CN104880679B - 超导量子干涉器磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导量子干涉器磁传感器。所述磁传感器包括：第一超导量子干涉器件；欠反馈电路，用于将第一超导量子干涉器件所输出的电信号按预设比例放大后负反馈至第一超导量子干涉器件，使得反馈后的第一超导量子干涉器输出的电信号以周期单值特性输出并且反馈后的电信号在外部磁通所包含的各磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至磁通量子变化周期初始时的工作零点；信号处理单元，用于根据所接收的电信号中各跳变沿的方向来确定各磁通量子变化周期的数字波形信号的幅值并生成数字波形信号，并将所接收的电信号与所生成的数字波形进行叠加。本发明能够在多个磁通量子变化周期的跨度范围内进行测量，有效增加了测量时间和量程。

Description

超导量子干涉器磁传感器

技术领域

本发明涉及一种磁传感器，特别是涉及一种超导量子干涉器磁传感器。

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。这是由于常规SQUID传感器锁定一次的工作时间要根据外部环境磁场干扰情况而定，有的能工作几分钟到几个小时，它是在受到外部如电力装置、手机等电磁场发生装置的干扰，造成失锁。这种干扰具有一定的随机性。因此这里主要说明基于FLL的SQUID磁传感器易受干扰，且重新锁定后不能回复到原先的工作零点，无法实现测量的连续性。因此，现有的SQUID磁传感器不适用长时间连续工作的系统。因此限制了SQUID的应用。

随着SQUID磁传感器在地磁测量等领域的扩展，如何发挥SQUID器件的特点并能长时间（如1天甚至一个月以上）的测量外部磁通，避免传统SQUID磁传感器工作零点跳变造成测量不连续，是本领域技术人员所要解决的问题。

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器磁传感器，用于解决现有技术中的SQUID磁传感器无法长时间、无需在锁定工作零点所在量程区间内测量外部磁通的问题。

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器磁传感器，包括：用于感应外部磁通的第一超导量子干涉器件；与所述第一超导量子干涉器件相连、且负反馈至所述第一超导量子干涉器件的欠反馈电路，用于将所述第一超导量子干涉器件所输出的电信号按预设比例放大后负反馈至所述第一超导量子干涉器件，使得所述第一超导量子干涉器件经反馈后的电信号以周期单值特性输出，并且反馈后的电信号在所述外部磁通所包含的各磁通量子变化周期初始时处于工作零点、所述磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至所述工作零点；与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连的信号处理单元，用于根据所接收的电信号中各跳变沿的方向来确定各所述磁通量子变化周期的数字波形信号的幅值并生成所述数字波形信号，以将所述幅值作为磁通量子的整数倍计数，并将所接收的电信号与所生成的数字波形进行叠加，以得到反映所述外部磁通在连续的磁通量子的整数倍变化期间的电信号。

优选地，所述反馈后的电信号在所述外部磁通所包含的各磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至所述磁通量子变化周期初始时的工作零点所满足的临界条件为其中，为所述欠反馈电路输出为电压峰峰值期间所述第一超导量子干涉器件所感应的磁通变化量，为所述反馈电路输出为电压峰峰值期间自身产生的反馈磁通变化量，Φ₀为一个磁通量子。

优选地，所述欠反馈电路包括：放大单元，用于将所述第一超导量子干涉器件所感应的电信号按照预设比例予以放大；依次与所述第一超导量子干涉器件相连的反馈电阻和反馈电感。

优选地，所述放大单元为与所述第一超导量子干涉器件相连的比例放大器，所述比例放大器的输出端为所述第一超导量子干涉器件的输出端；则所述反馈电阻与所述比例放大器的输出端连接，所述反馈电感与所述反馈电阻相连且所述第一超导量子干涉器件互感。

优选地，所述第一超导量子干涉器件通过所述比例放大器的输出端输出经欠反馈后的电信号。

优选地，所述放大单元包括：与所述第一超导量子干涉器件互感连接的磁通放大回路包括：与所述第一超导量子干涉器件互感的电感L_a、与所述反馈电感互感且与电感L_a串联的第二超导量子干涉器件、与所述第二超导量子干涉器件和电感L_a并联的电阻R_b22，以及与所述第二超导量子干涉器件互感的直流磁通调节回路；则所述反馈电阻与所述第一超导量子干涉器件相连，所述反馈电感与所述反馈电阻相连；所述反馈电阻与所述第一超导量子干涉器件的连接端还与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连。

优选地，所述信号处理单元包括：与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连的计数波形生成器，用于按照所接收的电信号的周期和所述电信号的跳变沿的方向生成数字波形信号，其中，当所接收的电信号为下跳变沿将当前数字波形信号的幅值增加一个磁通量子，当所接收的电信号为上跳变沿将当前数字波形信号的幅值减少一个磁通量子；与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连的整型滤波器，用于将所接收的电信号进行线性矫正；与所述计数波形生成器和整型滤波器相连的合成器，用于将矫正后的电信号与所生成的数字波形信号进行叠加，以得到对应于所述外部磁通的跨多个磁通量子变化周期的电信号。

优选地，所述超导量子干涉器磁传感器还包括：向所述第一超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第一偏置电路。

优选地，所述超导量子干涉器磁传感器还包括：向所述第一超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第一偏置电路，以及向所述第二超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第二偏置电路。

如上所述，本发明的超导量子干涉器磁传感器，具有以下有益效果：利用欠反馈电路来改变第一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，且在连续变化的多个磁通量子变化周期内，呈现若磁通增加一个变化周期，电信号具有一个下跳变沿，若磁通减少一个变化周期，电信号具有一个上跳变沿的特征，如此，本发明所述的超导量子干涉器磁传感器能够在多个磁通量子变化周期的跨度范围内进行测量且无需进行工作零点锁定，能有效增加超导量子干涉器件磁传感器的测量时间和量程。

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第一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的一种优选方式的结构示意图。

图5显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器的又一种优选方式的结构示意图。

图6显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器中信号处理单元的一种优选方式的结构示意图。

图7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信号处理单元中整型滤波器、计数波形生成器和合成器各自所输出的电信号波形示意图。

元件标号说明

1 超导量子干涉器磁传感器

11 第一超导量子干涉器件

12 欠反馈电路

121 比例放大器

121’ 磁通回路放大器

122、122’ 反馈电阻

123、123’ 反馈电感

124 直流磁通调节回路

13 信号处理单元

131 计数波形生成器

132 整型滤波器

133 合成器

14 第一偏置电路

1 第二偏置电路

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。

请参阅图1至图7。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下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。

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能够感应外部环境的磁通在多个连续跨度变化的磁通量子变化周期内的磁场信号，并将所感应的磁场信号转换为电信号。

所述超导量子干涉器磁传感器1包括：第一超导量子干涉器件11，欠反馈电路12及信号处理单元13。

所述第一超导量子干涉器件11用于感应外部磁通。其中，所述外部磁通以一个磁通量子（2.07×10^-15韦伯）的整数倍划分多个磁通量子变化周期。所述第一超导量子干涉器件11被放置在超导环境中。所述第一超导量子干涉器件11在一个所述磁通量子变化周期内感应输出的电信号具有周期多值性。例如，所述第一超导量子干涉器件11在一个磁通量子变化周期内所输出的电信号的波形类似于正弦波。

所述欠反馈电路12与所述第一超导量子干涉器件11相连、且负反馈至所述第一超导量子干涉器件11，用于将所述第一超导量子干涉器件11所输出的电信号按预设比例放大后负反馈至所述第一超导量子干涉器件11，使得所述第一超导量子干涉器件经反馈后的电信号以周期单值特性输出，并且反馈后的电信号在所述外部磁通所包含的各磁通量子变化周期初始时处于工作零点、所述磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至所述工作零点。

具体地，本发明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，由所述欠反馈电路12将所述第一超导量子干涉器件11所输出的电信号进行放大并负反馈至所述第一超导量子干涉器件11，使得反馈至所述第一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，使得所述第一超导量子干涉器件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，并且反馈后的电信号在所述外部磁通所包含的各磁通量子变化周期初始时处于工作零点、所述磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至所述工作零点。其中，所述工作零点可以是某一电压值，该电压值经过偏移电压的调节处理后，所述工作零点调节到0v。

优选地，以图2中工作零点(即图2中电压为V_ofs所对应的W_-1、W、W₁点)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。当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第一超导量子干涉器件11输出随着磁通量增大而增大，同时欠反馈电路12产生负反馈磁通阻尼所述第一超导量子干涉器件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，所述第一超导量子干涉器件11所输出的电压达到正的最大值；外部磁通再增大，所述第一超导量子干涉器件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，所述第一超导量子干涉器件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第一超导量子干涉器件11输出随着磁通量减小而减小，同时所述欠反馈电路12产生负反馈磁通阻尼所述第一超导量子干涉器件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，同时所述第一超导量子干涉器件11所输出的电压达到负的最大值；当外部磁通再减小，所述第一超导量子干涉器件11输出电压产生的负反馈磁通不足以抵消外磁通的增大，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，所述第一超导量子干涉器件11输出回归至工作零点。

由上述分析课件，从工作零点出发，磁通增大到一个磁通量子时，将发生工作零点跳跃，满足临界条件：

其中，f_FBV(V_ofs)为工作零点处的反馈磁通。

上述两式（1）（2）相减，得到周期单值SQUID磁传感器特性实现要满足的临界条件：

综合上述外部磁通在正方向和负方向变化，及正好达到整数个周期时发生磁通跳跃的分析，可得到发生工作零点跳跃的临界条件如下：其中：为所述欠反馈电路12输出电压峰峰值期间所述第一超导量子干涉器件11所感应的磁通变化量，Φ₀为一个磁通量子。

因此，该最大感应磁通量与所述第一超导量子干涉器件11输出电压峰峰值是所述第一超导量子干涉器件11的本身的磁通电压转换特性决定的：如果把所述第一超导量子干涉器件11磁通电压转换特性看成一个函数，满足如下关系：其中，为所述反馈电路输出电压峰峰值期间自身产生的反馈磁通变化量。该最大反馈磁通量是所述反馈电路输出电压峰峰值的某个函数为

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。

还需要说明的是，本方案除了实现被测磁场与响应输出电压信号成单值关系外，还对外部磁场变化的响应是回滞的。即磁场增大时响应曲线与磁场减小时响应曲线是不重合的。根据图2所示的波形，从工作零点开始，外磁通逐渐增加，上述基于欠反馈，所述欠反馈电路12所输出的电信号的磁传感电压逐渐增大，即电压输出与磁通变化成单值关系。当外磁通相对于零点的磁通变化正好达到一个磁通量子Φ₀，此时所述电压达到正电压最大值，并由最大值跳变为零，所述欠反馈电路12的输出与初始工作零点状态相同，因此呈现出周期特性，周期正好为一个磁通量子。只要磁通继续增加，则传感器的电压输出保持周期性的单值特性。当外部磁通逐渐减小，所述磁传感器电压输出向负电压方向变化。直到相对于工作零点的磁通变化达到一个磁通量子，此时传感器电压达到负电压最大值，并由负电压最大值跳变为零。

当所述第一超导量子干涉器件11所感应的外部磁通在多个磁通量子变化周期内连续变化时，所述欠反馈电路12所输出的电信号呈现周期单值特性，即外磁通与电压关系在一个磁通周期内(因为特性曲线都是以一个磁通量子Φ₀为周期的，以下都称为磁通量子变化周期)是单调的；同时，由于磁通电压特性曲线呈现回滞特性，当发生由正电压最大值向零跳变时（即下跳变沿），说明外部磁通在下一周期的磁通比当前周期的磁通多一个磁通量子；当发生输出电压由负电压最大值向零跳变（即上跳变沿）时，说明外部磁通在下一周期的磁通比当前周期的磁通少一个磁通量子。

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），则所述第一超导量子干涉器件11在所述欠反馈电路12的作用下最终所输出的电信号的波形为周期单值的。其中，图3中自上而下所展示的波形分别为：外加磁通、所述欠反馈电路反馈后所输出的电信号。

本实施例中，所述欠反馈电路12包括：放大单元、反馈电感和反馈电阻。其中，所述反馈电阻与输出端相连。

所述放大单元与所述第一超导量子干涉器件11连接，用于将所述第一超导量子干涉器件11所感应的电信号按照预设比例予以放大。

所述反馈电阻和反馈电感依次与所述第一超导量子干涉器件11相连。

基于本实施例所述的放大单元、反馈电感和反馈电阻，本发明还更加具体的给出两个实施方案：

一种实施方案为：如图4所示，所述放大单元为与所述第一超导量子干涉器件11相连的比例放大器121；则所述反馈电阻122与所述比例放大器121的输出端连接，所述反馈电感123与所述反馈电阻122相连且所述第一超导量子干涉器件11互感；所述欠反馈电路12的输出端为所述比例放大器121的输出端。

具体地，本实施方案中，所述欠反馈电路12先将所述第一超导量子干涉器件11所感应的电信号进行预设比例的放大，再将放大后的电信号通过所述反馈电感123负反馈至所述第一超导量子干涉器件11。其中，所述第一超导量子干涉器件11的输出端可以单独连接一比例放大器，优选地，所单独连接的比例放大器与所述比例放大器121共用，则所述第一超导量子干涉器件11通过所述比例放大器121的输出端输出经欠反馈后的电信号。为了避免所述反馈电阻122对所述第一超导量子干涉器件11产生大的分流，而影响所述第一超导量子干涉器件11输出电压的幅度，则要求所述反馈电阻122的阻值为第一超导量子干涉器件11动态电阻10倍以上。其中，所述欠反馈电路12按比例放大并负反馈的磁通反馈系数K_F应满足：其中，M_f为所述欠反馈电路12与第一超导量子干涉器件11之间的互感，R_F为所述欠反馈电路12中的反馈电阻的阻值，G₀为比例放大系数。调整所述磁通反馈系数K_F的方式包括但不限于：通过调节反馈电阻的阻值来调整所述磁通反馈系数；或者通过调整所述第一超导量子干涉器件11的可调偏置电流来调整所述磁通反馈系数等。

另一种实施方案为：如图5所示，所述放大单元包括：与所述第一超导量子干涉器件11互感连接的磁通放大回路121’包括：与所述第一超导量子干涉器件11互感的电感L_a、与所述反馈电感123’互感且与电感L_a串联的第二超导量子干涉器件、与所述第二超导量子干涉器件和电感L_a并联的电阻R_b22，以及与所述第二超导量子干涉器件互感的直流磁通调节回路124；则所述反馈电阻122’与所述第一超导量子干涉器件11相连，所述反馈电感123’与所述反馈电阻122’相连；所述反馈电阻122’与所述第一超导量子干涉器件11的连接端还与所述欠反馈电路12的输出端相连。优选地，所述磁通放大回路121’、直流磁通调节回路124、第一超导量子干涉器件11和反馈电感123’集成在一个集成电路板上，并置入超导环境中。

其中，所述第二超导量子干涉器件（SQD2）的直流磁通调节电路由可调电压V_dc和电阻R_dc串联电感L_dc构成回路，调节V_dc驱动电阻R_dc产生电流，电流经L_dc转换成磁通并通过互感M_dc将直流磁通耦合到SQD2中。V_dc和R_dc的参数选取要使得在SQD2中能产生至少一个磁通量子Φ₀的可调磁通，直流磁通调节使得超导量子干涉器件能在磁通电压传输率最大的工作零点将欠反馈电路12反馈线圈L_f产生的磁通进行放大。图中R_b22和R_b21将偏置电压V_b2进行分压，R_b22在0.1欧姆到5欧姆范围内选取。R_b21选择与V_b2配合，使得R_b22两端产生0～100uV范围可调的偏置电压加载到与之并联的第二超导量子干涉器件中。

图5所示电路的工作过程为：所述欠反馈电路12中的反馈电感先将所述第一超导量子干涉器件11所感应的电信号反馈至第二超导量子干涉器件，再由所述第二超导量子干涉器件、电感L_a和电阻R_b22所构成的磁通回路放大器进行预设比例放大后负反馈给所述第一超导量子干涉器件11。

由上述两个实施例可见，所述欠反馈电路12可以为如图4所示的线性欠反馈电路，也可以是如图5所示的非线性欠反馈电路，因此，本发明中所述的欠反馈电路并不止于上述两实施例，只要经欠反馈后的电信号的在一个磁通量子变化周期内的峰值和工作零点满足所述临界条件即可。

接着，所述信号处理单元13与所述第一超导量子干涉器件11的输出端相连，用于根据所接收的电信号中各跳变沿的方向来确定相应周期的数字波形信号的幅值，按照所接收的电信号的周期来生成数字波形信号，并将所接收的电信号与所生成的数字波形信号进行叠加，以得到反应所述外部磁通连续变化的电信号。其中，所述信号处理单元13可以是包含CPU的智能电子设备，如，嵌入式设备、单片机、计算机设备等。其中，当所接收的电信号为下跳变沿将当前数字波形信号的幅值增加一个磁通量子Φ₀，当所接收的电信号为上跳变沿将当前数字波形信号的幅值减少一个磁通量子Φ₀。其中，所述数字波形信号的波形可以是方波等。

具体地，所述信号处理单元13应用磁通增大和减小一个磁通量子变化周期所输出的电信号的电压回滞的特性，进行磁通周期的计数。即，外磁通变化不满一个周期的根据对所述电信号的电压值进行判断，超过一个周期的，则根据电压的跳变，进行磁通周期计数。

优选地，如图6所示，所述信号处理单元13包括：计数波形生成器131、整型滤波器132、合成器133。其中，所述信号处理单元中的各部分优选的采用数字信号处理的方式来实现，以拓宽整个磁传感器的量程。

所述计数波形生成器131与所述第一超导量子干涉器件11的输出端相连，用于按照所接收的电信号的周期和所述电信号的跳变沿的方向生成数字波形信号，其中，当所接收的电信号为下跳变沿将当前数字波形信号的幅值增加一个磁通量子，当所接收的电信号为上跳变沿将当前数字波形信号的幅值减少一个磁通量子。

所述整型滤波器132与所述第一超导量子干涉器件11的输出端相连，用于将所接收的电信号进行线性矫正。

具体地，所述整型滤波器132先将所述输出端所输出的电信号进行模数转换，再按照滤波要求对所述电信号进行线性矫正。或者，所述整型滤波器132也可以先进性线性矫正再进行模数转换。

所述合成器133与所述计数波形生成器131和整型滤波器132相连，用于将矫正后的电信号与所生成的数字波形信号进行叠加，以得到对应于所述外部磁通连续跨多个磁通量子变化周期的电信号。

例如，如图7所示，其中，图7中自上而下的信号分别表示：外部被测磁通Φ_e波形、所述信号处理单元13所接收的信号波形、所述整型滤波器132所输出的信号波形、所述计数波形生成器131所输出的信号波形、以及所述合成器133合成后的信号波形。

则所述信号处理单元13所接收的电信号的起始电压为0v并在第一个周期内向正向峰值增加，所述计数波形生成器131在第一个周期内的数字波形信号的幅值为0，当第一个周期结束时所述电信号出现下跳变沿，则所述计数波形生成器131所生成的第二周期的数字波形信号幅值为1Φ₀，当第二周期结束时所述电信号仍为下跳变沿，则所述计数波形生成器131所生成的第三周期的数字波形信号幅值为2Φ₀，继续的，当第三周期结束时所述电信号为上跳变沿，则所述计数波形生成器131所生成的第四周期的数字波形信号幅值为1Φ₀，以此类推；

与此同时，所述整型滤波器132将所述电信号进行线性矫正；

所述合成器133将矫正后的电信号与所生成的数字波形信号进行叠加，如此得到了与外部磁通的磁通变化趋势一致的电信号的示波图。

根据图示3、7可见，所述外部磁通连续跨越了两个磁通量子变化周期，以此类推。本发明的超导量子干涉器磁传感器1能够无需进行工作零点的锁定就能感应磁通变化范围在多个磁通量子变化周期内的电信号。

除了上述单元、电路等之外，如图4、5所示，所述超导量子干涉器磁传感器1中还包括：向所述第一超导量子干涉器件11提供可调偏置电流的第一偏置电路14。其中，所述第一偏置电路14中的可调偏置电压源V_b1驱动偏置电阻R_b1产生流向所述第一超导量子干涉器件11的可调偏置电流I_b1，I_b1可调范围为0～100uA。

针对图5，所述超导量子干涉器磁传感器1还包括：向所述第二超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第二偏置电路15。

综上所述，本发明的超导量子干涉器磁传感器，利用欠反馈电路来改变第一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，且在连续变化的多个磁通量子变化周期内，呈现若磁通增加一个变化周期，电信号具有一个下跳变沿，若磁通减少一个变化周期，电信号具有一个上跳变沿的特征，如此，本发明所述的超导量子干涉器磁传感器能够在多个磁通量子变化周期的跨度范围内进行测量且无需进行工作零点锁定，能有效增加超导量子干涉器件磁传感器的测量时间和量程；另外，利用比例放大器和反馈电感的组合、或者磁通放大回路和反馈电感的组合都能够实现对所述第一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的功能，以有效实现电信号的周期单值性；此外，为了能够确保所述传感器在每个磁通量子变化周期结束时能够产生跳变，技术人员可以通过调节传感器中的反馈电阻、偏置电路等来实现所述欠反馈电路的磁通反馈系数和欠反馈电路的反馈特性与第一超导量子干涉器件的磁通电压传输特性各自所满足的公式要求，实现方式极为简便。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 (9)

1.一种超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，包括：

用于感应外部磁通的第一超导量子干涉器件；

与所述第一超导量子干涉器件相连、且负反馈至所述第一超导量子干涉器件的欠反馈电路，用于将所述第一超导量子干涉器件所输出的电信号按预设比例放大后负反馈至所述第一超导量子干涉器件，使得所述第一超导量子干涉器件经反馈后的电信号以周期单值特性输出，并且反馈后的电信号在所述外部磁通所包含的各磁通量子变化周期初始时处于工作零点、所述磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至所述工作零点；

与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连的信号处理单元，用于根据所接收的电信号中各跳变沿的方向来确定各所述磁通量子变化周期的数字波形信号的幅值并生成所述数字波形信号，以将所述幅值作为磁通量子的整数倍计数，并将所接收的电信号与所生成的数字波形进行叠加，以得到反映所述外部磁通在连续的磁通量子的整数倍变化期间的电信号。

2.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述反馈后的电信号在所述外部磁通所包含的各磁通量子变化周期结束时刻所输出的电信号由峰值跳变至所述磁通量子变化周期初始时的工作零点所满足的临界条件为其中，为所述欠反馈电路输出为电压峰峰值期间所述第一超导量子干涉器件所感应的磁通变化量，为所述反馈电路输出为电压峰峰值期间自身产生的反馈磁通变化量，Φ₀为一个磁通量子。

3.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述欠反馈电路包括：

放大单元，用于将所述第一超导量子干涉器件所感应的电信号按照预设比例予以放大；

及反馈电阻和反馈电感；

所述第一超导量子干涉器件依次与反馈电阻和反馈电感相连。

4.根据权利要求3所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述放大单元为与所述第一超导量子干涉器件相连的比例放大器；

则所述反馈电阻与所述比例放大器的输出端连接，所述反馈电感与所述反馈电阻相连且所述第一超导量子干涉器件互感。

5.根据权利要求4所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述第一超导量子干涉器件通过所述比例放大器的输出端输出经欠反馈后的电信号。

6.根据权利要求3所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述放大单元包括：与所述第一超导量子干涉器件互感连接的磁通放大回路包括：与所述第一超导量子干涉器件互感的电感L_a、与所述反馈电感互感且与电感L_a串联的第二超导量子干涉器件、与所述第二超导量子干涉器件和电感L_a并联的电阻R_b22，以及与所述第二超导量子干涉器件互感的直流磁通调节回路；

则所述反馈电阻与所述第一超导量子干涉器件相连，所述反馈电感与所述反馈电阻相连；

所述反馈电阻与所述第一超导量子干涉器件的连接端还与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连。

7.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括：

与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连的计数波形生成器，用于按照所接收的电信号的周期和所述电信号的跳变沿的方向生成数字波形信号，其中，当所接收的电信号为下跳变沿将当前数字波形信号的幅值增加一个磁通量子，当所接收的电信号为上跳变沿将当前数字波形信号的幅值减少一个磁通量子；

与所述第一超导量子干涉器件的输出端相连的整型滤波器，用于将所接收的电信号进行线性矫正；

与所述计数波形生成器和整型滤波器相连的合成器，用于将矫正后的电信号与所生成的数字波形信号进行叠加，以得到对应于所述外部磁通的跨多个磁通量子变化周期的电信号。

8.根据权利要求1所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述超导量子干涉器磁传感器还包括：向所述第一超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第一偏置电路。

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，所述超导量子干涉器磁传感器还包括：向所述第一超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第一偏置电路，以及向所述第二超导量子干涉器件提供可调偏置电流的第二偏置电路。