Squid磁传感器及最佳工作点锁定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种SQUID磁传感器及最佳工作点锁 定方法。
【背景技术】
[0002] 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（1〇_ 15特斯拉）量 级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研宄中重要的磁传感器设备，具有很高的科研和应用 价值。
[0003] 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Φ〇(2. 07X 10-15韦伯）。
[0004] 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 L〇〇p，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Λ Φ，将根据磁通-电压传输特性曲线输出电压 Λ V，该电压经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，该电压驱动反馈电阻产生反馈电流I f，反馈电流通过反馈电感Lf与磁敏感元 件SQUID的互感Mf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，因此被测磁通大小产生抵 消磁通的积分器输出电压成比例关系，只要检测积分器输出电压，即可获知外部被测磁通 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。
[0005] SQUID器件在构建SQUID磁传感器时遇到的最大问题是SQUID在工作点处的磁 通-电压传输率不够高，与前置放大器不匹配，使得整个传感器的噪声水平受前置放大器 的电压主导，未能将SQUID低噪声的特性发挥出来。为了提高SQUID的磁通-电压传输率， 通常采用两级SQUID级联来实现，如图3所示，通过SQDl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SQD2 中，SQD2再将磁通转换成电压，输入前置放大器中进行放大，放大后的电压信号通过积分 器输出，并通过反馈电阻转换为反馈电流，反馈电感将反馈电流转换为磁通信号后耦合至 SQDl。该SQUID磁传感器可实现与前置放大器的噪声匹配，使得构成的磁传感器噪声水平 接近SQUID的本征噪声，提升SQUID磁传感器的性能，但是该SQUID磁传感器存在工作点多 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。工作点多值使得SQUID磁传感器无法保证锁定在最佳工作点上，因此无法维持 最佳工作性能。
[0006] 为了解决工作点多值问题，将第二级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SQDl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SQD2中， SQD2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，电压信 号通过积分器输出，并通过反馈电阻转换为反馈电流，反馈电感将反馈电流转换为磁通信 号后耦合至SQDl。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，该SQUID磁传感器存在传输特性 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，第二级SQUID磁通锁定环路因工作点变化，使得双级SQUID级联模块形 成的传输特性出现直流偏移不确定的问题。也就是说第二级SQUID磁通锁定环路输出直流 偏移是受其工作点变动的。假定重新锁定前，第二级SQUID磁通锁定环路在工作点b锁定， 其传输特性如图b所示。双级SQUID级联模块的磁通-电压传输特性的工作零点为最佳工 作点。当第二级SQUID磁通发生异常失锁，重新锁定后，磁通锁定环路锁定在工作点a，那么 双级SQUID级联模块的磁通-电压传输特性如图a所示。与之前的传输特性b相比，产生 了直流偏移，因此工作点发生了变化，传输特性a对应的工作零点偏离了最佳工作点（最佳 工作点应为b所示的传输特性中间点，此处的磁通-电压传输率iV/ 5Φ最大）。图中a所 示的传输特性，如果要实现最佳工作点的锁定，只能通过后续的直流偏移抵消电路重新调 整工作零点。或者通过多次重新锁定的操作，使得第二级SQUID磁通锁定环锁定在预设的 工作点b。因此，该SQUID磁传感器虽然通过将第二级SQUID的磁通-电压转换特性线性 化，可避免双SQUID级联模块磁通-电压传输特性出现周期内工作零点多值问题，但由于第 二级SQUID磁通-锁定环路的线性传输特性的直流输出随第二级SQUID工作点的不同而变 化，因此也无法确保整个双级SQUID磁通-电压转换模块的工作点始终是最佳的。
[0007] 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】
[0008] 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，用 于解决现有技术中SQUID磁传感器的工作点不稳定、锁定操作困难等问题。
[0009] 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：
[0010] SQUID磁通放大电路，包括第一级超导量子干涉器及与所述第一级超导量子干涉 器相连的放大转换模块，用于将被测磁通信号放大为响应磁通信号；
[0011] SQUID磁通检测电路，包括与所述SQUID磁通放大电路耦合相连的第二级超导量 子干涉器及与所述第二级超导量子干涉器相连的第二SQUID磁通锁定环路，用于将所述响 应磁通信号进行线性的磁通-电压转换，并输出检测电压信号；
[0012] 第一 SQUID磁通锁定环路，与所述SQUID磁通检测电路相连，根据所述检测电压信 号输出与所述被测磁通信