CN106199464A - 双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用，包括通过电流正反馈和限幅放大结合，既实现了磁通-电压传输率的提升，又使得输出磁通幅度小于2Φ₀，避免了传输特性多零点问题。同时在所述SQUID磁通探测模块采用欠反馈原理实现自复位且传输特性单调的磁通探测器，确保以固定工作点下的唯一确定的传输特性对所述SQUID磁通放大模块输出磁通进行磁通-电压转换，解决了传输特性多值问题。本发明使得双级SQUID放大模块在提升磁通-电压传输率的同时，其传输特性中工作点周期单值，避免出现多值问题，操作简单，噪声性能得到很大提升，发挥出了SQUID低噪声的性能，进而可形成实用化高性能的SQUID磁传感器。

Description

双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用。

背景技术

基于超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的磁传感器是目前已知的最灵敏的磁探测器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异常、极低场核磁共振等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞特(10^-15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用价值。

SQUID器件是SQUID磁传感器中最核心的磁敏感元件。通常采用直流SQUID器件(以下所述的SQUID都指直流SQUID器件)，该器件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，加载一定的偏置电流，SQUID两端的电压将具有随其感应磁场发生变化的特性，即SQUID感应外界磁通，输出响应的电压，输入磁通和电压构成对应的传输特性，典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线如图1所示，该磁通-电压传输特性类似于正弦波，是周期非线性的，周期为一个磁通量子Φ₀(2.07×10^-15韦伯)。

SQUID磁传感器就是依赖上述SQUID磁通-电压传输特性应用磁通-电压锁定环路(Flux-Locked Loop，FLL)原理来实现磁通检测并线性转换成电压信号，构成基于SQUID的高灵敏度低噪声磁传感器。基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器的典型结构如图2所示，其工作原理是：选择SQUID磁通-电压传输特性其中一个工作点，在工作点处，SQUID输出电压为零，积分器没有积分，所有输出稳定，达到负反馈的稳定状态。当外部被测磁通发生变化，SQUID感应到偏离工作点的磁通ΔΦ，将根据磁通-电压传输特性曲线输出电压ΔV，该电压经低噪声前置放大器进行信号放大，并送入积分器，积分器根据输入电压大小积分调制输电电压V_FLL，该电压V_FLL驱动反馈电阻产生反馈电流I_f，反馈电流通过反馈电感L_f与磁敏感元件SQUID的互感M_f产生抵消磁通，抵消外部输入的磁通，直到完全抵消，使得输入积分器的电压V_FLL归零，整个负反馈环路恢复平衡，SQUID状态回到工作点。从磁通-电压锁定环路的负反馈工作过程可知，输入的被测磁通大小与抵消磁通始终相同，因此被测磁通Φ大小产生抵消磁通的积分器输出电压V_FLL成比例关系，只要检测积分器输出电压V_FLL，即可获知外部被测磁通Φ的大小，SQUID磁传感器就是利用该原理实现磁通-电压的线性转换。

SQUID工作在低温环境下(低温SQUID采用低温超导材料制成，通常工作在4.2K的液氦环境下，高温SQUID采用高温超导材料制成，通常工作在77K的液氦环境下)，因此热噪声很低。而与之匹配的前置放大器工作在常温环境下(300K左右)，因此热噪声比较高。低噪声放大器的电压噪声V_n通常为1nV/√Hz，在与SQUID噪声进行比较时，将其转换成等效磁通噪声，放大器的等效磁通噪声为： 为SQUID的磁通电压传输率，典型的磁通-电压传输率为100μV/Φ₀，因此低噪声放大器典型的磁通噪声为10μΦ₀/√Hz，而典型SQUID的本征磁通噪声为1μΦ₀/√Hz，低噪声放大器磁通噪声比SQUID本征磁通噪声大10倍左右，因此出现了SQUID器件与低噪声放大器噪声不匹配问题。由于噪声不匹配，即前置放大器的噪声远高于SQUID磁敏感元件的噪声，当SQUID器件由常温放大电路直接读取时，其构建磁的传感器的噪声水平主要由前置放大器主导，不能体现出SQUID低噪声特性，因此SQUID低噪声的性能得不到发挥。

为了使SQUID与前置放大器匹配，要么降低前置放大器的噪声，要么提升SQUID的磁通电压传输率，由于前置放大器工作在常温下，由有源半导体器件构成，本征热噪声难以降低，因此提升SQUID磁通电压传输率是比较可行的方案。为了降低SQUID前置放大器的磁通噪声，就要提高SQUID的磁通-电压传输率至少10倍，也就是要在接入前置放大器之前将SQUID信号进行10倍左右的低噪声放大，以提高SQUID的信号强度与前置放大器匹配，以免SQUID信号被前置放大器的电压噪声淹没。

目前为了提升SQUID磁通-电压传输率通常采用两种方法：

方法一：两个普通SQUID的级联，如图3所示，通过SQUID1检测被测磁场信号，输出电压驱动电阻和电感回路，将检测到电压信号转换成电流信号，再通过电感转换成磁通耦合到SQUID2中，SQUID2再将磁通转换成电压，输入前置放大器中进行放大。两级放大器如果都工作在各自最佳的工作点上，那么实现的磁通-电压传输率就可以得到很大的提高，因此是一个有效提升SQUID传感器性能的解决方案。但是，两个普通SQUID的级联实现高磁通-电压传输率的方案存在工作点多值问题：如图4所示，两个普通SQUID的磁通-电压传输特性是周期性非线性的，当两个SQUID级联后，形成的磁通-电压传输特性如图5所示，出现了在一个磁通周期内具有多个可锁定的工作点，即工作点多值情况，其中只有具有最大磁通-电压传输率的工作点P为最佳工作点。普通单个SQUID构成的SQUID磁传感器一个周期内只有一个可锁定的工作点，因此传感器工作后必然锁定在所设定的工作点上，传感器的操作简单，性能稳定。而采用双级SQUID构建的SQUID磁传感器，由于存在多个工作点，且不同工作点处磁通-电压传输率不同，因此SQUID传感器锁定后，其性能将因锁定的工作点不同而不一致，由于SQUID磁传感器的常规操作不能控制工作点选择到最佳工作点上，因此难以确保双级SQUID磁传感器的性能。

方法二：第二级SQUID采用基于SQUID磁通锁定环路实现的线性磁通-电压转换电路，如图6所示，通过SQUID1检测被测磁场信号，输出电压驱动电阻和电感回路，将检测到电压信号转换成电流信号，再通过电感转换成磁通耦合到SQUID2中，SQUID2再将感应到的磁通转换为电压信号，以此将被测磁场信号通过电压方式表示。由于第二级SQUID构成了磁通锁定环路，其传输特性是线性的，因此合成的磁通-电压传输特性可以避免工作点多值问题。但是，由基于SQUID磁通锁定环路实现的线性磁通-电压转换电路的第二级SQUID和基于普通SQUID的第一级SQUID级联实现高磁通-电压传输率的方案存在传输特性多值问题：如图7所示，第一级SQUID的磁通-电压传输特性是周期性非线性的，而第二级SQUID的磁通-电压传输特性是周期性线性的，当两个SQUID级联后，形成的磁通-电压传输特性如图8所示，磁通-电压传输特性会因SQUID工作点不同而不同，主要区别是直流偏移不同。因此第二SQUID锁定在不同工作点上，其传输特性不同，造成双级SQUID磁通-电压转换模块的传输特性发生变化。因此所谓的传输特性多值，就是指对应相同的磁通输入，第二SQUID磁探测器输出会因其工作点不同而不同。由于传输特性不确定，因此级联后的传输特性中的工作点也会不确定。具有多值传输特性的第二SQUID磁通-电压转换模块应用到双级SQUID中形成整体的磁通-电压传输特性曲线，将随着第二SQUID传输特性的变化而变化。SQUID传感器在运行过程中，会受到外界干扰经常出现失锁现象，当重新恢复锁定后，会因第二级SQUID工作点的变动，使级联后模块的工作零点发生变动，因而整个SQUID磁传感器的工作点发生变动，因而也无法确保传感器工作在最佳工作点上。同时第二级SQUID也采用磁通锁定环路，与整个磁通锁定环路构成双环路结构，操作复杂，锁定困难，难以实用化。

工作点多值和传输特性多值使得两级SQUID级联形成的SQUID传感器无法确保工作在最佳工作点上，因此性能不能稳定发挥，严重影响了双级SQUID磁传感器的应用。

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双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用，用于解决现有技术中双级超导量子干涉器磁通-电压转换中工作点多值、性能不稳定、实用性差等问题。使得双级SQUID磁传感器至今无法实用化，当前的SQUID磁传感器始终无法将SQUID的低噪声性能发挥出来，本发明将完全解决这个问题。实现高性能、可操作、实用化的双级SQUID磁传感器，具有重要的价值。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置至少包括：

具有正反馈和限幅特性的SQUID磁通放大模块，用于检测被测磁通信号，并将所述被测磁通信号限幅放大后输出所述被测磁通信号的响应磁通信号；

具有自复位特性的SQUID磁通探测模块，与所述SQUID磁通放大模块耦合相连，用于将所述响应磁通信号以唯一确定的传输特性转换为响应电压信号。

优选地，还包括连接于所述SQUID磁通探测模块输出端的工作点对齐检测模块，用于根据所述SQUID磁通探测模块输出的响应电压信号判断所述SQUID磁通探测模块的工作点是否对齐。

优选地，所述SQUID磁通放大模块包括：

串联构成回路的第一级超导量子干涉器，转换电阻，转换线圈及正反馈线圈；

其中，所述第一级超导量子干涉器检测被测磁通信号，并输出相应的电压；

所述转换电阻将第一级超导量子干涉器输出的电压转换为电流；

所述转换线圈将回路中的电流转换为所述响应磁通信号；

所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器耦合相连，将回路中的电流转换成反馈磁通并耦合到所述第一级超导量子干涉器，形成电流正反馈，提升工作点处的磁通-电流传输率。

优选地，所述SQUID磁通探测模块采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路来实现具有自复位特性的SQUID磁通探测模块。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法至少包括：

基于具有正反馈和限幅特性的SQUID磁通放大模块通过电流正反馈和限幅放大将被测磁通信号放大为响应磁通信号，并对所述响应磁通信号的幅度进行限定，所述SQUID磁通放大模块包括用于检测所述被测磁通信号的第一级超导量子干涉器；

基于具有自复位特性的SQUID磁通探测模块将与所述响应磁通信号耦合的第二级超导量子干涉器的周期非线性磁通-电压转换特性改造为周期单调的传输特性，根据输入磁通的范围可跳跃到对应的单调传输特性曲线上，以得到唯一确定的传输特性，所述响应磁通信号在所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间内以唯一确定的传输特性转换成响应电压信号；

所述响应磁通信号的幅度满足如下关系：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}<2{\mathrm{\&Phi;}}_0,$

所述响应磁通信号的幅度与所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间满足如下关系：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0,$

其中为所述响应磁通信号的幅度，为所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间，Φ₀为一个磁通量子。

优选地，还包括工作点对齐检测：对所述响应电压信号进行检测，若所述响应电压信号跳变且峰谷相对于零点的电压差不等，则所述SQUID磁通探测模块的工作点未对齐，需对所述SQUID磁通探测模块的工作点进行调整；反之，所述SQUID磁通探测模块的工作点对齐。

优选地，对所述响应磁通信号进行放大和限幅的方法进一步包括：基于第一级超导量子干涉器检测被测磁通信号，产生响应电流，基于一正反馈线圈将所述响应电流转换为反馈磁通信号后耦合至所述第一级超导量子干涉器，进而提升工作点处磁通-电压传输率，放大工作点处所述响应电流，再基于一转换线圈将所述响应电流转换为幅度受限的所述响应磁通信号。

更优选地，通过调节所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感来设定所述响应磁通信号的幅度，其中：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{pp}}\&CenterDot;M_{12},$

I_pp为所述响应电流的最大幅度，M₁₂为所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感。

更优选地，通过调节所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器的互感，以及所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感来设定所述响应磁通信号的磁通放大倍数，其中：

$G_{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{1}{1-M_S\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}\&CenterDot;M_{12},$

M_S为所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器的互感，M₁₂为所述转换线圈与所第二级超导量子干涉器的互感，为第一级超导量子干涉器的磁通-电压传输特性工作点处的磁通-电流传输率，即斜率。

优选地，采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路实现所述具有传输特性回滞的自复位SQUID磁探测器，所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间通过调节欠反馈系数设定。

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，所述SQUID磁传感器至少包括：上述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，积分器，反馈电阻及反馈电感；所述反馈电阻与所述积分器和所述反馈电感分别相连；所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输入端与所述反馈电感耦合相连，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输出端与所述积分器相连。

如上所述，本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用，具有以下有益效果：

本发明实现了SQUID磁传感器与前置放大器的噪声匹配，使SQUID低噪声性能得以充分发挥；同时，在实现噪声匹配的基础上本发明以唯一确定的传输特性进行磁通-电压转换，解决了现有技术中工作点不稳定的问题。本发明改变了目前SQUID传感器的技术现状，突破了技术瓶颈，实现高性能、可操作、实用化的双级SQUID磁传感器，具有重要的价值。

附图说明

图1显示为现有技术中的典型的SQUID磁通-电压传输特性曲线示意图。

图2显示为现有技术中的基于磁通-锁定环路的SQUID磁传感器结构示意图。

图3～图5显示为现有技术中的两个普通SQUID级联构成的磁通-电压转换电路结构、原理及传输特性曲线示意图。

图6～图8显示为现有技术中的一个普通SQUID与SQUID磁通锁定环路级联构成的磁通-电压转换电路结构、原理及传输特性曲线示意图。

图9显示为本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置示意图。

图10显示为本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的一种实现结构示意图。

图11显示为经电流正反馈后的第一级超导量子干涉器的磁通-电流传输特性曲线示意图。

图12显示为经电流正反馈后的SQUID磁通放大模块的磁通-磁通传输特性曲线示意图。

图13显示为本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的信号转换过程示意图。

图14显示为本发明的第二级超导量子干涉器的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图15显示为本发明的电压欠反馈SQUID电路的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图16显示为本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的另一种实现结构示意图。

图17显示为本发明的第二级超导量子干涉器的磁通-电流传输特性曲线示意图。

图18显示为本发明的电流欠反馈SQUID电路的磁通-电压传输特性曲线示意图。

图19显示为欠反馈电路实现的自复位回滞传输特性曲线示意图。

图20显示为本发明的SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间范围最小时磁通信号的响应示意图。

图21显示为本发明的SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间范围最大时磁通信号的响应示意图。

图22显示为本发明的工作点未对齐时的信号转换过程示意图。

图23显示为本发明的SQUID磁传感器结构示意图。

图24显示为本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法流程示意图。

元件标号说明

1 双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置

11 SQUID磁通放大模块

12 SQUID磁通探测模块

121 电压欠反馈SQUID电路

122 电流欠反馈SQUID电路

13 工作点对齐检测模块

2 积分器

3 反馈电阻

4 反馈电感

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。

请参阅图9～图24。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。

如图9所示，本发明提供一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置1至少包括：

SQUID磁通放大模块11、SQUID磁通探测模块12以及工作点对齐检测模块13。

所述SQUID磁通放大模块11具有正反馈和限幅特性，用于检测被测磁通信号Φ，并将所述被测磁通信号Φ限幅放大，输出所述被测磁通信号Φ的响应磁通信号Φ₁₂。

具体地，如图10及图16所示，所述SQUID磁通放大模块11包括第一级超导量子干涉器SQD1、转换电阻R_s、转换线圈L₁以及正反馈线圈L_s。

所述第一级超导量子干涉器SQD1、所述转换电阻R_s、所述转换线圈L₁以及所述正反馈线圈L_s串联形成回路，但在回路中的具体位置不限。在本实施例中，所述第一级超导量子干涉器SQD1检测所述被测磁通信号Φ，将所述被测磁通信号Φ转换为相应的电压信号；所述转换电阻R_s连接于所述第一级超导量子干涉器SQD1，用于将所述第一级超导量子干涉器SQD1输出的电压转换为响应电流I_s；所述转换线圈L₁一端连接于所述转换电阻R_s、另一端接地，用于将所述响应电流I_s转换为所述响应磁通信号Φ₁₂并耦合到第二级超导量子干涉器SQD2；所述正反馈线圈L_s一端连接所述第一级超导量子干涉器SQD1、另一端接地，将所述响应电流I_s转换成反馈磁通并耦合到所述第一级超导量子干涉器SQD1，提升工作点处磁通-电压传输率，放大工作点处所述响应电流I_s，进而放大所述响应磁通信号Φ₁₂。回路中加载恒定的第一偏置电流I_b1，当外部输入所述被测磁通信号Φ时，由于所述第一偏置电流I_b1不变，所述响应电流I_s将随所述被测磁通Φ发生变化。

电流正反馈使得所述第一级超导量子干涉器SQD1的磁通-电流传输特性变得不对称，如图11所示，工作点处(传输特性的中部位置)的磁通-电流传输率变大为因此工作点处磁通-电流转化能力变强了；但同时，磁通-电流传输特性的响应电流最大幅度I_pp不会发生变化，和所述第一级超导量子干涉器SQD1的电流最大幅度一致。由于所述SQUID磁通放大模块11输出的响应磁通信号的幅度是受所述第一级超导量子干涉器SQD1的磁通-电流传输特性限制，最大响应电流幅度I_pp是有限的，因此通过所述转换线圈耦合到所述第二级超导量子干涉器的互感M₁₂是有限的，通过调节所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感M₁₂就可以限定所述SQUID磁通放大模块11输出的响应磁通的最大幅度。

通过所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感以及所述正反馈线圈L_s与所述第一级超导量子干涉器SQD1的互感，对所述响应磁通信号Φ₁₂的幅度及放大倍数进行设定，具体方法如下：

对所述转换电阻R_s进行选择时，其热噪声要小于SQUID的本征噪声，所述转换电阻R_s应小于10Ω，这样不会因引入所述转换电阻R_s而使电路的噪声水平变差；同时考虑其对所述第一偏置电流I_b1的分流作用，所述转换电阻R_s的电阻值也不能过小，通常大于0.1Ω；因此，所述转换电阻R_s的阻值选择为0.1Ω<R_s<10Ω。

由于所述第一级超导量子干涉器SQD1周期非线性变换作用，所述被测磁通信号Φ经所述SQUID磁通放大模块11再输出时，其幅度是受所述第一级超导量子干涉器SQD1输出的响应电流幅度I_pp限制的，即所述响应磁通信号的幅度为了实现所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输出信号的工作点单值和稳定性，需要对所述响应磁通信号的幅度进行限定，在本实施例中，所述响应磁通信号的幅度限制于2个磁通量子，即I_PP·M₁₂<2Φ₀。另一方面，所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M₁₂的选择要符合磁通放大功能，其放大倍数需大于1，即其中，因此，综合以上两点，通过选择合适的所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M₁₂使所述响应磁通信号的幅度满足如下条件：

$\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_0}{2}<I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}<2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

经电流正反馈后的所述第一级超导量子干涉器SQD1的磁通-电流传输曲线就变为周期内非对称，如图11所示。经过电流正反馈后的所述SQUID磁通放大模块11的磁通-磁通传输特性如图12所示，在工作点处的磁通放大倍数：

$G_{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{12}}{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{{\&PartialD;I}_s}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}\&CenterDot;M_{12}=\frac{1}{1-M_S\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}\&CenterDot;M_{12}=g_1\&CenterDot;g_2,$

其中，由于所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M₁₂的选择是受限的，它能实现的磁通-电压传输率是有限的，最大的放大倍数也在4倍左右(当取同极性情况，I_pp·M₁₂≈2Φ₀，那么工作点处输入磁通到输出磁通的放大倍数)。为了使SQUID与常温下工作的半导体低噪声放大器匹配，需要提高本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的磁通-电压传输率，也就是要在接入前置放大器之前将本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输出信号进行低噪声放大。在本实施例中，以提高10倍为例，可根据实际应用对放大倍数进行设定，不以本实施例为限。为了实现10倍以上的磁通-电压传输率，就要求将所述SQUID磁通放大模块11工作点处磁通电压传输率通过所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M₁₂提高3倍以上，其余的增益则要通过引入电流正反馈电路来实现，即通过对所述反馈线圈L_s与所述第一级超导量子干涉器SQD1的互感M_S的选择提高磁通-电压的传输率。经电流正反馈后，在工作点处的磁通-电压传输率随着所述反馈线圈L_s与所述第一级超导量子干涉器SQD1的互感M_S的作用而变化，即只要，就可以使得工作点处的磁通电压传输率得到提升。同时，该电流正反馈原理不会改变所述第一级超导量子干涉器SQD1的磁通-电流转换幅度，即I_pp的值不变。在本实施例中，设定所述反馈线圈L_s与所述第一级超导量子干涉器SQD1的互感M_S值，1)使得则2)满足I_PP·M₁₂<2Φ₀，使得I_PP·M₁₂≈1.5Φ₀，则那么所述响应磁通信号Φ₁₂的磁通放大倍数因此通过电流正反馈增强工作点处的磁通-电流传输率，并选择合适的耦合系数M₁₂，使其承担3倍以上的磁通放大作用，同时使所述响应磁通Φ₁₂的幅度(即峰峰值)限定在2Φ₀以内。两种放大效果综合，可实现10倍以上的磁通放大能力，由于没有引入额外的噪声源，所述SQUID磁通放大模块11仍保持低噪声特性。

所述SQUID磁通探测模块12具有自复位特性，自复位特性本质是：将传统SQUID周期非线性的磁通-电压转换特性(类正弦形状)改造成，周期单调(即斜率始终为正或始终为负)的磁通-电压传输特性，每根传输特性是单调的，同时磁通检测范围是有限的，代表该单调传输特性覆盖的磁通输入范围。如果输入超过该范围，将跳跃到相邻的传输特性上，因此具有了自复位的功能，即根据输入范围，自动跳跃到对应的传输特性曲线上，避免了传输特性不确定的问题。所述SQUID磁通探测模块12与所述SQUID磁通放大模块耦合相连，用于将所述响应磁通信号Φ₁₂以唯一确定的传输特性转换为响应电压信号。如图13所示，所述SQUID磁通探测模块12将所述响应磁通信号Φ₁₂在单调特性区间内转换为稳定的周期性响应电压信号V_out。

具体地，所述SQUID磁通探测模块12可由任意具有自复位、单调传输特性的转换模块实现，不以本实施例为限，在本实施例中，所述SQUID磁通探测模块12可以采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路来实现具有自复位特性的SQUID磁通探测模块。

如图10所示，采用电压欠反馈SQUID电路121实现的具有自复位特性的SQUID磁通探测模块，包括第二级超导量子干涉器SQD2，连接于所述第二级超导量子干涉器SQD2输出端的前置放大器U1，连接于所述前置放大器U1输出端的反馈电阻R_f，连接于所述反馈电阻R_f的反馈线圈L_f，所述反馈电阻R_f与所述反馈线圈L_f之间还连接有工作点调节电路，所述工作点调节电路包括串联的可调电阻R_dc和可调电压V_dc。在本实施例中，所述前置放大器U1为低噪声固定增益的放大器，放大倍数为G₀。给所述第二级超导量子干涉器SQD2加载第二偏置电流I_b2，使得所述第二级超导量子干涉器SQD2具有了磁通-电压传输特性，所述第二级超导量子干涉器SQD2输出的电压经所述前置放大器U1以放大倍数为G₀放大，放大后的电压输出驱动所述反馈电阻R_f和所述反馈线圈L_f，产生反馈电流I_f，所述反馈电流I_f通过所述反馈线圈L_f产生反馈磁通耦合到所述第二级超导量子干涉器SQD2中，形成抵消磁通有限的欠反馈回路。

电压欠反馈回路实现所述自复位SQUID磁通探测模块的工作原理是：所述前置放大器U1将所述第二级超导量子干涉器SQD2输出的电压放大后驱动反馈磁通回路(包括反馈电阻R_f和反馈电感L_f)，产生反馈磁通抵消输入磁通，由于所述前置放大器U1是有限增益的，因此产生的抵消磁通只能抵消部分输入磁通，当外部输入磁通达到一个磁通量子时，这种欠补偿反馈达到临界状态而失衡，平衡点跃变到下一个工作点，重新建立欠反馈平衡。

如图14所示为所述第二级超导量子干涉器SQD2的周期非线性传输特性，经过欠反馈作用后，所述电压欠反馈SQUID电路121传输特性的单调区间被扩展，如图15所示，所述第二级超导量子干涉器SQD2传输特性中单调递增段Φ_pp被对应扩展到单调传输特性对应的磁通输入区间传输特性被局部线性化，在本实施例中，所述单调传输特性对应的磁通输入区间为2Φ₀，在应用中可视具体情况做不同的设定，不以本实施例为限。通过设定所述电压欠反馈SQUID电路121的参数：包括所述前置放大器增益G₀，所述反馈电阻R_f及所述反馈线圈L_f与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M_f，当满足以下条件时，可实现如图15所示的回滞自复位的磁通-电压传输特性曲线：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+V_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;k={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}},k=G_0\&CenterDot;\frac{M_f}{R_f}$

其中，V_PP为所述第二级超导量子干涉器SQD2磁通-电压传输特性中能响应电压的最大值，即峰-峰值。Φ_pp为所述第二级超导量子干涉器SQD2磁通电压传输特性曲线中电压从最小峰值到最大峰值所对应输入的磁通量。为所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间。为欠反馈系数，代表欠反馈的反馈深度。反馈深度越大，则实现单调特性的所述输入磁通区间越大，因此电压欠反馈回路可通过设定电路的参数(包括前置放大器增益G₀，反馈电阻R_f及所述反馈线圈L_f与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M_f)选择合适的欠反馈深度来设置所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间的范围。

如图16所示，采用电流欠反馈SQUID电路122实现的具有自复位特性的SQUID磁通探测模块，包括第二级超导量子干涉器SQD2，所述第二级超导量子干涉器SQD2的一端连接反馈线圈L_f、另一端连接于前置放大器U1的反向输入端。所述第二级超导量子干涉器SQD2与所述反馈线圈L_f之间还连接有工作点调节电路，所述工作点调节电路包括串联的可调电阻R_dc和可调电压V_dc。所述前置放大器U1的正向输入端连接可调偏置电压V_b，所述前置放大器U1的输出端与反向输入端之间连接反馈电阻R_f。在本实施例中，所述前置放大器U1为低噪声固定增益的放大器，放大倍数为G₀。所述第二级超导量子干涉器SQD2与反馈电感L_f的耦合互感为M_f，当所述第二级超导量子干涉器SQD2流过电流时，该电流也流过电感L_f产生反馈磁通，通过互感耦合到所述第二级超导量子干涉器SQD2中，形成电流欠反馈。所述前置放大器U1将流经所述第二级超导量子干涉器SQD2的电流I_s放大成电压信号，即放大器输出电压V₀＝I_s·R_f。前置放大器U1的正端接可调直流电源V_b，调节产生偏置电压。所述前置放大器U1工作时，其正输入端的电压与负输入端的电压相等，因此SQD2工作在恒压偏置下，偏置电压大小由V_b调节。

如图17所示为所述第二级超导量子干涉器SQD2的周期非线性磁通-电流传输特性，经过欠反馈作用后，所述电流欠反馈SQUID电路122传输特性的单调区间被扩展，如图18所示，所述第二级超导量子干涉器SQD2传输特性中单调递增段Φ_pp被对应扩展到单调传输特性对应的磁通输入区间传输特性被局部线性化，在本实施例中，所述单调传输特性对应的磁通输入区间为2Φ₀，在应用中可视具体情况做不同的设定，不以本实施例为限。通过设定所述电流欠反馈SQUID电路的参数：包括所述前置放大器增益G₀，所述反馈电阻R_f及所述反馈线圈L_f与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M_f，当达到临界条件时，就可构成如图18所示的回滞自复位的磁通-电压传输特性：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;k={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}},k=G_0\&CenterDot;\frac{M_f}{R_f},$

其中，V_PP为所述第二级超导量子干涉器SQD2磁通-电压传输特性中能响应电压的最大值，即峰-峰值。Φ_pp为所述第二级超导量子干涉器SQD2磁通电压传输特性曲线中电压从最小峰值到最大峰值所对应输入的磁通量。为所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间。k为欠反馈系数，代表欠反馈的反馈深度。由于G₀对应的是R_f将电流信号放大成电压信号，因此反馈系数：电流欠反馈实现单调线性传输特性的条件是： ${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+V_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_f={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}.$

如图19所示，经欠反馈改造后的磁通-电压传输特性是周期分布的，单调传输特性对应的磁通输入区间是在本实施例中，所述单调传输特性对应的磁通输入区间为2Φ₀，在应用中可视具体情况做不同的设定，不以本实施例为限。当输入磁通减小，小于当前传输特性对应的磁通区间，该欠反馈电路的传输特性则跃迁到左侧工作点对应的传输特性曲线上，在左侧工作点上实现稳定的欠反馈输出；同理，当输入磁通增大，超过当前传输特性对应的磁通区间时，传输特性跃迁到右侧工作点对应的传输特性曲线上，在右侧工作点上实现稳定的欠反馈输出。因此，只要使所述响应磁通信号的幅度不超过所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间就可以唯一稳定的以当前工作点对应的单调传输特性进行磁通-电压转换。

根据所述SQUID磁通放大模块11输出的所述响应磁通的幅度确定所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间的范围。

1)所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间的范围最小的情况，也即欠反馈系数最小的情况，如图20所示，所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间至少要大于所述SQUID磁通放大模块11输出的所述响应磁通的幅度。因此，该情况要求所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间满足如下要求： ${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}>{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}.$

2)所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间的范围最大的情况，也即欠反馈系数最大的情况，如图21所示，如果继续增强欠反馈系数，所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间继续扩大，相邻工作点的单调传输特性对应的磁通输入区间重叠，当相邻工作点传输特性也能覆盖所述SQUID磁通放大模块11输出的所述响应磁通的幅度时，就可能因为扰动进入相邻工作点，以相邻工作的传输特性工作，这样就会出现传输特性多值问题。为避免传输特性多值问题，所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间最大时，不能出现相邻工作点传输特性重叠的情况，即： ${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

因此，需通过设置所述欠反馈系数，使所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间满足如下条件：

$I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}<I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

在本实施例中，如果设置因此所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间满足如下条件：

当相邻工作点的传输特性曲线不能覆盖所述SQUID磁通放大模块11输出的所述响应磁通的幅度时，欠反馈电路将会在输入磁通的激励下从相邻工作点跃迁到当前工作点，恢复按当前工作点的传输特性曲线工作。因此，电流或电压欠反馈SQUID电路具有工作点自动复位功能，确保以固定工作点下的确定的传输特性对所述SQUID磁通放大模块11输出磁通进行磁通-电压转换，解决了传输特性多值问题，按上述条件设置的电流或电压欠反馈SQUID电路能确定的唯一工作点对应的传输特性对所述SQUID磁通放大模块11输出的磁通进行磁通-电压转换。

本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置1将SQUID磁通放大模块11中的电流正反馈、限幅技术和SQUID磁通探测模块12中的欠反馈技术结合，将被测磁通信号以唯一确定的磁通-电压传输特性转换为工作点稳定的响应电压信号。基于所述SQUID磁通放大模块11及所述SQUID磁通探测模块12即可完成磁通-电压传输率的提升和工作点的稳定。在此基础上，本发明还提供所述工作点对齐检测模块13，连接于所述SQUID磁通探测模块12的输出端，用于检测所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置1的工作点是否对齐，以便于操作者对所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置中的工作零点进行调整，使所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的性能进一步提升。

当工作点对齐时，所述SQUID磁通探测模块的输出与输入磁通的对应关系如图13所示，所述SQUID磁通探测模块12以其单调放大传输特性实现了所述SQUID磁通放大模块11输出信号的放大，因此使总的传输特性同第一级超导量子干涉器的传输特性相同，即周期传输特性，且周期内只有一个工作零点。

当工作点未对齐时，所述SQUID磁通探测模块12的输出与输入磁通的对应关系如图22所示，所述响应电压信号V_out的幅度变大，且峰谷相对于零点的电压差不同，出现了不对称情况；此外，所述响应电压信号V_out出现了电压跳变，说明所述SQUID磁通探测模块12跳变到相邻的另一条传输特性曲线上。

工作点调节在具体电路中通过V_dc和R_dc构成电路来实现，调节V_dc的大小，即可调节加入第二级超导量子干涉器的直流磁通量，从而实现工作点对齐：在本实施例中，调节范围为1个磁通，按照上述工作点对齐与偏离情况下电压输出信号的不同来判断工作点是否对齐，通过调节V_dc的电压，调节直流磁通偏移量，直到工作点对齐(即所述响应电压信号V_out不存在电压跳变且峰谷相对于零点的电压差相同)。工作点的调节可由操作人员手动调节，也可通过控制电路根据偏移情况进行自动调节，在此不一一赘述。根据所述工作点对齐检测模块13判断出工作点是否对齐，便于最佳工作点的调制。

本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置只有唯一能稳定工作的传输特性与之对应，解决了传统SQUID线性磁通-电压转换电路有可能在不同传输特性下工作的问题，实现了高性能、可操作、实用化的双级SQUID磁传感器，具有重要的价值。

本发明还提供一种SQUID磁传感器，如图23所示，包括上述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置1，积分器2、反馈电阻3及反馈电感4。所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输入端与所述反馈电感耦合相连，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输出端与所述积分器相连。反馈电阻与所述积分器相连，反馈电感与所述反馈电阻串联。所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置1的具体结构及工作原理如上所述，在此不一一赘述。

本发明还提供一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，该方法可以由本发明所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置实现，但本发明所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法的实现结构包括但不限于本实施例列举的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置。

如图24所示，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法如下：

步骤S1：基于具有正反馈和限幅特性的SQUID磁通放大模块11通过电流正反馈和限幅放大将被测磁通信号Φ放大为响应磁通信号Φ₁₂，并对所述响应磁通信号Φ₁₂的幅度进行限定，所述SQUID磁通放大模块11包括用于检测所述被测磁通信号Φ的第一级超导量子干涉器SQD1。

具体地，基于第一级超导量子干涉器SQD1检测被测磁通信号Φ，产生响应电流，基于一正反馈线圈L_s将所述响应电流转换为反馈磁通信号后耦合至所述第一级超导量子干涉器SQD1，通过电流正反馈提高工作点处的磁通-电流传输率，进而放大所述响应电流，再基于一转换线圈L₁将所述响应电流转换为幅度受限的所述响应磁通信号Φ₁₂。

其中，所述响应磁通信号的幅度通过调节所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感来设定，I_pp为所述响应电流的幅度，M₁₂为所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感，在本实施例中，只要通过选择合适的所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M₁₂即可使所述响应磁通信号的幅度满足如下关系：其中为所述响应磁通信号的幅度，Φ₀为一个磁通量子。

其中，所述响应磁通信号的磁通放大倍数通过调节所述正反馈线圈L_s与所述第一级超导量子干涉器SQD1的互感，以及所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感来设定，M_S为所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器的互感，M₁₂为所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感。

步骤S2：基于具有自复位特性的SQUID磁通探测模块12在所述SQUID磁通探测模块12的单调传输特性对应的磁通输入区间内以唯一确定的传输特性将所述响应磁通信号Φ₁₂转换成响应电压信号V_out，所述SQUID磁通探测模块12包括用于耦合所述响应磁通信号Φ₁₂的第二级超导量子干涉器SQD2。所述响应磁通信号的幅度与所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间满足如下关系：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0,$

其中为所述响应磁通信号的幅度，为所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间，Φ₀为一个磁通量子。

具体地，所述SQUID磁通探测模块12可由任意具有自复位、单调传输特性的转换模块实现，不以本实施例为限，在本实施例中，采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路实现所述具有传输特性回滞的自复位SQUID磁探测器，所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间通过调节欠反馈系数设定，其中欠反馈系数G₀为前置放大器的增益，R_f反馈电阻阻值，M_f为所述反馈线圈L_f与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感。

步骤S3：基于工作点对齐检测模块13对所述响应电压信号V_out进行检测，若所述响应电压信号V_out跳变且峰谷相对于零点的电压差不等，则所述SQUID磁通探测模块12的工作点未对齐，需对所述SQUID磁通探测模块12的工作点进行调整；反之，所述SQUID磁通探测模块的工作点对齐。

具体地，调整所述SQUID磁通探测模块12的工作点的方法包括调节所述SQUID磁通探测模块12中直流磁通的偏移量，从而实现工作点对齐。工作点的调节可由操作人员手动调节，也可通过控制电路根据偏移情况进行自动调节，在此不一一赘述。

本发明所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是本领域技术人员利用现有技术对本发明所述方案的变形都包括在本发明的保护范围内。

本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法及其应用在所述SQUID磁通放大模块中采用两种技术结合方式实现磁通放大功能，即采用电流正反馈技术提升工作点处的磁通-电压传输率，同时设定所述转换线圈L₁与所述第二级超导量子干涉器SQD2的互感M₁₂的大小，实现磁通限幅放大，使得所述SQUID磁通放大模块输出磁通的幅度在2Φ₀以内，既实现了磁通-电压传输率的提升，又避免了传输特性多零点问题。同时在所述SQUID磁通探测模块采用欠反馈原理实现自复位且传输特性单调的磁通探测器，欠反馈SQUID电路具有工作点自动复位功能，确保以固定工作点下的确定的传输特性对所述SQUID磁通放大模块输出磁通进行磁通-电压转换，解决了传输特性多值问题。结合所述SQUID磁通放大模块和所述SQUID磁通探测模块合成的磁通-电压转换模块实现了同普通SQUID相同的周期内工作点单值的传输特性，同时磁通电压传输率提升10倍，使前放噪声等效磁通噪声降低至1/10。本发明的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置、方法操作简单，可形成实用化高性能的SQUID磁传感器。

综上所述，本发明采用SQUID磁通放大模块使得工作点处的磁通电压传输率得到提高；同时输出的放大后的磁通的峰峰值小于2Φ₀；针对磁通变化峰峰值小于2Φ₀的磁通，使用欠反馈机制的磁通探测器进行磁通-电压转换和放大，避免了磁通-传输特性在2Φ₀内出现传输特性出现多个零点问题及传输特性多值问题。本发明使得双级SQUID放大模块在提升磁通-电压传输率的同时，其传输特性中工作点周期单值，避免出现多值问题，操作简单，同时由于传输率大大提升，噪声性能得到很大提升，发挥出了SQUID低噪声的性能，进而可形成实用化高性能的SQUID磁传感器。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)

1.一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，其特征在于，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置至少包括：

具有正反馈和限幅特性的SQUID磁通放大模块，用于检测被测磁通信号，并将所述被测磁通信号限幅放大后输出所述被测磁通信号的响应磁通信号；

具有自复位特性的SQUID磁通探测模块，与所述SQUID磁通放大模块耦合相连，用于将所述响应磁通信号以唯一确定的传输特性转换为响应电压信号。

2.根据权利要求1所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，其特征在于：还包括连接于所述SQUID磁通探测模块输出端的工作点对齐检测模块，用于根据所述SQUID磁通探测模块输出的响应电压信号判断所述SQUID磁通探测模块的工作点是否对齐。

3.根据权利要求1所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，其特征在于：所述SQUID磁通放大模块包括：

串联构成回路的第一级超导量子干涉器，转换电阻，转换线圈及正反馈线圈；

其中，所述第一级超导量子干涉器检测被测磁通信号，并输出相应的电压；

所述转换电阻将第一级超导量子干涉器输出的电压转换为电流；

所述转换线圈将回路中的电流转换为所述响应磁通信号；

所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器耦合相连，将回路中的电流转换成反馈磁通并耦合到所述第一级超导量子干涉器，形成电流正反馈，提升工作点处的磁通-电流传输率。

4.根据权利要求1所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，其特征在于：所述SQUID磁通探测模块采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路来实现具有自复位特性的SQUID磁通探测模块。

5.一种双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，其特征在于，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法至少包括：

基于具有正反馈和限幅特性的SQUID磁通放大模块通过电流正反馈和限幅放大将被测磁通信号放大为响应磁通信号，并对所述响应磁通信号的幅度进行限定，所述SQUID磁通放大模块包括用于检测所述被测磁通信号的第一级超导量子干涉器；

基于具有自复位特性的SQUID磁通探测模块将与所述响应磁通信号耦合的第二级超导量子干涉器的周期非线性磁通-电压转换特性改造为周期单调的传输特性，根据输入磁通的范围可跳跃到对应的单调传输特性曲线上，以得到唯一确定的传输特性，所述响应磁通信号在所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间内以唯一确定的传输特性转换成响应电压信号；

所述响应磁通信号的幅度满足如下关系：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}<2{\mathrm{\&Phi;}}_0,$

所述响应磁通信号的幅度与所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间满足如下关系：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}<{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+{2\mathrm{\&Phi;}}_0,$

其中为所述响应磁通信号的幅度，为所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间，Φ₀为一个磁通量子。

6.根据权利要求5所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，其特征在于：还包括工作点对齐检测：对所述响应电压信号进行检测，若所述响应电压信号跳变且峰谷相对于零点的电压差不等，则所述SQUID磁通探测模块的工作点未对齐，需对所述SQUID磁通探测模块的工作点进行调整；反之，所述SQUID磁通探测模块的工作点对齐。

7.根据权利要求5所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，其特征在于：对所述响应磁通信号进行放大和限幅的方法进一步包括：基于第一级超导量子干涉器检测被测磁通信号，产生响应电流，基于一正反馈线圈将所述响应电流转换为反馈磁通信号后耦合至所述第一级超导量子干涉器，进而提升工作点处磁通-电压传输率，放大工作点处所述响应电流，再基于一转换线圈将所述响应电流转换为幅度受限的所述响应磁通信号。

8.根据权利要求7所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，其特征在于：通过调节所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感来设定所述响应磁通信号的幅度，其中：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{pp}}\&CenterDot;M_{12},$

I_pp为所述响应电流的最大幅度，M₁₂为所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感。

9.根据权利要求7所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，其特征在于：通过调节所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器的互感，以及所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感来设定所述响应磁通信号的磁通放大倍数，其中：

$G_{\mathrm{\&Phi;}}=\frac{1}{1-M_S\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;I}{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}\&CenterDot;M_{12},$

M_S为所述正反馈线圈与所述第一级超导量子干涉器的互感，M₁₂为所述转换线圈与所述第二级超导量子干涉器的互感，为第一级超导量子干涉器的磁通-电压传输特性工作点处的磁通-电流传输率，即斜率。

10.根据权利要求5所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换方法，其特征在于：采用电压欠反馈SQUID电路或电流欠反馈SQUID电路实现所述具有传输特性回滞的自复位SQUID磁探测器，所述SQUID磁通探测模块的单调传输特性对应的磁通输入区间通过调节欠反馈系数设定。

11.一种SQUID磁传感器，其特征在于，所述SQUID磁传感器包括：权利要求1～4任意一项所述的双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置，积分器，反馈电阻及反馈电感；所述反馈电阻与所述积分器和所述反馈电感分别相连；所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输入端与所述反馈电感耦合相连，所述双级超导量子干涉器磁通-电压转换装置的输出端与所述积分器相连。