[發明專利]大量程SQUID磁傳感器的工作點跳變控制方法及系統

有效

• 申請號: 201410352806.7
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN105278396B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 王永良;榮亮亮;徐小峰;孔祥燕;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042;G01R35/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙)31219
• 代理人: 徐秋平

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，涉及一種SQUID磁傳感器的控制方法，特別是涉及一種大量程SQUID磁傳感器的工作點跳變控制方法及系統。

背景技術

采用超導量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，以下簡稱SQUID)的傳感器是目前已知的最靈敏的磁傳感器。廣泛應用于心磁、腦磁、極低場核磁共振等極微弱磁信號探測和科學研究中。由于其采用微電子工藝，在多通道、高分辨率、集成化高端應用系統中具有不可替代的作用。

SQUID是由兩個超導約瑟夫森結并聯構成的超導環，將結的兩端引出形成一個具有兩個端子的無源器件。當給SQUID注入一定的偏置電流后，SQUID兩端電壓將隨著其感應的磁通呈周期性變化，周期正好為一個磁通量子Φ₀(Φ₀＝2.07×10^-15韋伯)，如圖1所示。SQUID磁傳感器是基于如圖2所示的磁通鎖定環路(Flux-Locked Loop，簡稱FLL)來實現磁場電壓的線性轉換的。FLL選用SQUID磁通電壓傳輸特性曲線中磁通電壓轉換斜率最大的點作為工作點，即如圖1中標記為w0、w1、w2的點為工作點。上述工作點w0、w1、w2對應的感應磁通正好相差一個磁通量子。上述FLL在不同工作點下工作的輸入磁通與輸出電壓的傳輸特性曲線如圖3所示，每一個工作點下對應一條傳輸特性曲線，相鄰傳輸特性曲線之間正好相差一個磁通量子的磁通和對應的電壓。

FLL在工作時，始終保持負反饋的平衡，即將SQUID的狀態鎖定在工作點上，當FLL輸出電壓超出量程時，工作點不再保持，將發生失鎖現象。失鎖后通過電路復位實現重新鎖定，重新鎖定后選擇的工作點不能保證是失鎖前的工作點，而會鎖定在與原先工作點相差整數個磁通量子Φ₀的其他工作點上，且相差的數量是不可知的。由于FLL的輸出電壓限制(通常為±10V)，在某個固定工作點下的FLL的可測量的磁通范圍是有限的(如圖3陰影部分)。而SQUID實際能感應的磁通遠大于該可測量磁通范圍。

為了擴大SQUID磁傳感器的性能，本領域技術人員提出了一種采用工作點切換，配合磁通量子計數的方式實現擴大SQUID磁傳感器的測量量程的方法。即，當在某個工作點下，測量磁通正好達到N個Φ₀，N為±1，±2…的整數時，將FLL輸出置零，并重新開始鎖定，此時的FLL將切換到與之前相差NΦ₀的工作點上從零開始鎖定輸出。通過上述切換，記錄工作點跳躍的對應Φ₀的變化量及在FLL正常鎖定的輸出，即可得知當前被測磁通的大小。通過上述方法，將SQUID磁傳感器的磁通測量范圍擴大到了SQUID所能感應的磁通范圍，因此測量能力大大提升。實現了大量程的SQUID磁傳感器。

采用上述工作點切換方法實現的大量程SQUID磁傳感器在實際應用中存在以下幾個問題：

1)采用復位歸零后再重新鎖定的切換過程中，在歸零和重新鎖時刻，存在過沖和振蕩現象，如圖4和5所示，且切換時間較長。

2)存在誤計數現象，即切換脈沖已經發出，形成計數信號，但FLL并沒有切換到對應的工作點上，造成誤計數。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種大量程SQUID磁傳感器的工作點跳變控制方法及系統，用于解決現有大量程SQUID磁傳感器在工作點跳變過程中存在過沖和振蕩現象，以及跳變計數不準的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種大量程SQUID磁傳感器的工作點跳變控制方法，所述大量程SQUID磁傳感器的工作點跳變控制方法包括：當大量程SQUID磁傳感器的FLL的輸出電壓幅度達到上限電壓幅度時，輸出一控制信號至所述FLL的復位控制端，使所述FLL開始復位；所述上限電壓幅度為所述FLL的反饋磁通達到Φ₀的整數倍時對應的FLL的輸出電壓的幅度；當所述大量程SQUID磁傳感器的FLL的輸出電壓達幅度到下限電壓幅度時，解除所述控制信號，使所述FLL自然進入鎖定狀態；所述下限電壓幅度為所述FLL的反饋磁通的絕對值小于或等于0.5Φ₀時對應的FLL的輸出電壓的幅度。