超導量子干涉器磁傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁傳感系統(tǒng)，特別是涉及一種超導量子干涉器磁傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用超導量子干涉器件（SuperconductingQuantumInte;rferenceDevice,W下 簡稱S卵ID)的傳感器是目前已知的最靈敏、高分辨率的磁傳感器。其最低可探測磁場強度 達到飛特（10-15特斯拉)量級。廣泛應(yīng)用于也磁、腦磁、極低場核磁共振等微弱磁信號探測 和科學研究中。
[0003] 直流超導量子干涉器件(簡稱dcS卵ID)采用兩個并聯(lián)的約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成超 導環(huán)，將結(jié)的兩端引出形成一個兩端子元件，W下所涉及的S卵ID都指直流超導量子干涉 器件。給S卵ID兩端加載一定的偏置電流，S卵ID兩端電壓具有隨外部感應(yīng)磁通大小而變 化的磁敏特性。典型的S卵ID磁通電壓傳輸特性曲線是周期非線性的，W-個磁通量子〇。 的磁通（2. 07Xl(Ti5韋伯）為周期。具有很大的磁通感應(yīng)范圍，文獻報道其磁通測量范圍可 達8X104個史。W上。
[0004] 然而，上述S卵ID周期性非線性的磁通電壓傳輸特性曲線，不具有單值函數(shù)特性。 即無法通過根據(jù)S卵ID電壓輸出大小，獲知實際感應(yīng)磁通的大小。因此無法將S卵ID器件 直接用作磁傳感器。
[0005] 目前S卵ID磁傳感器是通過一種稱為磁通鎖定環(huán)路（flux-lockedloop,簡稱 化L)的讀出電路來實現(xiàn)磁通電壓的線性轉(zhuǎn)換，構(gòu)建線性磁傳感器。采用化L的磁傳感器受 讀出電路輸出電壓的限制(通常為+-10V)其量程是有限的。同時由于環(huán)路工作時會發(fā)生不 可預(yù)知的工作零點跳變而失鎖，造成測量中斷，信號輸出不連續(xù)。因此采用化L的S卵ID傳 感器無法發(fā)揮S卵ID器件大量程的性能，且易發(fā)生失鎖，造成測量中斷，鎖定一次工作零點 只能測量lOOms-ls時長內(nèi)的磁通變化。該是由于常規(guī)S卵ID傳感器鎖定一次的工作時間 要根據(jù)外部環(huán)境磁場干擾情況而定，有的能工作幾分鐘到幾個小時，它是在受到外部如電 力裝置、手機等電磁場發(fā)生裝置的干擾，造成失鎖。該種干擾具有一定的隨機性。因此該里 主要說明基于化L的S卵ID磁傳感器易受干擾，且重新鎖定后不能回復到原先的工作零點， 無法實現(xiàn)測量的連續(xù)性。因此，現(xiàn)有的S卵ID磁傳感器不適用長時間連續(xù)工作的系統(tǒng)。因 此限制了S卵ID的應(yīng)用。
[0006] 由于S卵ID磁傳感器的高精度和高反應(yīng)速度，越來越多的場合，如地磁測量等領(lǐng) 域開始使用S卵ID磁傳感器。但由于其無法長時間測量，使得S卵ID磁傳感器在該些領(lǐng)域 中的應(yīng)用受到極大的限制。如何發(fā)揮S卵ID器件的特點并能長時間巧日1天甚至一個月W 上）的測量外部磁通，避免傳統(tǒng)S卵ID磁傳感器工作零點跳變造成測量不連續(xù)，是本領(lǐng)域技 術(shù)人員所要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種超導量子干涉器磁傳 感系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的s卵ID磁傳感器無法長時間、無需在鎖定工作零點所在量 程區(qū)間內(nèi)測量外部磁通的問題。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種超導量子干涉器磁傳感系統(tǒng)， 包括：包含第一超導量子干涉器件的第一磁傳感器，用于實時調(diào)整所述第一超導量子干涉 器件的鎖定工作點，并在每次鎖定后的一個磁通量程范圍內(nèi)感應(yīng)并輸出與所述外部磁通的 變化相對應(yīng)的第一感應(yīng)信號；與所述第一磁傳感器處于同一外部磁通環(huán)境中的第二磁傳感 器，用于感應(yīng)并輸出所處磁通環(huán)境的中與外部磁通連續(xù)變化相對應(yīng)的第二感應(yīng)信號；與所 述第二磁傳感器和第一磁傳感器相連的信號補償處理單元，用于利用預(yù)設(shè)的磁場磁通轉(zhuǎn)換 系數(shù)來分別確定所述第一感應(yīng)信號和所述第二感應(yīng)信號各自所反映的磁通，并計算兩磁通 之差，根據(jù)所得到的差值來確定各磁通量程范圍內(nèi)的磁通相對于預(yù)設(shè)的磁通量程范圍的磁 通量子數(shù)量，W及根據(jù)所得到的各相對磁通數(shù)量來補償所述第一感應(yīng)信號在失鎖期間的變 化，將經(jīng)補償后的連續(xù)的第一感應(yīng)信號予W輸出。
[0009] 優(yōu)選地，所述第二磁傳感器包括；第二超導量子干涉器件；與所述第二超導量子 干涉器件相連、且負反饋至所述第二超導量子干涉器件的欠反饋電路，用于將所述第二超 導量子干涉器件所感應(yīng)的感應(yīng)信號按預(yù)設(shè)比例放大后負反饋至所述第二超導量子干涉器 件，使得所述第二超導量子干涉器件經(jīng)反饋后的感應(yīng)信號W周期單值特性輸出，并且反饋 后的感應(yīng)信號在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期初始時處于工作零點、所述磁 通量子變化周期結(jié)束時刻所輸出的感應(yīng)信號由峰值跳變至所述工作零點；與所述第二超導 量子干涉器件的輸出端相連的信號處理單元，用于根據(jù)所述第二超導量子干涉器件所感應(yīng) 的感應(yīng)信號中各跳變沿的方向來確定各所述磁通量子變化周期的數(shù)字波形信號的幅值并 生成所述數(shù)字波形信號，W將所述幅值作為磁通量子的整數(shù)倍計數(shù)，并將所接收的感應(yīng)信 號與所生成的數(shù)字波形進行疊加，W得到反映所述外部磁通在連續(xù)的磁通量子的整數(shù)倍變 化期間的感應(yīng)信號。
[0010] 優(yōu)選地，所述反饋后的感應(yīng)信號在所述外部磁通所包含的各磁通量子變化周期結(jié) 束時刻所輸出的感應(yīng)信號由峰值跳變至所述磁通量子變化周期初始時的工作零點所滿足 的臨界條件為= 2 ，其中，Of為所述欠反饋電路輸出為電壓峰峰值期間所 述第二超導量子干涉器件所感應(yīng)的磁通變化量，為所述反饋電路輸出為電壓峰峰值期 間自身產(chǎn)生的反饋磁通變化量，〇。為一個磁通量子。
[0011] 優(yōu)選地，所述欠反饋電路包括：放大單元，用于將所述第二超導量子干涉器件所感 應(yīng)的感應(yīng)信號按照預(yù)設(shè)比例予W放大；依次與所述第二超導量子干涉器件相連的反饋電阻 和反饋電感。
[0012] 優(yōu)選地，所述放大單元為與所述第二超導量子干涉器件相連的比例放大器；則所 述反饋電阻與所述比例放大器的輸出端連接，所述反饋電感與所述反饋電阻相連且所述第 二超導量子干涉器件互感。
[0013] 優(yōu)選地，所述第二超導量子干涉器件通過所述比例放大器的輸出端輸出經(jīng)欠反饋 后的感應(yīng)信號。
[0014] 優(yōu)選地，所述放大單元包括：與所述第二超導量子干涉器件互感連接的磁通放大 回路，所述磁通放大回路包括；與所述第二超導量子干涉器件互感的電感L。、與所述反饋電 感互感且與電感Lg串聯(lián)的第H超導量子干涉器件、與所述第H超導量子干涉器件和電感Lg并聯(lián)的電阻Rb22,W及與所述第H超導量子干涉器件互感的直流磁通調(diào)節(jié)回路；則所述反饋 電阻與所述第二超導量子干涉器件相連，所述反饋電感與所述反饋電阻相連；所述反饋電 阻與所述第二超導量子干涉器件的連接端還與所述第二超導量子干涉器件的輸出端相連。
[0015] 優(yōu)選地，所述信號處理單元包括；與所述第二超導量子干涉器件的輸出端相連的 計數(shù)波形生成器，用于按照所接收的感應(yīng)信號的周期和所述感應(yīng)信號的跳變沿的方向生成 數(shù)字波形信號，其中，當所接收的感應(yīng)信號為下跳變沿將當前數(shù)字波形信號的幅值增加一 個磁通量子，當所接收的感應(yīng)信號為上跳變沿將當前數(shù)字波形信號的幅值減少一個磁通量 子；與所述計數(shù)波形生成器和所述第二超導量子干涉器件的輸出端相連的合成器，用于將 矯正后的感應(yīng)信號與所生成的數(shù)字波形信號進行疊加，W得到對應(yīng)于所述外部磁通的跨多 個磁通量子變化周期的感應(yīng)信號。
[0016] 優(yōu)選地，所述超導量子干涉器磁傳感器還