一反馈单元的反馈电阻。

所述第一电流Δi_s通过所述第二反馈单元242时，在本实施例中，所述第二反馈单元242为一超导线圈Lf，产生第一磁通信号，通过所述第二反馈单元242与所述探测模块21互感，所述第二反馈单元将所述第一磁通信号耦合到所述探测模块上以实现所述探测模块21灵敏度的增强。

因此，通过上述公式(2)可以推导出在所述运算放大模块23的正输入端和负输入端之间产生的电压差Δv的计算公式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δv}=\mathrm{\Δ}{i}_s*R_s={\mathrm{\Φ}}_e*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}*\frac{R_s}{R_d+R_s-M_f*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}}\\ ={\mathrm{\Φ}}_e*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}*\frac{1}{1-M_f*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}/R_d+R_d/R_s}\end{array}$ 公式(3)

若没有所述正反馈模块24的情况下，SQUID响应所述被测磁通信号产生的电压差因此，可以看出，通过所述正反馈模块24后产生的电压差 $\mathrm{\Δv}=\mathrm{\Δ}{v}^{\′}*\frac{1}{1-M_f*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}/R_d+R_d/R_s},$ 放大倍数是只要选择Mf和电阻Rs的值，使得放大倍数就大于1，也就是说电压差Δv大于Δv'，分母趋近0放大倍数就越大。上述公式的分母趋近于0，但不为0，就可以实现稳定的电压正反馈，且产生的感应电压就比普通SQUID器件产生的感应电压大。因此，就实现了SQUID器件的磁通电压传输率的提升。新的磁通电压传输率是：

即在普通SQUID的磁通-电压传输率基础上，增大了倍。在新的更大的磁通电压传输率下，根据运算放大器噪声电压引入的等效磁通噪声公式：

${\mathrm{\Φ}}_n^{\mathrm{OPA}}=\frac{V_n^{\mathrm{OPA}}}{\frac{\∂V^{*}}{\∂\mathrm{\Φ}}}=\frac{V_n^{\mathrm{OPA}}}{\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}}\·(1-M_f*\frac{\∂v}{\∂\mathrm{\Φ}}/R_d+R_d/R_s)$ 公式(4)

可知，运算放大器噪声电压引入的等效磁通噪声变得更小。因此该电路功能是提升SQUID器件磁通电压传输率，抑制常温放大器输入端电压噪声的等效磁通噪声。器件的磁通-电压传输率提升降低了放大器噪声对SQUID器件性能的影响，因此本实施例实现了低噪声的SQUID磁传感器。如图3所示，在本实施例中，所述第二反馈单元242包括第一端口A、第二端口B、第三端口C、及第四端口D；其中，所述第一反馈单元241的另一端与所述第二反馈单元242的第四端口D相连接。所述第一端口A与所述探测模块的一端相连接，所述第二端口B与所述第一反馈单元的一端相连接，所述第三端口C接地，所述第四端口D与所述工作电压产生模块的一端相连接，所述工作电压产生模块22的另一端与所述运算放大模块23的正输入端231相连接，所述探测模块21的另一端与所述运算放大模块23的负输入端232相连接。所述第一反馈单元241的一端连接在所述运算放大模块23的负输入端232上，所述负反馈模块25的一端与所述运算放大模块23的输出端233相连接，所述负反馈模块25的另一端与所述第二反馈单元242的第二端口B相连接。

本实施例中的超导线圈Lf是采用超导线制作的电感线圈，与SQUID耦合系数Mf。当与SQUID一同工作在低温环境下时，就成为零电阻的导线，因此不会因流过的电流而产生电压，因此该超导线圈上的任何节点上流入和流出电流，都不会引起电压差，整个超导线圈是等电位的。以下详细介绍所述超导线圈电流汇流功能：

超导线圈Lf与SQUID的互感系数为Mf，即第一端口A和第二端口B之间的线圈与SQUID的耦合互感系数为Mf。超导线圈第三端口C接地，因此所有在超导线圈端子上接入的电流都汇集到第三端口C上。第一端口A和第三端口C之间部分的线圈与SQUID的互感为iMf(i为小于的系数)，第四端口D到第三端口C之间部分的线圈与SQUID的互感为jMf(j为小于1的系数)，第二端口B与第三端口C之间部分线圈与SQUID的互感为kMf(k为小于1的系数)。上述系数i，j，k由对应线圈节点的空间几何位置决定，体现了对应节点之间的分段线圈与SQUID的互感同整个超导线圈I_f总体互感M_f的比例。如：

系数i：代表超导线圈第一端口A和第三端口C之间线圈段与SQUID互感占总互感比例。

系数j：代表超导线圈第四端口D和第三端口C之间线圈段与SQUID互感占总互感比例。

系数k：代表超导线圈第二端口B与第三端口C之间线圈段与SQUID互感占总互感比例。

利用超导线圈的等电位特性，实现各分支电流注入，产生相应的感应磁通：在超导线圈两端即第一端口A和第二端口B之间还提供第三端口C和第四端口D。其中，超导线圈的第三端口C通过低温电缆在室温电路接地。所述第三端口C是上述各路电流的汇集点，其他接入超导线圈的电流都通过该接线端回流到电路的信号地中：

超导线圈的第1端与SQUID一端相连。流经SQUID的电流从超导线圈Lf的第一端口A流入，从第三端口流出，汇流到信号地。

分压电阻R_p与超导线圈的第四端口D连接。流经分压电阻R_p的电流从超导线圈Lf的第四端口D流入，从第三端口C流出到电路的信号地。

反馈电阻R_s与超导线圈的第二端口B连接，流经反馈电阻R_s的电流从超导线圈Lf的第二端口B流入，从第三端口C流出汇流到电路的信号地。

反馈电阻R_f与超导线圈的第二端口B连接，流经反馈电阻的反馈电流从超导线圈Lf的第二端口B流入，从第三端口C流出汇流到电路的信号地。

以上3个支路的电流流如超导线圈If，并通过线圈的第3端汇流到地，电流通过线圈产生磁通反馈到SQUID器件中，实现相应的磁通-电压转换功能。同时由于超导线圈If等电位特性，各支路电流的变化不会引起电位差，因此避免了个支路的相互影响。

所述负反馈模块25分别与所述正反馈模块24和所述运算放大模块23连接，所述负反馈模块25用于驱动所述第二反馈单元242，即超导线圈，产生第二磁通信号，抵消所述探测模块21感应到的所述被测磁通信号Φ_e，使得在所述运算放大模块23(OPA)的正输入端231和负输入端232之间产生的电压差Δv消失实现了磁通电压线性转换，即消除OPA放大器正负输入端两端由外部被测磁通和第一磁通信号引起的电压差(注，第一磁通信号的作用是增强由外部被测磁通引起的电压差，即正反馈效应)。也就是说所述负反馈模块为一反馈电阻Rf，所述电压差经所述运算放大模块23放大后产生一与所述电压差反方向的放大电压，所述放大电压驱动所述反馈电阻Rf产生一反馈电流，所述反馈电流流经所述第二反馈单元242时，产生第二磁通信号，并通过所述第二反馈单元242将所述第二磁通信号耦合到所述探测模块上以抵消所述第一磁通信号第一磁通信号及被测磁通信号。因为只有完全抵消外部被测磁通信号，才能消除运算放大器正负输入端的电压差，负反馈的功能就是始终产生反馈磁通抵消外部被测磁通信号。由于产生第二磁通信号的电压，即放大器的输出电压是与反馈磁通成比例的，因此根据反馈磁通与外部被测磁通负反馈跟踪抵消的关系，放大器的输出电压就与外部被测磁通成比例。因此测量本传感器运算放大器的输出电压就可以得知外部被测磁通量的大小，这就是该传感器检测被测磁通实现磁通-电压转换的原理。

由于OPA是一个放大倍数非常大的放大器(可达10⁸)。因此将电压差放大，放大后的电压与SQUID低温电路产生的电压Δv是反相的，该反相输出电压驱动反馈电阻Rf，产生相应的反馈电流由超导线圈Lf的第二端口B流入，第三端口C流出，回到信号地。反馈电流流经超导线圈Lf时，产生反馈磁通耦合到SQUID中，由于运算放大模块23输出电压与SQUID电压成反相关系，因此反馈电流产生的磁通是与输入的被测磁通信号成反相关系，即相互抵消的。这就形成了负反馈环，即抵消外部输入的被测磁通信号的产生的磁通量，使得SQUID不断减小输出电压。由于运算放大模块23的放大倍数非常大，因此最终稳定平衡的情况下，运算放大模块23正负输入端的电压差接近为零，即运算放大模块23输出通过反馈电阻Rf和超导线圈Lf产生的第二磁通信号抵消了外部输入的第一磁通信号第一磁通信号，使得SQUID重新回到了工作点。由于第二磁通信号和第一磁通信号第一磁通信号相等。第二磁通信号与放大器的输出电压成比例关系，因此运算放大器的输出电压Vfll就与输入磁通成比例线性关系：

V_out＝k*Φ_e 公式(5)

实现了输入磁通到输出电压的线性转换。

在本实施例中，所述超导量子干涉装置2还具有抑制第一偏置电流I_b1对传感器输出的影响。当第一偏置电流I_b1由于常温电路引入噪声或者随温度漂移产生波动，产生流向SQUID的变化的电流ΔI_b1，由于SQUID器件动态电阻的存在，SQUID两端产生相应的与波动电流同相的电压波动ΔV_s1，同时流进SQUID器件的波动电流从超导线圈Lf的第一端口A流入，从第三端口C流出，流经了超导线圈Lf，产生了一个反馈磁通，该反馈磁通使得SQUID器件产生一个与ΔV_s1反相的电压ΔV_s2这两个电压成反相关系，当电压幅度接近时，总和的电压在运算放大模块23(OPA)负输入端产生的电压很小。因此抑制了第一偏置电流I_b1波动对传感器输出的影响。

在本实施例中，所述超导量子干涉装置2还具有抑制第二偏置电流I_b2波动对传感器输出的影响：当第二偏置电流I_b2由于常温电路引入噪声或者随温度漂移产生波动，产生流入工作点电压抵消分压电阻Rp的波动电流ΔI_b2，相应得在电阻Rp上产生一个波动电压ΔV₂，输入到放大器OPA的正输入端。同时该波动电流ΔI_b2，流入了超导线圈Lf的第四端口D，从第三端口C流出，回流到电路信号地。流经超导线圈后，产生相应的感应磁通耦合到SQUID器件中，在SQUID器件上产生了与ΔV₂同相的SQUID响应电压ΔV_s2。SQUID器件产生的响应电压ΔV_s2输入到运算放大器OPA的负输入端，由于ΔV₂和ΔV_s2，是同相的，当两个电压幅度接近时，在运算放大器正负输入端产生的电压差大大减小，因此抑制了第二偏置电流I_b2波动对传感器输出的影响。

在本实施例中，所述超导量子干涉装置2还具有共模噪声抑制功能：本实施例中的运算放大模块23检测的是放大器正负输入端的电压差，因此由于外界电磁干扰，在正负输入端引线上产生的共模电压Vn1对放大器的输出不会产生影响，因此实现了信号引线上共模电压的抑制，提供了传感器信号引线抗干扰的能力。此外低温电路部分的第4端端口D实现汇流功能并通过导线将电流接到电路的信号地上。如果引线较长，具有引线电阻，流过引线电阻的电流会在该回路上产生共地电压Vn2,由于本结构具有抗共模干扰抑制的能力，也不会对传感器输出产生影响。鉴于此，反馈回路产生反馈磁通的电流较大，该反馈电流也通过该接地引线实现电流回流到信号地，即使产生了一定的引线电压，对SQUID工作点不会造成影响，由于共模抑制功能的存在，传感器的输出也不会发生波动。

本发明所述的超导量子干涉装置具有以下优点：

1、本发明具有SQUID器件磁通-电压传输特性提升功能，实现放大器前放噪声影响的抑制。

2、本发明具有放大器正输入端和负输入端偏置电流噪声和波动的抑制。

3、本发明抑制了SQUID工作点处偏置电流Ib1和直流电压Vb的波动，实现工作点稳定

4、本发明具有共模干扰抑制能力，抑制SQUID信号引出线路中共模干扰的影响，提高了抗干扰能力。

5、本发明的共模抑制解决共地干扰问题，实现只用一根共地引线设计，实现传感器电路引线最小化。

综上所述，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 (8)

1.一种超导量子干涉装置，用于探测被测磁通信号，其特征在于，包括：

加载第一偏置电流的探测模块；所述第一偏置电流使得所述探测模块达到预定工作电压和最大磁通电压传输率；

加载第二偏置电流的工作电压产生模块，用于在所述第二偏置电流流经所述工作电压产生模块时产生一与所述预定工作电压相等的直流电压；

分别与所述探测模块和工作电压产生模块连接的运算放大模块，包括正输入端，负输入端，及输出端；所述运算放大模块在所述探测模块工作在所述预定工作电压下时，所述输出端的输出电压为零；所述探测模块在感应到所述被测磁通信号时，所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间会产生一电压差；

分别与所述探测模块和所述运算放大模块连接的正反馈模块，用于在所述探测模块感应到所述被测磁通信号时，响应所述电压差以形成磁通正反馈；

分别与所述正反馈模块和所述运算放大模块连接的负反馈模块，用于抵消所述探测模块感应到的所述被测磁通信号，使得在所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间产生的电压差消失。

2.根据权利要求1所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述正反馈模块包括与所述探测模块连接的第一反馈单元和与所述第一反馈单元连接的第二反馈单元，所述第一反馈单元、第二反馈单元、及所述探测模块形成一封闭环路。

3.根据权利要求2所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述运算放大模块的正输入端和负输入端之间产生的电压差在所述封闭环路中产生第一电流，所述第一电流通过所述第二反馈单元时产生第一磁通信号，所述第二反馈单元将所述第一磁通信号耦合到所述探测模块上以实现所述探测模块灵敏度的增强。

4.根据权利要求3所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述负反馈模块为一反馈电阻，所述电压差经所述运算放大模块放大后产生一与所述电压差反方向的放大电压，所述放大电压驱动所述反馈电阻产生一反馈电流，所述反馈电流流经所述第二反馈单元时，产生第二磁通信号，并通过所述第二反馈单元将所述第二磁通信号耦合到所述探测模块上以抵消所述第一磁通信号和被测磁通信号。

5.根据权利要求2所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述第二反馈单元包括第一端口、第二端口、第三端口、及第四端口；其中所述第一端口与所述探测模块的一端相连接，所述第二端口与所述第一反馈单元的一端相连接，所述第三端口接地，所述第四端口与所述工作电压产生模块的一端相连接，所述工作电压产生模块的另一端与所述运算放大模块的正输入端相连接，所述探测模块的另一端与所述运算放大模块的负输入端相连接。

6.根据权利要求5所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述第一反馈单元的一端连接在所述运算放大模块的负输入端上，所述第一反馈单元的另一端与所述第二反馈单元的第四端口相连接。

7.根据权利要求5所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述负反馈模块的一端与所述运算放大模块的输出端相连接，所述负反馈模块的另一端与所述第二反馈单元的第二端口相连接。

8.根据权利要求2所述的超导量子干涉装置，其特征在于：所述第一反馈单元为一反馈电阻，所述第二反馈单元为一具有等电位特性的超导线圈，所述超导线圈在低温环境下为一零电阻导线。