CN105203978A - 一种squid磁传感器的失锁复位补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置及方法，该装置包括：参考SQUID磁传感器，包括第二SQUID器件，第二反馈线圈，及第二读出电路；第二SQUID器件与SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈，与信号输入线圈的耦合度低于SQUID磁传感器中SQUID器件与信号输入线圈的耦合度；第二反馈线圈和第二读出电路将第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号；失锁补偿模块根据失锁前后第一SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用第二电压信号的变化量获得第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。本发明实现了SQUID磁传感器在失锁复位前后的连续测量，实现了SQUID磁传感器既具有高灵敏度又具有大量程的特性。

Description

一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置及方法

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，涉及一种SQUID磁传感器，特别是涉及一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置及方法。

背景技术

采用超导量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，以下简称SQUID)的传感器是目前已知的最灵敏的磁传感器。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。SQUID器件具有极高的灵敏度，是目前科研和高端磁测量的重要元件，具有极高的应用价值。而实际环境磁场的波动很大。为了使SQUID磁传感器正常工作，只能根据环境磁场变化幅度调整SQUID磁传感器的灵敏度。因而在很多场合，为了适用环境磁场的波动，只能使用低灵敏度档位，因而无法对微弱的被测信号进行高灵敏度探测。由上述问题可知，传统的SQUID磁传感器是无法同时实现大量程和高灵敏度的。在SQUID磁传感器的实际应用中，其测量环境磁场信号很大，主要是地球磁场，或移动物体的磁场引起，变化幅度大。另一种情况是，SQUID磁传感器在运行条件下工作，由于探头移动切割地球磁场，将产生很大的磁场变化，因而SQUID磁传感器只能被迫在大量程档下工作，否则SQUID磁传感器无法正常锁定工作。因此在实际应用中，要求SQUID磁传感器具有高的灵敏度和大的测量量程。

SQUID磁传感器的特点是具有低噪声，高灵敏度特性。SQUID是磁敏感元件，在一定的电流偏置下，SQUID输出电压与感应的磁通呈现周期非线性特性，如图1所示，其周期是一个磁通量子Φ₀(2.07×10^-15韦伯)。由于SQUID的磁场电压转换特性是非线性的，不能用作磁传感器进行磁通测量，所以SQUID磁传感器是采用SQUID和放大电路构成的磁通锁定环路(Flux-LockedLoop，简称FLL)，如图2所示。SQUID磁传感器是由SQUID器件与读出电路构成磁通锁定环路实现其感应的磁通到电压的线性转换，即输出电压与感受的磁通比值为常数。磁通锁定环路(Flux-LockedLoop)是基于负反馈原理实现的，采用负反馈原理，使得SQUID器件所感应到的被测磁通和电路反馈产生的磁通总和为恒定，因此由反馈输出电压驱动产生的反馈磁通与SQUID耦合的被测外磁通保持相等，该输出电压即与被测磁通成线性比例关系。SQUID磁传感器基于FLL实现了磁通电压线性转化。在负反馈稳定平衡的情况下，称为磁通锁定环路锁定。磁通锁定环路锁定在工作点上，工作点是使磁通锁定环路保持锁定时SQUID所处的状态，该状态是指固定的偏置电流和SQUID感受到的总的外磁通，此时，SQUID输出电压与设定的偏置电压Vb相等。SQUID电压随磁通变化的特性曲线如图1所示，磁通锁定环路FLL的工作点通常选择在特性曲线中斜率最大处，这样SQUID器件具有最高的灵敏度，且FLL工作最稳定。由于SQUID对磁场的响应是周期性的，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。从上述的工作点描述可知，使得SQUID磁传感器锁定的工作点在理论上具有无限多个。不同工作点对应的SQUID感受磁通相差整数个磁通量子Φ₀。

SQUID磁传感器的电压输出要与后端检测仪器的电压相匹配，通常电压只有±10V，因此存在磁通检测灵敏度与磁通测量量程不能同时满足的矛盾。这是常规磁传感器应用中都会遇到的问题。FLL在工作时，时钟保持负反馈的平衡，即将SQUID的状态锁定在工作点上，当FLL输出电压超出量程时，工作点不再保持，将发生失锁现象。失锁后通过电路复位实现重新锁定，重新锁定后选择的工作点不能保证是失锁前的工作点，而会锁定在与原先工作点相差整数个磁通量子Φ₀的其他工作点上，且相差的数量是不可知的。因此重新锁定后SQUID磁传感器输出信号与失锁前的SQUID磁传感器输出信号会出现直流偏移，如图3所示，造成信号不连续。该偏移就是重新锁定前后两个工作点之间整数个磁通量子的磁通差。由于该磁通差不可知，偏差不能补偿，无法将两个时间短的测量结果合并，以实现被测信号在整个测量时间段的连续分析。即：基于FLL的SQUID磁传感器失锁后，前后时间段数据由于工作跳变存在不可知的偏差，造成前后数据不能合并利用，因此SQUID磁传感器长时间持续测量应用困难。

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SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置及方法，用于解决现有SQUID磁传感器在失锁复位前后的工作点发生跳变无法实现连续测量的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置包括：参考SQUID磁传感器，包括第二SQUID器件，第二反馈线圈，及第二读出电路；所述第二SQUID器件与第一SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈，与信号输入线圈的耦合度低于所述第一SQUID磁传感器中SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度；所述第二反馈线圈和第二读出电路将所述第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号；失锁补偿模块，与所述第二读出电路和所述第一SQUID磁传感器分别相连，根据失锁前后所述第一SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后所述第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。

优选地，所述第一SQUID磁传感器包括：第一SQUID器件，与所述信号输入线圈的耦合度大于所述第二SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度；第一反馈线圈和第一读出电路将所述第一SQUID器件感应到的磁通转换成第一电压信号。

优选地，所述信号输入线圈包括：第一耦合线圈，用于与所述第一SQUID器件耦合；第二耦合线圈，用于与所述第二SQUID器件耦合；所述第二耦合线圈的互感系数小于所述第一耦合线圈的互感系数；两个连接点，与外部的信号拾取超导线圈相连，将外部耦合的磁场信号转换成在信号输入线圈中流动的超导电流。

优选地，所述信号输入线圈、第一SQUID器件、第一反馈线圈、第二SQUID器件和第二反馈线圈封装于一超导屏蔽筒内。

优选地，所述失锁补偿模块的模型函数包括：其中，表示SQUID磁传感器失锁复位后第一电压信号的变化量，表示SQUID磁传感器失锁复位后第二电压信号的变化量，M₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的互感值，M₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的互感值，k₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的耦合系数，k₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的耦合系数；round函数代表取最近的整数。

本发明还提供一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法包括：利用一参考SQUID磁传感器的第二SQUID器件与第一SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈；所述第二SQUID器件与信号输入线圈的耦合度低于所述第一SQUID磁传感器中SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度；利用一参考SQUID磁传感器的第二反馈线圈和第二读出电路将所述第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号；根据失锁前后所述SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后所述第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。

优选地，所述信号输入线圈包括：与所述第一SQUID器件耦合的第一耦合线圈，与所述第二SQUID器件耦合的第二耦合线圈，与外部的信号拾取超导线圈相连将外部耦合的磁场信号转换成在信号输入线圈中流动的超导电流的两个连接点；所述第二耦合线圈的互感系数小于所述第一耦合线圈的互感系数；通过分别调整所述第一耦合线圈的互感系数和第二耦合线圈的互感系数，实现所述第二SQUID器件在整个测量过程中跟踪第一磁场的变换，不发生超量程失锁。

优选地，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法还包括：将所述信号输入线圈、SQUID磁传感器中的SQUID器件和反馈线圈、第二SQUID器件以及第二反馈线圈封装于一超导屏蔽筒内，屏蔽外部环境磁场信号，使SQUID磁传感器中的SQUID器件和第二SQUID器件只感受信号输入线圈中超导电流所产生的磁通，同时使所述SQUID磁传感器与所述第二SQUID器件以及第二反馈线圈之间均不存在磁通耦合。

优选地，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量为：其中，表示SQUID磁传感器失锁复位后第一电压信号的变化量，表示SQUID磁传感器失锁复位后第二电压信号的变化量，M₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的互感值，M₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的互感值，k₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的耦合系数，k₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的耦合系数；round函数代表取最近的整数。

如上所述，本发明所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置及方法，具有以下有益效果：

通过本发明能够准确求得复位前后由于工作点跳变产生的输出信号间的磁通偏差，实现了SQUID磁传感器在失锁复位前后的连续测量，可将SQUID磁传感器的实际测量量程不断扩大，同时保持SQUID磁传感器的灵敏度，实现了SQUID磁传感器既具有高灵敏度又具有大量程的特性。

附图说明

图1为现有的SQUID输出电压与感应的磁通呈现周期非线性特性的示意图。

图2为SQUID磁传感器的磁通锁定环路的结构示意图。

图3为失锁前后SQUID磁传感器输出信号的波形示意图。

图4为本发明所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置的结构示意图。

图5为本发明所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置的工作示意图。

图6为SQUID磁传感器的失锁复位补偿前的感应磁通示意图。

图7为SQUID磁传感器的失锁复位补偿后的感应磁通示意图。

图8为本发明所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法的流程示意图。

元件标号说明

400SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置

410第二SQUID器件

420第二反馈线圈

430第二读出电路

440失锁补偿模块

450信号输入线圈

451第一耦合线圈

452第二耦合线圈

453连接点

500第一SQUID磁传感器

510第一SQUID器件

520第一反馈线圈

530第一读出电路

600超导屏蔽筒

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。

基于FLL的SQUID磁传感器将SQUID感应的磁通量转换成电压信号，其磁通到电压的转换比值也称为灵敏度。由于SQUID磁传感器的电压输出是受电路的电压范围限制的，通常只有±10V。因此，在电压输出范围限定的情况下，灵敏度越高，即磁通电压转换比越大，则对应的可测量磁通量程范围越小。

由于SQUID磁传感器的输出电压是模拟信号，只能在±10V范围内，因此本发明所述的对高灵敏度磁传感器输出信号的补偿和修复，都是指将模拟信号转换成数字信号之后进行的数据处理。由于采用数值对信号进行表述，其表示的量程范围可以无限扩大，因此满足本发明中通过补偿实现高灵敏度大量程信号记录的要求。

此外，由于高灵敏度的SQUID磁传感器发生了复位，因此复位过程中有短时的数据是不能用的。在长时间连续观测的应用场合，该短时间的数据缺失不会影响应用。

本发明利用SQUID磁传感器工作点跳变产生的前后两次锁定输出的磁通偏差量是整数个磁通量子的特性，扩展SQUID磁传感器的量程。其方法是将磁通偏差求出，并进行补偿，就可以输出在时间上连续的测量结果。

由于SQUID磁传感器特有的工作点周期性分布，且工作点间相差整数个磁通，因此上述磁通偏差的求解就变成了磁通量子数整数的求解，求解的精度大大降低，即只要推算出磁通量子数相差最接近的整数即可获得复位前后磁通量的偏差。只要将该磁通偏差加上，就可以使得复位前后SQUID传感器输出信号连续。

SQUID磁传感器的FLL(读出电路)由于SQUID独有的周期磁通电压转换特性，使其在相同偏置条件下具有很多个工作点。当FLL输出电压超量程时，通过重新复位，可使得FLL选择新的工作点重新正常输出，而避免了传统在单一工作点下输出饱和的问题。在新的工作点下，只要通过本发明求出复位前后工作点磁通偏差，就可以通过补偿的方法，将实现复位前后输出信号的连续。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本发明提供一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，如图4所示，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置400包括：第二SQUID器件410，第二反馈线圈420，第二读出电路430，失锁补偿模块440。其中，第二SQUID器件410，第二反馈线圈420，第二读出电路430构成了参考SQUID磁传感器，也称第二SQUID磁传感器。

所述第二SQUID器件410与所述第一SQUID磁传感器500共用一个信号输入线圈450，与信号输入线圈的耦合度低于所述SQUID磁传感器500中SQUID器件510与所述信号输入线圈450的耦合度。本发明中，参考SQUID磁传感器同信号输入线圈450的耦合度与第一SQUID磁传感器同信号输入线圈450的耦合度的差值大小可根据实际需要进行设计。

进一步，所述第一SQUID磁传感器500包括：第一SQUID器件510，第一反馈线圈520，第一读出电路530；所述第一SQUID器件510与所述信号输入线圈450的耦合度大于所述第二SQUID器件410与所述信号输入线圈450的耦合度；所述第一反馈线圈520和第一读出电路530将所述第一SQUID器件感应到的磁通转换成第一电压信号。

本发明中，第一SQUID器件510与第二SQUID器件410可以是分别独立的元器件，也可以是双SQUID集成器件。无论本发明的实现装置是集成器件还是组成器件，只要利用了本发明的原理实现的失锁复位后的补偿装置都包括在本发明的保护范围内。

所述信号输入线圈450包括：第一耦合线圈451，第二耦合线圈452，两个连接点453；第一耦合线圈451的一端与第二耦合线圈452相连，另一端与一个连接点相连；第二耦合线圈452的一端与第一耦合线圈451相连，另一端与另一个连接点相连；所述第一耦合线圈451用于与所述第一SQUID器件510耦合；所述第二耦合线圈452用于与所述第二SQUID器件410耦合；所述第二耦合线圈452的互感系数小于所述第一耦合线圈451的互感系数；两个连接点453与外部的信号拾取超导线圈相连，将外部耦合的磁场信号转换成在信号输入线圈中流动的超导电流。图4中，信号输入线圈P2留出两个连接点1和2与外部的信号拾取超导线圈相连，将外部耦合的磁通(磁场)信号转换成在信号输入线圈P2中流动的超导电流Ip(即i_p)，该电流Ip通过第一耦合线圈L1的互感M1和第二耦合线圈L2的互感M2转化成磁通对应输入到第一SQUID器件SQD1和第二SQUID器件SQD2中，通过设计互感M1和M2的大小，实现超导电流Ip对SQD1和SQD2不同的磁通转换比，也就是控制了第一输入信号Φin到两个检测SQUID器件的耦合强度，实现不同耦合强度的信号检测。其中，SQD1与信号输入线圈P2的耦合强，实现强耦合度测量。SQD2与信号输入线圈P2的耦合弱，实现弱耦合度测量，因此互感M1>>M2，实现了大的耦合强度差。

所述第二反馈线圈420与所述第二读出电路430将所述第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号。所述第二电压信号的变化实现了准确跟踪第一磁场的变化。

所述失锁补偿模块440与所述第二读出电路430和所述第一SQUID磁传感器分别相连，根据失锁前后所述第一SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后所述第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。

例如：所述失锁补偿模块440的模型函数为：其中，表示SQUID磁传感器失锁复位后第一电压信号的变化量，表示SQUID磁传感器失锁复位后第二电压信号的变化量，M₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的互感值，M₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的互感值，k₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的耦合系数，k₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的耦合系数；round函数代表取最近的整数。

所述信号输入线圈450、第一SQUID器件510、第一反馈线圈520、第二SQUID器件410和第二反馈线圈420封装于一超导屏蔽筒600内，实现超导屏蔽，屏蔽外部环境磁场信号，使得两个SQUID只感受信号输入线圈P2中超导电流Ip所产生的磁通。同时两个SQUID之间不存在相互的磁通耦合，避免互相影响。所述信号拾取线圈及超导屏蔽筒内的线圈和器件都工作在低温环境下。器件和超导线圈可以采用高温超导(High-TemperatureSuperconductor，HTS)材料或低温超导(Low-TemperatureSuperconductor，LTS)材料制成。高温超导器件工作在液氮(77K)维持的低温容器内，低温超导器件则工作在液氦(4.2K)维持的低温容器内。

本发明所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置的工作原理为：采用SQUID器件与第一SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈，但以不同的耦合强度测量第一环境磁场信号，以所述SQUID器件测得的信号作为参考来调整第一SQUID磁传感器失锁复位后的补偿。SQUID器件与第一SQUID磁传感器要形成大的耦合强度差，这样第一SQUID磁传感器对第一信号具有高的灵敏度，SQUID器件对第一信号的检测具有高的灵敏度。本发明在实现高灵敏度大量程测量时，SQD1用于高灵敏度测量，SQD2用于低灵敏度的参考。

如图5所示，对于同一个第一信号，第一SQUID器件510与第二SQUID器件410感应的磁场强度不同，因而通过第一读出电路530和第二读出电路430转换后输出电压的幅度也不同。具有高灵敏度(高磁通电压转换率)的第一SQUID器件510的输出具有高的灵敏度和分辨率，第二SQUID器件410的输出具有低的灵敏度和低分辨率。但第二SQUID器件410具有很大的量程，因而具有强的测量适应性，在整个测量过程中能跟踪第一磁场的变换，而不发生超量程失锁。当高灵敏度的第一SQUID器件510达到满量程时，主动进行复位，使得在输出接近零的工作点下重新锁定输出测量结果。本发明将发生复位的不连续的高灵敏度SQD1磁传感器输出和大量程持续的SQD2磁场传感器输出同时采集。在后续数据处理中，求出磁通偏差，对SQD1的不连续输出进行补偿，实现了高灵敏度和大量程的磁场测量。图5中，SQD1是第一SQUID器件的简称。SQD1磁传感器是第一SQUID磁传感器的简称，包括第一SQUID器件、第一反馈线圈、第一读出电路。SQD2是第二SQUID器件的简称。SQD2磁传感器是第二SQUID磁传感器的简称，包括第二SQUID器件、第二反馈线圈、第二读出电路。

图5中的信号拾取线圈P1可以使用超导线绕制，与信号输入线圈P2连接构成超导环，在超导环路磁通量子化效应下，外部输入的磁通Φin就可以转化成对应的超导环电流Ip。信号拾取线圈P1的实现可以是磁强计线圈、一阶梯度计线圈、二阶梯度计线圈或更高阶梯度计线圈。本发明所述的信号输入线圈(简称输入线圈)与信号拾取线圈连接适用于各种超导信号拾取线圈，包括磁强计，梯度计，平面梯度计，高阶梯度计等，其作用是将第一的磁场分量(如磁场，一阶梯度分量，二阶梯度分量及高阶分量等)转换成磁通传输到超导屏蔽筒(简称屏蔽筒)内。信号拾取线圈通过连接端子453与屏蔽筒内的输入线圈实现超导连接，构成超导线环路，将外部感应的第一磁场信号传输到屏蔽筒内，并耦合到SQUID磁传感器进行检测。超导环电流Ip通过电感L1(即第一耦合线圈)和L2(即第二耦合线圈)分别与SQD1和SQD2两个SQUID耦合，互感分别为M1和M2，转化相应的第一磁通信号被对应的SQUID检测，通过读出电路线性转换成电压信号。

当两个SQUID器件配合其读出电路实现磁通电压转换，并对输入线圈P2产生的电流Ip进行感应检测的时候，符合如下关系：

${\mathrm{\Δi}}_p=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F1}}{M_1\·k_1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\Δi}}_p=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F2}}{M_2\·k_2}---\left(2\right)$

SQD2由于在电路设计上采用了与信号输入线圈P2的弱耦合设计，因此检测第一磁场的灵敏度大大降低，实现了大量程的第一磁场跟踪，使得第一磁场的波动都在SQD2磁传感器的测量量程内，不会发生溢出失锁，因此可以在整个测量过程中准确跟踪第一信号的变化。

而SQD1工作在高灵敏度下，因此在运行中测量量程有限，当第一磁场变化达到SQD1的量程时，通过复位。由于SQUID多工作点的特点，将会在新的工作点下(通常是使得输出接近为零对应的工作点下)重新使得FLL锁定工作，因而又可以重新开始测量。但此时输出电压与第一信号的关系如下：

$\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F1}^{*}-{\mathrm{n\Φ}}_0\·k_1}{M_1\·k_1}={\mathrm{\Δi}}_P^{*}---\left(3\right)$

但SQD2在SQD1发生复位重新开始测量后仍满足公式(1)，即

${\mathrm{\Δi}}_P^{*}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F2}^{*}}{M_2\·k_2}---\left(4\right)$

上述变量上标*号代表SQD1发生复位重新开始工作后的测量数据。

通过公司(3)和(4)可求得其中round[]函数代表取最近的整数。借助SQD2通道的输出就可以求解出工作偏差的量子数数目。再将整数n带入公式(3)，即可用SQD1的输出获得准确的第一磁场的大小。由于SQD1的灵敏度高，信号分辨率更高，而上述运算只借助了SQD2的信号进行参考求的工作点跳变产生磁通偏差对应的磁通量子数目，该数目是整数，因而不会将SQD2的信号噪声引入，即只要能获得准确的整数就可以了。SQD1磁传感器失锁复位后输出的电压与重新锁定前对应输出的电压产生了直流偏移，该直流偏移是工作点发生整数个磁通量子的跳跃造成的。因此只要将磁通量子数n求出，就可以获得与锁定前保持一致的测量输出。将发生失锁的SQD1磁传感器进行磁通量子数补偿前后的感应磁通效果如图6和7所示。

本发明能够准确求得复位前后由于工作点跳变产生的输出信号间的磁通偏差，实现了SQUID磁传感器同时进行大量程高灵敏度的工作方式。本发明使用了一个参考磁SQUID磁传感器(包括第二SQUID器件、第二反馈线圈、第二读出电路)即SQD2磁传感器与高灵敏度SQUID磁传器即SQD1磁传感器共同工作。

SQD1磁传感器工作在高灵敏度(与第一信号耦合互感M1强)下锁定工作，SQD2磁传感器工作在低灵敏度下(与第一信号耦合互感M2弱)，因此在相同电压输出范围内，SQD1磁传感器具有高灵敏度和低的测量量程，SQD2磁传感器具有低的灵敏度但有大的测量量程。因此在对同一个第一信号进行跟踪时，SQD2磁传感器在不失锁的情况下获得了连续的第一信号。SQD1磁传感器则获得了发生多次复位的高灵敏度的第一信号(只要达到量程则进行一次归零复位，避免输出发生饱和)，如图6所示。根据SQD2磁传感器的参考信号，来计算出SQD1磁传感器发生失锁后输出信号与失锁前的磁通差，将整数个磁通量子的磁通补偿到高灵敏度SQD1磁传感器监测的信号中，就实现了测量数据的连续性。

本发明还提供一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法，如图8所示，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法包括：

利用一参考SQUID磁传感器的第二SQUID器件与所述第一SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈；所述第二SQUID器件与信号输入线圈的耦合度低于所述第一SQUID磁传感器中SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度。

进一步，所述信号输入线圈包括：与所述第一SQUID器件耦合的第一耦合线圈，与所述第二SQUID器件耦合的第二耦合线圈，与外部的信号拾取超导线圈相连将外部耦合的磁场信号转换成在信号输入线圈中流动的超导电流的两个连接点；所述第二耦合线圈的互感系数小于所述第一耦合线圈的互感系数；通过分别调整所述第一耦合线圈的互感系数和第二耦合线圈的互感系数，实现所述第二SQUID器件在整个测量过程中跟踪第一磁场的变换，不发生超量程失锁。

利用一参考SQUID磁传感器的第二反馈线圈和第二读出电路将所述第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号；所述第二电压信号的变化实现了准确跟踪第一磁场的变化。

根据失锁前后所述第一SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后所述第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。

进一步，利用所述第二电压信号的变化量获得所述SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量为：

$n=\mathrm{round}[(\frac{M_1}{M_2}\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F2}^{*}}{k_2}-\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F1}^{*}}{k_1})/{\mathrm{\Φ}}_0];$

其中，表示SQUID磁传感器失锁复位后第一电压信号的变化量，表示SQUID磁传感器失锁复位后第二电压信号的变化量，M₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的互感值，M₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的互感值，k₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的耦合系数，k₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的耦合系数；round函数代表取最近的整数。

将所述信号输入线圈、SQUID磁传感器中的SQUID器件和反馈线圈、第二SQUID器件以及第二反馈线圈封装于一超导屏蔽筒内，屏蔽外部环境磁场信号，使SQUID磁传感器中的SQUID器件和第二SQUID器件只感受信号输入线圈中超导电流所产生的磁通，同时使所述SQUID磁传感器与所述第二SQUID器件以及第二反馈线圈之间均不存在磁通耦合。

通过本发明能够准确求得复位前后由于工作点跳变产生的输出信号间的磁通偏差，实现了SQUID磁传感器在失锁复位前后的连续测量，可将SQUID磁传感器的实际测量量程不断扩大，同时保持SQUID磁传感器的灵敏度，实现了SQUID磁传感器既具有高灵敏度又具有大量程的特性。

本发明的关键技术是输入线圈与两个SQUID磁传感器(即第一SQUID磁传感器和第二SQUID磁传感器)的耦合配置上。本发明的主要原理如下：

第一SQUID器件、第一反馈线圈、和第一读出电路构成了第一SQUID磁传感器，该SQUID磁场传感器与输入线圈P2的耦合度高，具有高灵敏度信号检测特性，受输出电压幅度限制，磁通测量量程小。第一SQUID磁传感器实现被测磁场的高灵敏度探测，其输出是主要数据来源。第一磁传感器由于量程小，在高灵敏度测量时，由于超量程而造成失锁，失锁后，该磁传感器具有复位功能，通过复位归零，使得磁传感器重新锁定工作，继续测量。但复位前后的输出已经由于工作点跳变，不再连续。

第二SQUID器件、第二反馈线圈和第二读出电路构成了第二SQUID磁传感器，该SQUID磁传感器的特点是与输入线圈P2的耦合度低，因此灵敏度低，在相同电压输出幅度范围内，磁通测量的量程大。第二SQUID磁传感器量程大，能实现被测磁场的连续测量跟踪。用该SQUID磁传感器输出对高灵敏度输出磁传感器进行失所补偿。第二SQUID磁传感器要求在整个测量过程中不能失锁复位，要保持测量连续。因此上述两个SQUID磁传感器都是传统的基于FLL的SQUID磁传感器，功能上没有什么差异，只是与输入线圈的感应强度不同。

本发明的补偿装置和方法的本质是用一个低灵敏度大量程的SQUID磁传感器(即第二SQUID磁传感器)的连续测量结果对一个高灵敏度小量程SQUID磁传感器(即第一SQUID磁传感器)的不连续测量结果进行工作点补偿校正，使得高灵敏度测量结果在时间上变得连续有意义，从而获得高灵敏度大量程兼得的测量结果。该测量结果具体是数字还是物理电压可根据实际需要进行设置，即测量结果不限于磁通或电压，也不限于是数字量还是物理量，本发明都统称为被测磁场的测量结果。

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 (9)

1.一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，其特征在于，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置包括：

参考SQUID磁传感器，包括第二SQUID器件，第二反馈线圈，及第二读出电路；

所述第二SQUID器件与第一SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈，与信号输入线圈的耦合度低于所述第一SQUID磁传感器中SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度；

所述第二反馈线圈和第二读出电路将所述第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号；

失锁补偿模块，与所述第二读出电路和所述第一SQUID磁传感器分别相连，根据失锁前后所述第一SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后所述第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。

2.根据权利要求1所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，其特征在于，所述第一SQUID磁传感器包括：

第一SQUID器件，与所述信号输入线圈的耦合度大于所述第二SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度；

第一反馈线圈和第一读出电路将所述第一SQUID器件感应到的磁通转换成第一电压信号。

3.根据权利要求2所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，其特征在于，所述信号输入线圈包括：

第一耦合线圈，用于与所述第一SQUID器件耦合；

第二耦合线圈，用于与所述第二SQUID器件耦合；所述第二耦合线圈的互感系数小于所述第一耦合线圈的互感系数；

两个连接点，与外部的信号拾取超导线圈相连，将外部耦合的磁场信号转换成在信号输入线圈中流动的超导电流。

4.根据权利要求2所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，其特征在于：所述信号输入线圈、第一SQUID器件、第一反馈线圈、第二SQUID器件和第二反馈线圈封装于一超导屏蔽筒内。

5.根据权利要求3所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿装置，其特征在于，所述失锁补偿模块的模型函数包括：

$n=\mathrm{round}[(\frac{M_1}{M_2}\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F2}^{*}}{k_2}-\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F1}^{*}}{k_1})/{\mathrm{\Φ}}_0];$

其中，表示SQUID磁传感器失锁复位后第一电压信号的变化量，表示SQUID磁传感器失锁复位后第二电压信号的变化量，M₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的互感值，M₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的互感值，k₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的耦合系数，k₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的耦合系数；round函数代表取最近的整数。

6.一种SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法，其特征在于，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法包括：

利用一参考SQUID磁传感器的第二SQUID器件与第一SQUID磁传感器共用一个信号输入线圈；所述第二SQUID器件与信号输入线圈的耦合度低于所述第一SQUID磁传感器中SQUID器件与所述信号输入线圈的耦合度；

利用一参考SQUID磁传感器的第二反馈线圈和第二读出电路将所述第二SQUID器件感应到的磁通转换成第二电压信号；

根据失锁前后所述第一SQUID磁传感器的工作点相差整数个磁通量子Φ₀的特性，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量，从而将失锁后所述第一SQUID磁传感器的工作点补偿到与失锁前一致。

7.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法，其特征在于，所述信号输入线圈包括：与所述第一SQUID器件耦合的第一耦合线圈，与所述第二SQUID器件耦合的第二耦合线圈，与外部的信号拾取超导线圈相连将外部耦合的磁场信号转换成在信号输入线圈中流动的超导电流的两个连接点；所述第二耦合线圈的互感系数小于所述第一耦合线圈的互感系数；通过分别调整所述第一耦合线圈的互感系数和第二耦合线圈的互感系数，实现所述第二SQUID器件在整个测量过程中跟踪第一磁场的变换，不发生超量程失锁。

8.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法，其特征在于，所述SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法还包括：

将所述信号输入线圈、SQUID磁传感器中的SQUID器件和反馈线圈、第二SQUID器件以及第二反馈线圈封装于一超导屏蔽筒内，屏蔽外部环境磁场信号，使SQUID磁传感器中的SQUID器件和第二SQUID器件只感受信号输入线圈中超导电流所产生的磁通，同时使所述SQUID磁传感器与所述第二SQUID器件以及第二反馈线圈之间均不存在磁通耦合。

9.根据权利要求6所述的SQUID磁传感器的失锁复位补偿方法，其特征在于，利用所述第二电压信号的变化量获得所述第一SQUID磁传感器失锁前后工作点的偏移量为：

$n=\mathrm{round}[(\frac{M_1}{M_2}\·\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F2}^{*}}{k_2}-\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{F1}^{*}}{k_1})/{\mathrm{\Φ}}_0];$

其中，表示SQUID磁传感器失锁复位后第一电压信号的变化量，表示SQUID磁传感器失锁复位后第二电压信号的变化量，M₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的互感值，M₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的互感值，k₁表示第一耦合线圈与第一SQUID器件的耦合系数，k₂表示第二耦合线圈与第二SQUID器件的耦合系数；round函数代表取最近的整数。