CN104950268B - 超导量子干涉器磁传感器 - Google Patents

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本发明提供一种超导量子干涉器磁传感器，其包括：超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件相连的前置放大器；与所述前置放大器的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件的第一反馈电路；与所述前置放大器的输出端相连的积分器；与所述积分器的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件的第二反馈电路。本发明通过在前置放大器后设置第一反馈电路，能够几乎无延时的向SQUID输出反馈磁通，能够在所述积分器进行积分补偿处理期间及时抵消外部磁通的变化，维持工作点稳定，使得本发明的超导量子干涉器磁传感器具有更快的速度响应，有效减少因积分器的延时而造成的失锁。

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
如图1所示，传统的超导量子干涉器磁传感器（简称SQUID磁传感器）包括：感应外部磁通Φe的超导量子干涉器件（简称SQUID），其输出的感应信号接入前置放大器，经由所述前置放大器放大后再接入积分器，所述积分器输出电压驱动反馈电阻Rf和反馈线圈，通过反馈线圈与SQUID的互感，将反馈磁通耦合到SQUID中，形成反馈抵消磁通，保持SQUID工作点的稳定。上述电路构成了磁通锁定环路。SQUID磁传感器就是基于磁通反馈环路来实现磁通检测并线性转换成电压信号输出。
传统磁通锁定环路存在失锁问题：所述磁通锁定环路是一种负反馈原理电路，反馈在选定工作点上保持平衡，即反馈产生的磁通与外部感应的磁通在工作点处相互抵消。该负反馈电路的工作过程是：当外部磁通Φe发生变化，产生偏离工作点的磁通量，SQUID输出电压Vs将产生偏离工作点电压Vb的电压变化量ΔV,该电压经前置放大后，送入积分器，驱动积分器积分，调整反馈电压Vf的大小，并通过电阻Rf和反馈线圈，调整抵消磁通Φf，直到将变化的外部磁通完全抵消，SQUID恢复到工作点状态，整个回路恢复平衡。
从上述SQUID磁传感器回路的运行过程可知，从外部磁通信号激励开始，到输出做出响应并达到平衡，需要通过所有反馈路径的电路响应才能完成。由于反馈路径中的积分器的输出电压是输入电压随时间的积分，响应速度较慢。因此整个电路响应输出相对激励输入是滞后的，即具有延时。由于反馈磁通滞后于输入磁通，因此其SQUID工作点上的磁通偏差ΔΦerr会随着响应不足而变大。当磁通偏差超过SQUID工作线性区最大允许的偏差，磁通锁定环路将发生失锁，而无法工作。
由上可见，传统的SQUID磁传感器，由于经过前置放大，积分电路等环节的延时，其响应速度受限，在工作点上产生磁通偏差，且随着输入信号频率和强度的增大，磁通偏差将越发增大，最终造成失锁。因此传统的SQUID磁传感器，由于环路响应速度的限制，传感器摆率和带宽受限，易造成失锁。
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由于SQUID磁传感器中的积分器的响应滞后于外部磁通的变化，而致使当外部磁通的频率和强度增大时，现有的SQUID磁传感器易失锁的问题。
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，其包括：超导量子干涉器件；与所述超导量子干涉器件相连的前置放大器；与所述前置放大器的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件的第一反馈电路,用于利用经所述前置放大器放大后的感应信号来产生用于抵消外部磁通的变化部分的磁通；与所述前置放大器的输出端相连的积分器；与所述积分器的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件的第二反馈电路，用于将所述积分器所输出的补偿后的感应信号反馈给所述超导量子干涉器件。
优选地，所述第一反馈电路包括：与所述前置放大器的输出端相连的第一反馈电阻，以及与所述第一反馈电阻相连、且与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈。
优选地，所述第一反馈电阻的阻值在1kΩ～10kΩ之间。
优选地，所述第二反馈电路包括：与所述积分器的输出端相连的第二反馈电阻，以及与所述第二反馈电阻相连、且与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈。
优选地，所述第一反馈电路中的反馈线圈与第二反馈电路中的反馈线圈为同一个。
优选地，所述第二反馈电阻的阻值在10kΩ～100kΩ之间。
优选地，所述积分器为同相积分器。
优选地，所述超导量子干涉器磁传感器还包括：与所述前置放大器的和积分器的输出端相连的比例加法器。
优选地，所述比例加法器包括：与所述前置放大器的输出端相连的电阻Ra2、与所述积分器的输出端相连的电阻Ra1、运算放大器U3、以及电阻Ra3，其中，所述运算放大器U3的负输入端与所述电阻Ra2和Ra1相连、正输入端接地，所述电阻Ra3连接在所述运算放大器U3的负输入端和输出端之间。
优选地，所述电阻Ra1、Ra2满足：其中，Rf1为所述第一反馈电路中的第一反馈电阻，Rf2为所述第二反馈电路中的第二反馈电阻。
优选地，所述超导量子干涉器件处于外部磁通的变化频率接近所述超导量子干涉器件的截止频率的环境中。
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：通过在前置放大器后设置第一反馈电路，能够几乎无延时的向SQUID输出反馈磁通，能够在所述积分器进行积分补偿处理期间及时抵消外部磁通的变化，使得本发明的超导量子干涉器磁传感器具有更快的反馈响应，有效减少因积分器的延时而造成的失锁。
附图说明
图1显示为现有技术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的结构示意图。
图3显示为本发明的超导量子干涉器磁传感器的一种优选方案的结构示意图。
图4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案的结构示意图。
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案的结构示意图。
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 前置放大器
13 第一反馈电路
14 积分器
15 第二反馈电路
16 比例加法器
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5。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2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为了在临近超导量子干涉器件的截止频率时，能够及时锁定超导量子干涉器件的工作点，减少工作点的偏移。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、前置放大器12、第一反馈电路13、积分器14和第二反馈电路15。
所述超导量子干涉器件11工作在盛放有液氮的容器中。随着外部磁通在多个Φ0幅度变化时，所述超导量子干涉器件11输出具有周期变化的感应信号。在0.5Φ0的幅度内，所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号具有单调性。其中，Φ0为2.07×10-15韦伯。为了让所述超导量子干涉器件11能够输出具有单调性的感应信号，需要对所述超导量子干涉器件11进行工作点锁定。因此，在所述超导量子干涉器磁传感器1中还包含有用于锁定工作点、放大所感应的感应信号等功能的后续电路。
所述前置放大器12与所述超导量子干涉器件11的输出端相连，用于放大所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号。所述前置放大器12的正负输入端分别接所述超导量子干涉器件11的输出端和外部的偏置电压的输出端，所述前置放大器12的电压噪声在1nV/√Hz左右，开环增益大于120dB，带宽增益积大于10MHz。常用的低噪声运算放大器有美国ADI公司的AD797和凌特（Linear Technology）公司的LT1028。
所述第一反馈电路13与所述前置放大器12的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件11，用于利用经所述前置放大器12放大后的感应信号来产生用于抵消外部磁通的变化部分的磁通，以便锁定所述超导量子干涉器件11的工作点。由于所述前置放大器12中并不包含积分电路，因此，所述第一反馈电路13能够无延时的将放大后的感应信号所产生的磁通反馈至所述超导量子干涉器件11，使得所述超导量子干涉器件11所感应的磁通第一时间无偏差的保持在单调区域内。
具体地，所述第一反馈电路13包含与所述超导量子干涉器件11相互感的反馈线圈。如图3所示，优选地，所述第一反馈电路13还包括连接于所述反馈线圈和前置放大器12输出端之间的第一反馈电阻。其中，所述第一反馈电阻的阻值在1kΩ～10kΩ之间为优。
当所述超导量子干涉器件11在感应到磁通变化时，所述前置放大器12无延时的对所感应的感应信号进行前置放大，再将放大后的感应信号通过所述第一反馈电路13无延时的进行负反馈，以便及时的抵消外部磁通的变化，使得所述超导量子干涉器件11在单调区间（半个周期）内工作。对于所述外部磁通变化频率接近所述超导量子干涉器件11的截止频率的环境来说，所述第一反馈电路13能够作为快速响应的磁通锁定环，及时避免在工作点上的磁通偏差超出线性区所允许的最大偏差而造成失锁。
所述积分器14与所述前置放大器12的输出端相连，用于对经所述前置放大器12放大的感应信号进行积分处理。其中，所述积分器14为同相积分器14。若所述积分器14为反相积分器14，则需在所述积分器14的输入端增加反相器，以达到同相积分器14的作用。
具体地，所述积分器14在所述前置放大器12输出放大后的感应信号时，对放大后的所述感应信号的变化进行积分补偿，在经过延时的积分补偿之后，将补偿后的感应信号予以输出。其中，所述积分器14可以进行一级或多级积分补偿处理。
所述第二反馈电路15与所述积分器14的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件11，用于将所述积分器14所输出的补偿后的感应信号反馈给所述超导量子干涉器件11，以进一步消除所述超导量子干涉器件11在工作点的磁通偏差。
具体地，所述第二反馈电路15中也包含与所述超导量子干涉器件11相互干扰的反馈线圈。如图3所示，优选地，所述第二反馈电路15中的反馈线圈与所述第一反馈电路13中的反馈线圈为同一个。更为优选地，所述第二反馈电路15中的反馈线圈和所述积分器14的输出端之间还连有第二反馈电阻。所述第二反馈电阻的阻值在10kΩ～100kΩ之间为优。
当所述前置放大器12将放大后的感应信号输至所述积分器14时，所述积分器14的积分补偿过程需要一定延时，在延时后输出补偿后的感应信号，由所述第二反馈电路15在该延时后反馈至所述超导量子干涉器件11，以进一步消除所述超导量子干涉器件11在工作点的磁通偏差。
所述超导量子干涉器磁传感器1的工作过程举例如下：
所述超导量子干涉器件11根据外部磁通的变化锁定工作点，当所述外部磁通变化时，所述超导量子干涉器件11输出感应信号，与所述超导量子干涉器件11相连的前置放大器12将所述感应信号进行前置放大后一方面输至所述积分器14，同时还通过所述第一反馈电路13无延时的负反馈给所述超导量子干涉器件11，其中，所述第一反馈电路13通过电磁转换将放大后的感应信号转换成磁通，以无延时的抵消外部磁通的变化，使得所述超导量子干涉器件11所感应的磁通变化保持在半个Φ0范围内。此时，由于所述外部磁通收到所述第一反馈电路13的抵消，使得所述超导量子干涉器件11所输出的感应信号的电压逐渐减小。
与此同时，所述积分器14将放大后的感应信号进行积分补偿，由于积分补偿需要一定时间，在延时之后，所述积分器14输出补偿后的感应信号，并将所述补偿后的感应信号通过所述第二反馈电路15反馈至所述超导量子干涉器件11。在延时期间，由于所述第一反馈电路13所反馈的磁通逐步减少，使得在延时之后，所述第二反馈电路15起到补充反馈的作用，两个反馈电路互补工作，既及时响应了外磁通更快的变化，使得工作点稳定，还提高了放失锁的能力。因此具有更高的响应速度和带宽，性能更稳定。
作为一种优选方案，为了确保所述超导量子干涉器磁传感器1输出的感应信号更准确的反映出外部磁通的变化，则所述超导量子干涉器磁传感器1还包括：与所述前置放大器12的和积分器14的输出端相连的比例加法器16。如图4所示。
所述比例加法器16用于按照预设比例将所述前置放大器12和积分器14各自所输出的感应信号进行相加，并予以输出。所述比例加法器16在所述积分器14进行积分补偿处理期间，主要以所述前置放大器12所输出的感应信号为主，当所述积分器14延时输出补偿后的感应信号时，所述前置放大器12所输出的感应信号相比于补偿后的感应信号可忽略，则显然，所述比例加法器16所输出的感应信号可以认定为补偿后的感应信号。其中，所示比例加法器可以通过内设比例参数的方式预设比例。
本实施例中，如图5所示，所述比例加法器16包括：与所述前置放大器12的输出端相连的电阻Ra2、与所述积分器14的输出端相连的电阻Ra1、运算放大器U3、以及电阻Ra3，其中，所述运算放大器U3的负输入端与所述电阻Ra2和Ra1相连、正输入端接地，所述电阻Ra3连接在所述运算放大器U3的负输入端和输出端之间。
其中，所述电阻Ra1、Ra2的阻值与所述预设比例相关。电阻Ra3对所述运算放大器U3起到稳压作用。
优选地，所述电阻Ra1、Ra2满足：其中，Rf1为所述第一反馈电路13中的第一反馈电阻，Rf2为所述第二反馈电路15中的第二反馈电阻。
综上所述，本发明的超导量子干涉器磁传感器，通过在前置放大器后设置第一反馈电路，能够几乎无延时的向SQUID输出反馈磁通，能够在所述积分器进行积分补偿处理期间及时抵消外部磁通的变化，使得本发明的超导量子干涉器磁传感器具有更快的反馈响应，有效减少因积分器的延时而造成的失锁；另外，本发明依旧保留现有技术中积分器输出端所反馈的第二反馈电路，是为了在所述第一反馈电路所反馈的磁通逐渐减小且所述积分器积分补偿时序之后，能够及时向SQUID发出抵消外部磁通的反馈磁通，由此能够提供更宽的带宽、具有更稳定的性能；此外，在所述前置放大器和积分器的输出端连接比例加法器，能够在积分器输出感应信号的基础上，增加了前置放大器的磁通反馈的贡献，能够提高所述磁传感器暂态时期的响应能力和精度。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 (11)

1.一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；
与所述超导量子干涉器件相连的前置放大器；
与所述前置放大器的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件的第一反馈电路，用于利用经所述前置放大器放大后的感应信号来产生用于抵消外部磁通的变化部分的磁通；
与所述前置放大器的输出端相连的积分器；
与所述积分器的输出端相连、且反馈至所述超导量子干涉器件的第二反馈电路，用于将所述积分器所输出的补偿后的感应信号反馈给所述超导量子干涉器件。
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，所述第一反馈电路包括：与所述前置放大器的输出端相连的第一反馈电阻，以及与所述第一反馈电阻相连、且与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈。
3.根据权利要求2所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述第一反馈电阻的阻值在1kΩ～10kΩ之间。
4.根据权利要求1或2所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述第二反馈电路包括：与所述积分器的输出端相连的第二反馈电阻，以及与所述第二反馈电阻相连、且与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈。
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，所述第一反馈电路中的反馈线圈与第二反馈电路中的反馈线圈为同一个。
6.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，所述第二反馈电阻的阻值在10kΩ～100kΩ之间。
7.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，所述积分器为同相积分器。
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：与所述前置放大器的和积分器的输出端相连的比例加法器。
9.根据权利要求8所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述比例加法器包括：与所述前置放大器的输出端相连的电阻Ra2、与所述积分器的输出端相连的电阻Ra1、运算放大器U3、以及电阻Ra3，其中，所述运算放大器U3的负输入端与所述电阻Ra2和Ra1相连、正输入端接地，所述电阻Ra3连接在所述运算放大器U3的负输入端和输出端之间。
10.根据权利要求9所述的超导量子干涉器磁传感器，其特征在于，所述电阻Ra1、Ra2满足：其中，Rf1为所述第一反馈电路中的第一反馈电阻，Rf2为所述第二反馈电路中的第二反馈电阻。
11.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件处于外部磁通的变化频率接近所述超导量子干涉器件的截止频率的环境中。
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