本發(fā)明涉及磁傳感器技術領域，特別是涉及一種雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置、方法及其應用。

背景技術：

基于超導量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device，SQUID)的磁傳感器是目前已知的最靈敏的磁探測器。廣泛應用于生物磁場、地球磁場異常、極低場核磁共振等微弱磁場探測應用領域，其探測靈敏度已經(jīng)達到飛特(10^-15特斯拉)量級。SQUID磁傳感器是極限探測、科學研究中重要的磁傳感器設備，具有很高的科研和應用價值。

SQUID器件是SQUID磁傳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)，該器件是由兩個超導約瑟夫森結并聯(lián)構成的一個超導環(huán)，在約瑟夫森結的兩端引出端子，加載一定的偏置電流，SQUID兩端的電壓將具有隨其感應磁場發(fā)生變化的特性，即SQUID感應外界磁通，輸出響應的電壓，輸入磁通和電壓構成對應的傳輸特性，典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線如圖1所示，該磁通-電壓傳輸特性類似于正弦波，是周期非線性的，周期為一個磁通量子Φ₀(2.07×10^-15韋伯)。

SQUID磁傳感器就是依賴上述SQUID磁通-電壓傳輸特性應用磁通-電壓鎖定環(huán)路(Flux-Locked Loop，F(xiàn)LL)原理來實現(xiàn)磁通檢測并線性轉換成電壓信號，構成基于SQUID的高靈敏度低噪聲磁傳感器?；诖磐?鎖定環(huán)路的SQUID磁傳感器的典型結構如圖2所示，其工作原理是：選擇SQUID磁通-電壓傳輸特性其中一個工作點，在工作點處，SQUID輸出電壓為零，積分器沒有積分，所有輸出穩(wěn)定，達到負反饋的穩(wěn)定狀態(tài)。當外部被測磁通發(fā)生變化，SQUID感應到偏離工作點的磁通ΔΦ，將根據(jù)磁通-電壓傳輸特性曲線輸出電壓ΔV，該電壓經(jīng)低噪聲前置放大器進行信號放大，并送入積分器，積分器根據(jù)輸入電壓大小積分調制輸電電壓V_FLL，該電壓V_FLL驅動反饋電阻產生反饋電流I_f，反饋電流通過反饋電感L_f與磁敏感元件SQUID的互感M_f產生抵消磁通，抵消外部輸入的磁通，直到完全抵消，使得輸入積分器的電壓V_FLL歸零，整個負反饋環(huán)路恢復平衡，SQUID狀態(tài)回到工作點。從磁通-電壓鎖定環(huán)路的負反饋工作過程可知，輸入的被測磁通大小與抵消磁通始終相同，因此被測磁通Φ大小產生抵消磁通的積分器輸出電壓V_FLL成比例關系，只要檢測積分器輸出電壓V_FLL，即 可獲知外部被測磁通Φ的大小，SQUID磁傳感器就是利用該原理實現(xiàn)磁通-電壓的線性轉換。

SQUID工作在低溫環(huán)境下(低溫SQUID采用低溫超導材料制成，通常工作在4.2K的液氦環(huán)境下，高溫SQUID采用高溫超導材料制成，通常工作在77K的液氦環(huán)境下)，因此熱噪聲很低。而與之匹配的前置放大器工作在常溫環(huán)境下(300K左右)，因此熱噪聲比較高。低噪聲放大器的電壓噪聲V_n通常為1nV/√Hz，在與SQUID噪聲進行比較時，將其轉換成等效磁通噪聲，放大器的等效磁通噪聲為：為SQUID的磁通電壓傳輸率，典型的磁通-電壓傳輸率為100μV/Φ₀，因此低噪聲放大器典型的磁通噪聲為10μΦ₀/√Hz，而典型SQUID的本征磁通噪聲為1μΦ₀/√Hz，低噪聲放大器磁通噪聲比SQUID本征磁通噪聲大10倍左右，因此出現(xiàn)了SQUID器件與低噪聲放大器噪聲不匹配問題。由于噪聲不匹配，即前置放大器的噪聲遠高于SQUID磁敏感元件的噪聲，當SQUID器件由常溫放大電路直接讀取時，其構建磁的傳感器的噪聲水平主要由前置放大器主導，不能體現(xiàn)出SQUID低噪聲特性，因此SQUID低噪聲的性能得不到發(fā)揮。

為了使SQUID與前置放大器匹配，要么降低前置放大器的噪聲，要么提升SQUID的磁通電壓傳輸率，由于前置放大器工作在常溫下，由有源半導體器件構成，本征熱噪聲難以降低，因此提升SQUID磁通電壓傳輸率是比較可行的方案。為了降低SQUID前置放大器的磁通噪聲，就要提高SQUID的磁通-電壓傳輸率至少10倍，也就是要在接入前置放大器之前將SQUID信號進行10倍左右的低噪聲放大，以提高SQUID的信號強度與前置放大器匹配，以免SQUID信號被前置放大器的電壓噪聲淹沒。

目前為了提升SQUID磁通-電壓傳輸率通常采用兩種方法：

方法一：兩個普通SQUID的級聯(lián)，如圖3所示，通過SQUID1檢測被測磁場信號，輸出電壓驅動電阻和電感回路，將檢測到電壓信號轉換成電流信號，再通過電感轉換成磁通耦合到SQUID2中，SQUID2再將磁通轉換成電壓，輸入前置放大器中進行放大。兩級放大器如果都工作在各自最佳的工作點上，那么實現(xiàn)的磁通-電壓傳輸率就可以得到很大的提高，因此是一個有效提升SQUID傳感器性能的解決方案。但是，兩個普通SQUID的級聯(lián)實現(xiàn)高磁通-電壓傳輸率的方案存在工作點多值問題：如圖4所示，兩個普通SQUID的磁通-電壓傳輸特性是周期性非線性的，當兩個SQUID級聯(lián)后，形成的磁通-電壓傳輸特性如圖5所示，出現(xiàn)了在一個磁通周期內具有多個可鎖定的工作點，即工作點多值情況，其中只有具有最大磁通-電壓傳輸率的工作點P為最佳工作點。普通單個SQUID構成的SQUID磁傳感器一個周期內只有一個可鎖定的工作點，因此傳感器工作后必然鎖定在所設定的工作點上，傳感器的操作 簡單，性能穩(wěn)定。而采用雙級SQUID構建的SQUID磁傳感器，由于存在多個工作點，且不同工作點處磁通-電壓傳輸率不同，因此SQUID傳感器鎖定后，其性能將因鎖定的工作點不同而不一致，由于SQUID磁傳感器的常規(guī)操作不能控制工作點選擇到最佳工作點上，因此難以確保雙級SQUID磁傳感器的性能。

方法二：第二級SQUID采用基于SQUID磁通鎖定環(huán)路實現(xiàn)的線性磁通-電壓轉換電路，如圖6所示，通過SQUID1檢測被測磁場信號，輸出電壓驅動電阻和電感回路，將檢測到電壓信號轉換成電流信號，再通過電感轉換成磁通耦合到SQUID2中，SQUID2再將感應到的磁通轉換為電壓信號，以此將被測磁場信號通過電壓方式表示。由于第二級SQUID構成了磁通鎖定環(huán)路，其傳輸特性是線性的，因此合成的磁通-電壓傳輸特性可以避免工作點多值問題。但是，由基于SQUID磁通鎖定環(huán)路實現(xiàn)的線性磁通-電壓轉換電路的第二級SQUID和基于普通SQUID的第一級SQUID級聯(lián)實現(xiàn)高磁通-電壓傳輸率的方案存在傳輸特性多值問題：如圖7所示，第一級SQUID的磁通-電壓傳輸特性是周期性非線性的，而第二級SQUID的磁通-電壓傳輸特性是周期性線性的，當兩個SQUID級聯(lián)后，形成的磁通-電壓傳輸特性如圖8所示，磁通-電壓傳輸特性會因SQUID工作點不同而不同，主要區(qū)別是直流偏移不同。因此第二SQUID鎖定在不同工作點上，其傳輸特性不同，造成雙級SQUID磁通-電壓轉換模塊的傳輸特性發(fā)生變化。因此所謂的傳輸特性多值，就是指對應相同的磁通輸入，第二SQUID磁探測器輸出會因其工作點不同而不同。由于傳輸特性不確定，因此級聯(lián)后的傳輸特性中的工作點也會不確定。具有多值傳輸特性的第二SQUID磁通-電壓轉換模塊應用到雙級SQUID中形成整體的磁通-電壓傳輸特性曲線，將隨著第二SQUID傳輸特性的變化而變化。SQUID傳感器在運行過程中，會受到外界干擾經(jīng)常出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，當重新恢復鎖定后，會因第二級SQUID工作點的變動，使級聯(lián)后模塊的工作零點發(fā)生變動，因而整個SQUID磁傳感器的工作點發(fā)生變動，因而也無法確保傳感器工作在最佳工作點上。同時第二級SQUID也采用磁通鎖定環(huán)路，與整個磁通鎖定環(huán)路構成雙環(huán)路結構，操作復雜，鎖定困難，難以實用化。

工作點多值和傳輸特性多值使得兩級SQUID級聯(lián)形成的SQUID傳感器無法確保工作在最佳工作點上，因此性能不能穩(wěn)定發(fā)揮，嚴重影響了雙級SQUID磁傳感器的應用。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置、方法及其應用，用于解決現(xiàn)有技術中雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換中工作點多值、性能不穩(wěn)定、實用性差等問題。使得雙級SQUID磁傳感器至今無法實用化，當前 的SQUID磁傳感器始終無法將SQUID的低噪聲性能發(fā)揮出來，本發(fā)明將完全解決這個問題。實現(xiàn)高性能、可操作、實用化的雙級SQUID磁傳感器，具有重要的價值。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置，所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置至少包括：

具有正反饋和限幅特性的SQUID磁通放大模塊，用于檢測被測磁通信號，并將所述被測磁通信號限幅放大后輸出所述被測磁通信號的響應磁通信號；

具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊，與所述SQUID磁通放大模塊耦合相連，用于將所述響應磁通信號以唯一確定的傳輸特性轉換為響應電壓信號。

優(yōu)選地，還包括連接于所述SQUID磁通探測模塊輸出端的工作點對齊檢測模塊，用于根據(jù)所述SQUID磁通探測模塊輸出的響應電壓信號判斷所述SQUID磁通探測模塊的工作點是否對齊。

優(yōu)選地，所述SQUID磁通放大模塊包括：

串聯(lián)構成回路的第一級超導量子干涉器，轉換電阻，轉換線圈及正反饋線圈；

其中，所述第一級超導量子干涉器檢測被測磁通信號，并輸出相應的電壓；

所述轉換電阻將第一級超導量子干涉器輸出的電壓轉換為電流；

所述轉換線圈將回路中的電流轉換為所述響應磁通信號；

所述正反饋線圈與所述第一級超導量子干涉器耦合相連，將回路中的電流轉換成反饋磁通并耦合到所述第一級超導量子干涉器，形成電流正反饋，提升工作點處的磁通-電流傳輸率。

優(yōu)選地，所述SQUID磁通探測模塊采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路來實現(xiàn)具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法，所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法至少包括：

基于具有正反饋和限幅特性的SQUID磁通放大模塊通過電流正反饋和限幅放大將被測磁通信號放大為響應磁通信號，并對所述響應磁通信號的幅度進行限定，所述SQUID磁通放大模塊包括用于檢測所述被測磁通信號的第一級超導量子干涉器；

基于具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊將與所述響應磁通信號耦合的第二級超導量子干涉器的周期非線性磁通-電壓轉換特性改造為周期單調的傳輸特性，根據(jù)輸入磁通的范圍可跳躍到對應的單調傳輸特性曲線上，以得到唯一確定的傳輸特性，所述響應磁通信號在所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間內以唯一確定的傳輸特性轉換成響應電壓信號；

所述響應磁通信號的幅度滿足如下關系：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}\<2{\mathrm{\Φ}}_0,$

所述響應磁通信號的幅度與所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下關系：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}\<{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}\<{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\Φ}}_0,$

其中為所述響應磁通信號的幅度，為所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間，Φ₀為一個磁通量子。

優(yōu)選地，還包括工作點對齊檢測：對所述響應電壓信號進行檢測，若所述響應電壓信號跳變且峰谷相對于零點的電壓差不等，則所述SQUID磁通探測模塊的工作點未對齊，需對所述SQUID磁通探測模塊的工作點進行調整；反之，所述SQUID磁通探測模塊的工作點對齊。

優(yōu)選地，對所述響應磁通信號進行放大和限幅的方法進一步包括：基于第一級超導量子干涉器檢測被測磁通信號，產生響應電流，基于一正反饋線圈將所述響應電流轉換為反饋磁通信號后耦合至所述第一級超導量子干涉器，進而提升工作點處磁通-電壓傳輸率，放大工作點處所述響應電流，再基于一轉換線圈將所述響應電流轉換為幅度受限的所述響應磁通信號。

更優(yōu)選地，通過調節(jié)所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感來設定所述響應磁通信號的幅度，其中：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{pp}}\·M_{12},$

I_pp為所述響應電流的最大幅度，M₁₂為所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感。

更優(yōu)選地，通過調節(jié)所述正反饋線圈與所述第一級超導量子干涉器的互感，以及所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感來設定所述響應磁通信號的磁通放大倍數(shù)，其中：

$G_{\mathrm{\Φ}}=\frac{1}{1-M_S\·\frac{\∂I}{\∂\mathrm{\Φ}}}\·\frac{\∂I}{\∂\mathrm{\Φ}}\·M_{12},$

M_S為所述正反饋線圈與所述第一級超導量子干涉器的互感，M₁₂為所述轉換線圈與所第二級超導量子干涉器的互感，為第一級超導量子干涉器的磁通-電壓傳輸特性工作點處的磁通-電流傳輸率，即斜率。

優(yōu)選地，采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路實現(xiàn)所述具有傳輸特性 回滯的自復位SQUID磁探測器，所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間通過調節(jié)欠反饋系數(shù)設定。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種SQUID磁傳感器，所述SQUID磁傳感器至少包括：上述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置，積分器，反饋電阻及反饋電感；所述反饋電阻與所述積分器和所述反饋電感分別相連；所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的輸入端與所述反饋電感耦合相連，所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的輸出端與所述積分器相連。

如上所述，本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置、方法及其應用，具有以下有益效果：

本發(fā)明實現(xiàn)了SQUID磁傳感器與前置放大器的噪聲匹配，使SQUID低噪聲性能得以充分發(fā)揮；同時，在實現(xiàn)噪聲匹配的基礎上本發(fā)明以唯一確定的傳輸特性進行磁通-電壓轉換，解決了現(xiàn)有技術中工作點不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明改變了目前SQUID傳感器的技術現(xiàn)狀，突破了技術瓶頸，實現(xiàn)高性能、可操作、實用化的雙級SQUID磁傳感器，具有重要的價值。

附圖說明

圖1顯示為現(xiàn)有技術中的典型的SQUID磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖2顯示為現(xiàn)有技術中的基于磁通-鎖定環(huán)路的SQUID磁傳感器結構示意圖。

圖3～圖5顯示為現(xiàn)有技術中的兩個普通SQUID級聯(lián)構成的磁通-電壓轉換電路結構、原理及傳輸特性曲線示意圖。

圖6～圖8顯示為現(xiàn)有技術中的一個普通SQUID與SQUID磁通鎖定環(huán)路級聯(lián)構成的磁通-電壓轉換電路結構、原理及傳輸特性曲線示意圖。

圖9顯示為本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置示意圖。

圖10顯示為本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的一種實現(xiàn)結構示意圖。

圖11顯示為經(jīng)電流正反饋后的第一級超導量子干涉器的磁通-電流傳輸特性曲線示意圖。

圖12顯示為經(jīng)電流正反饋后的SQUID磁通放大模塊的磁通-磁通傳輸特性曲線示意圖。

圖13顯示為本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的信號轉換過程示意圖。

圖14顯示為本發(fā)明的第二級超導量子干涉器的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖15顯示為本發(fā)明的電壓欠反饋SQUID電路的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖16顯示為本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的另一種實現(xiàn)結構示意圖。

圖17顯示為本發(fā)明的第二級超導量子干涉器的磁通-電流傳輸特性曲線示意圖。

圖18顯示為本發(fā)明的電流欠反饋SQUID電路的磁通-電壓傳輸特性曲線示意圖。

圖19顯示為欠反饋電路實現(xiàn)的自復位回滯傳輸特性曲線示意圖。

圖20顯示為本發(fā)明的SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間范圍最小時磁通信號的響應示意圖。

圖21顯示為本發(fā)明的SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間范圍最大時磁通信號的響應示意圖。

圖22顯示為本發(fā)明的工作點未對齊時的信號轉換過程示意圖。

圖23顯示為本發(fā)明的SQUID磁傳感器結構示意圖。

圖24顯示為本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法流程示意圖。

元件標號說明

1 雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置

11 SQUID磁通放大模塊

12 SQUID磁通探測模塊

121 電壓欠反饋SQUID電路

122 電流欠反饋SQUID電路

13 工作點對齊檢測模塊

2 積分器

3 反饋電阻

4 反饋電感

S1～S3 步驟

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖9～圖24。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

如圖9所示，本發(fā)明提供一種雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置，所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置1至少包括：

SQUID磁通放大模塊11、SQUID磁通探測模塊12以及工作點對齊檢測模塊13。

所述SQUID磁通放大模塊11具有正反饋和限幅特性，用于檢測被測磁通信號Φ，并將所述被測磁通信號Φ限幅放大，輸出所述被測磁通信號Φ的響應磁通信號Φ₁₂。

具體地，如圖10及圖16所示，所述SQUID磁通放大模塊11包括第一級超導量子干涉器SQD1、轉換電阻R_s、轉換線圈L₁以及正反饋線圈L_s。

所述第一級超導量子干涉器SQD1、所述轉換電阻R_s、所述轉換線圈L₁以及所述正反饋線圈L_s串聯(lián)形成回路，但在回路中的具體位置不限。在本實施例中，所述第一級超導量子干涉器SQD1檢測所述被測磁通信號Φ，將所述被測磁通信號Φ轉換為相應的電壓信號；所述轉換電阻R_s連接于所述第一級超導量子干涉器SQD1，用于將所述第一級超導量子干涉器SQD1輸出的電壓轉換為響應電流I_s；所述轉換線圈L₁一端連接于所述轉換電阻R_s、另一端接地，用于將所述響應電流I_s轉換為所述響應磁通信號Φ₁₂并耦合到第二級超導量子干涉器SQD2；所述正反饋線圈L_s一端連接所述第一級超導量子干涉器SQD1、另一端接地，將所述響應電流I_s轉換成反饋磁通并耦合到所述第一級超導量子干涉器SQD1，提升工作點處磁通-電壓傳輸率，放大工作點處所述響應電流I_s，進而放大所述響應磁通信號Φ₁₂。回路中加載恒定的第一偏置電流I_b1，當外部輸入所述被測磁通信號Φ時，由于所述第一偏置電流I_b1不變，所述響應電流I_s將隨所述被測磁通Φ發(fā)生變化。

電流正反饋使得所述第一級超導量子干涉器SQD1的磁通-電流傳輸特性變得不對稱，如圖11所示，工作點處(傳輸特性的中部位置)的磁通-電流傳輸率變大為因此工作點處磁通-電流轉化能力變強了；但同時，磁通-電流傳輸特性的響應電流最大幅度I_pp不會發(fā)生變化，和所述第一級超導量子干涉器SQD1的電流最大幅度一致。由于所述SQUID磁通放大模塊11輸出的響應磁通信號的幅度是受所述第一級超導量子干涉器SQD1的磁通-電流傳輸特性限制，最大響應電流幅度I_pp是有限的，因此通過所述轉換線圈耦合到所述第二級超導量子干涉器的互感M₁₂是有限的，通過調節(jié)所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感M₁₂就可以限定所述SQUID磁通放大模塊11輸出的響應磁通的最大幅度。

通過所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感以及所述正反饋線圈L_s與所述第一級超導量子干涉器SQD1的互感，對所述響應磁通信號Φ₁₂的幅度及放大倍數(shù)進行設定，具體方法如下：

對所述轉換電阻R_s進行選擇時，其熱噪聲要小于SQUID的本征噪聲，所述轉換電阻R_s應小于10Ω，這樣不會因引入所述轉換電阻R_s而使電路的噪聲水平變差；同時考慮其對所述第一偏置電流I_b1的分流作用，所述轉換電阻R_s的電阻值也不能過小，通常大于0.1Ω；因此，所述轉換電阻R_s的阻值選擇為0.1Ω<R_s<10Ω。

由于所述第一級超導量子干涉器SQD1周期非線性變換作用，所述被測磁通信號Φ經(jīng)所述SQUID磁通放大模塊11再輸出時，其幅度是受所述第一級超導量子干涉器SQD1輸出的響應電流幅度I_pp限制的，即所述響應磁通信號的幅度為了實現(xiàn)所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的輸出信號的工作點單值和穩(wěn)定性，需要對所述響應磁通信號的幅度進行限定，在本實施例中，所述響應磁通信號的幅度限制于2個磁通量子，即I_PP·M₁₂<2Φ₀。另一方面，所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M₁₂的選擇要符合磁通放大功能，其放大倍數(shù)需大于1，即其中，因此，綜合以上兩點，通過選擇合適的所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M₁₂使所述響應磁通信號的幅度滿足如下條件：

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

經(jīng)電流正反饋后的所述第一級超導量子干涉器SQD1的磁通-電流傳輸曲線就變?yōu)橹芷趦确菍ΨQ，如圖11所示。經(jīng)過電流正反饋后的所述SQUID磁通放大模塊11的磁通-磁通傳輸特性如圖12所示，在工作點處的磁通放大倍數(shù)：

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

其中，由于所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M₁₂的選擇是受限的，它能實現(xiàn)的磁通-電壓傳輸率是有限的，最大的放大倍數(shù) 也在4倍左右(當取同極性情況，I_pp·M₁₂≈2Φ₀，那么工作點處輸入磁通到輸出磁通的放大倍數(shù))。為了使SQUID與常溫下工作的半導體低噪聲放大器匹配，需要提高本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的磁通-電壓傳輸率，也就是要在接入前置放大器之前將本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的輸出信號進行低噪聲放大。在本實施例中，以提高10倍為例，可根據(jù)實際應用對放大倍數(shù)進行設定，不以本實施例為限。為了實現(xiàn)10倍以上的磁通-電壓傳輸率，就要求將所述SQUID磁通放大模塊11工作點處磁通電壓傳輸率通過所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M₁₂提高3倍以上，其余的增益則要通過引入電流正反饋電路來實現(xiàn)，即通過對所述反饋線圈L_s與所述第一級超導量子干涉器SQD1的互感M_S的選擇提高磁通-電壓的傳輸率。經(jīng)電流正反饋后，在工作點處的磁通-電壓傳輸率隨著所述反饋線圈L_s與所述第一級超導量子干涉器SQD1的互感M_S的作用而變化，即只要，就可以使得工作點處的磁通電壓傳輸率得到提升。同時，該電流正反饋原理不會改變所述第一級超導量子干涉器SQD1的磁通-電流轉換幅度，即I_pp的值不變。在本實施例中，設定所述反饋線圈L_s與所述第一級超導量子干涉器SQD1的互感M_S值，1)使得則2)滿足I_PP·M₁₂<2Φ₀，使得I_PP·M₁₂≈1.5Φ₀，則那么所述響應磁通信號Φ₁₂的磁通放大倍數(shù)因此通過電流正反饋增強工作點處的磁通-電流傳輸率，并選擇合適的耦合系數(shù)M₁₂，使其承擔3倍以上的磁通放大作用，同時使所述響應磁通Φ₁₂的幅度(即峰峰值)限定在2Φ₀以內。兩種放大效果綜合，可實現(xiàn)10倍以上的磁通放大能力，由于沒有引入額外的噪聲源，所述SQUID磁通放大模塊11仍保持低噪聲特性。

所述SQUID磁通探測模塊12具有自復位特性，自復位特性本質是：將傳統(tǒng)SQUID周期非線性的磁通-電壓轉換特性(類正弦形狀)改造成，周期單調(即斜率始終為正或始終為負)的磁通-電壓傳輸特性，每根傳輸特性是單調的，同時磁通檢測范圍是有限的，代表該單調傳輸特性覆蓋的磁通輸入范圍。如果輸入超過該范圍，將跳躍到相鄰的傳輸特性上，因此具有了自復位的功能，即根據(jù)輸入范圍，自動跳躍到對應的傳輸特性曲線上，避免了傳輸特 性不確定的問題。所述SQUID磁通探測模塊12與所述SQUID磁通放大模塊耦合相連，用于將所述響應磁通信號Φ₁₂以唯一確定的傳輸特性轉換為響應電壓信號。如圖13所示，所述SQUID磁通探測模塊12將所述響應磁通信號Φ₁₂在單調特性區(qū)間內轉換為穩(wěn)定的周期性響應電壓信號V_out。

具體地，所述SQUID磁通探測模塊12可由任意具有自復位、單調傳輸特性的轉換模塊實現(xiàn)，不以本實施例為限，在本實施例中，所述SQUID磁通探測模塊12可以采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路來實現(xiàn)具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊。

如圖10所示，采用電壓欠反饋SQUID電路121實現(xiàn)的具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊，包括第二級超導量子干涉器SQD2，連接于所述第二級超導量子干涉器SQD2輸出端的前置放大器U1，連接于所述前置放大器U1輸出端的反饋電阻R_f，連接于所述反饋電阻R_f的反饋線圈L_f，所述反饋電阻R_f與所述反饋線圈L_f之間還連接有工作點調節(jié)電路，所述工作點調節(jié)電路包括串聯(lián)的可調電阻R_dc和可調電壓V_dc。在本實施例中，所述前置放大器U1為低噪聲固定增益的放大器，放大倍數(shù)為G₀。給所述第二級超導量子干涉器SQD2加載第二偏置電流I_b2，使得所述第二級超導量子干涉器SQD2具有了磁通-電壓傳輸特性，所述第二級超導量子干涉器SQD2輸出的電壓經(jīng)所述前置放大器U1以放大倍數(shù)為G₀放大，放大后的電壓輸出驅動所述反饋電阻R_f和所述反饋線圈L_f，產生反饋電流I_f，所述反饋電流I_f通過所述反饋線圈L_f產生反饋磁通耦合到所述第二級超導量子干涉器SQD2中，形成抵消磁通有限的欠反饋回路。

電壓欠反饋回路實現(xiàn)所述自復位SQUID磁通探測模塊的工作原理是：所述前置放大器U1將所述第二級超導量子干涉器SQD2輸出的電壓放大后驅動反饋磁通回路(包括反饋電阻R_f和反饋電感L_f)，產生反饋磁通抵消輸入磁通，由于所述前置放大器U1是有限增益的，因此產生的抵消磁通只能抵消部分輸入磁通，當外部輸入磁通達到一個磁通量子時，這種欠補償反饋達到臨界狀態(tài)而失衡，平衡點躍變到下一個工作點，重新建立欠反饋平衡。

如圖14所示為所述第二級超導量子干涉器SQD2的周期非線性傳輸特性，經(jīng)過欠反饋作用后，所述電壓欠反饋SQUID電路121傳輸特性的單調區(qū)間被擴展，如圖15所示，所述第二級超導量子干涉器SQD2傳輸特性中單調遞增段Φ_pp被對應擴展到單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間傳輸特性被局部線性化，在本實施例中，所述單調傳輸特性對應的磁通輸 入?yún)^(qū)間為2Φ₀，在應用中可視具體情況做不同的設定，不以本實施例為限。通過設定所述電壓欠反饋SQUID電路121的參數(shù)：包括所述前置放大器增益G₀，所述反饋電阻R_f及所述反饋線圈L_f與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M_f，當滿足以下條件時，可實現(xiàn)如圖15所示的回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性曲線：

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

其中，V_PP為所述第二級超導量子干涉器SQD2磁通-電壓傳輸特性中能響應電壓的最大值，即峰-峰值。Φ_pp為所述第二級超導量子干涉器SQD2磁通電壓傳輸特性曲線中電壓從最小峰值到最大峰值所對應輸入的磁通量。為所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間。為欠反饋系數(shù)，代表欠反饋的反饋深度。反饋深度越大，則實現(xiàn)單調特性的所述輸入磁通區(qū)間越大，因此電壓欠反饋回路可通過設定電路的參數(shù)(包括前置放大器增益G₀，反饋電阻R_f及所述反饋線圈L_f與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M_f)選擇合適的欠反饋深度來設置所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍。

如圖16所示，采用電流欠反饋SQUID電路122實現(xiàn)的具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊，包括第二級超導量子干涉器SQD2，所述第二級超導量子干涉器SQD2的一端連接反饋線圈L_f、另一端連接于前置放大器U1的反向輸入端。所述第二級超導量子干涉器SQD2與所述反饋線圈L_f之間還連接有工作點調節(jié)電路，所述工作點調節(jié)電路包括串聯(lián)的可調電阻R_dc和可調電壓V_dc。所述前置放大器U1的正向輸入端連接可調偏置電壓V_b，所述前置放大器U1的輸出端與反向輸入端之間連接反饋電阻R_f。在本實施例中，所述前置放大器U1為低噪聲固定增益的放大器，放大倍數(shù)為G₀。所述第二級超導量子干涉器SQD2與反饋電感L_f的耦合互感為M_f，當所述第二級超導量子干涉器SQD2流過電流時，該電流也流過電感L_f產生反饋磁通，通過互感耦合到所述第二級超導量子干涉器SQD2中，形成電流欠反饋。所述前置放大器U1將流經(jīng)所述第二級超導量子干涉器SQD2的電流I_s放大成電壓信號，即放大器輸出電壓V₀＝I_s·R_f。前置放大器U1的正端接可調直流電源V_b，調節(jié)產生偏置電壓。所 述前置放大器U1工作時，其正輸入端的電壓與負輸入端的電壓相等，因此SQD2工作在恒壓偏置下，偏置電壓大小由V_b調節(jié)。

如圖17所示為所述第二級超導量子干涉器SQD2的周期非線性磁通-電流傳輸特性，經(jīng)過欠反饋作用后，所述電流欠反饋SQUID電路122傳輸特性的單調區(qū)間被擴展，如圖18所示，所述第二級超導量子干涉器SQD2傳輸特性中單調遞增段Φ_pp被對應擴展到單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間傳輸特性被局部線性化，在本實施例中，所述單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間為2Φ₀，在應用中可視具體情況做不同的設定，不以本實施例為限。通過設定所述電流欠反饋SQUID電路的參數(shù)：包括所述前置放大器增益G₀，所述反饋電阻R_f及所述反饋線圈L_f與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M_f，當達到臨界條件時，就可構成如圖18所示的回滯自復位的磁通-電壓傳輸特性：

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

其中，V_PP為所述第二級超導量子干涉器SQD2磁通-電壓傳輸特性中能響應電壓的最大值，即峰-峰值。Φ_pp為所述第二級超導量子干涉器SQD2磁通電壓傳輸特性曲線中電壓從最小峰值到最大峰值所對應輸入的磁通量。為所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間。k為欠反饋系數(shù)，代表欠反饋的反饋深度。由于G₀對應的是R_f將電流信號放大成電壓信號，因此反饋系數(shù)：電流欠反饋實現(xiàn)單調線性傳輸特性的條件是：${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}+V_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_f={\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}.$

如圖19所示，經(jīng)欠反饋改造后的磁通-電壓傳輸特性是周期分布的，單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間是在本實施例中，所述單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間為2Φ₀，在應用中可視具體情況做不同的設定，不以本實施例為限。當輸入磁通減小，小于當前傳輸特性對應的磁通區(qū)間，該欠反饋電路的傳輸特性則躍遷到左側工作點對應的傳輸特性曲線上，在左側工作點上實現(xiàn)穩(wěn)定的欠反饋輸出；同理，當輸入磁通增大，超過當前傳輸特性對應的磁通區(qū)間時，傳輸特性躍遷到右側工作點對應的傳輸特性曲線上，在右側工作點上實現(xiàn)穩(wěn)定的欠反饋輸出。因此，只要使所述響應磁通信號的幅度不超過所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間就可以唯一穩(wěn)定的以當前工作點對應的單調傳輸特性 進行磁通-電壓轉換。

根據(jù)所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應磁通的幅度確定所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍。

1)所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍最小的情況，也即欠反饋系數(shù)最小的情況，如圖20所示，所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間至少要大于所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應磁通的幅度。因此，該情況要求所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下要求：${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}>{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}.$

2)所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間的范圍最大的情況，也即欠反饋系數(shù)最大的情況，如圖21所示，如果繼續(xù)增強欠反饋系數(shù)，所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間繼續(xù)擴大，相鄰工作點的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間重疊，當相鄰工作點傳輸特性也能覆蓋所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應磁通的幅度時，就可能因為擾動進入相鄰工作點，以相鄰工作的傳輸特性工作，這樣就會出現(xiàn)傳輸特性多值問題。為避免傳輸特性多值問題，所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間最大時，不能出現(xiàn)相鄰工作點傳輸特性重疊的情況，即：${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{\mathrm{lin}}\&lt;{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{pp}}^{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0=I_{\mathrm{PP}}\&CenterDot;M_{12}+2{\mathrm{\&Phi;}}_0.$

因此，需通過設置所述欠反饋系數(shù)，使所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下條件：

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

在本實施例中，如果設置因此所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下條件：

當相鄰工作點的傳輸特性曲線不能覆蓋所述SQUID磁通放大模塊11輸出的所述響應磁通的幅度時，欠反饋電路將會在輸入磁通的激勵下從相鄰工作點躍遷到當前工作點，恢復按當前工作點的傳輸特性曲線工作。因此，電流或電壓欠反饋SQUID電路具有工作點自動復位功能，確保以固定工作點下的確定的傳輸特性對所述SQUID磁通放大模塊11輸出磁通進行磁通-電壓轉換，解決了傳輸特性多值問題，按上述條件設置的電流或電壓欠反饋SQUID電 路能確定的唯一工作點對應的傳輸特性對所述SQUID磁通放大模塊11輸出的磁通進行磁通-電壓轉換。

本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置1將SQUID磁通放大模塊11中的電流正反饋、限幅技術和SQUID磁通探測模塊12中的欠反饋技術結合，將被測磁通信號以唯一確定的磁通-電壓傳輸特性轉換為工作點穩(wěn)定的響應電壓信號?；谒鯯QUID磁通放大模塊11及所述SQUID磁通探測模塊12即可完成磁通-電壓傳輸率的提升和工作點的穩(wěn)定。在此基礎上，本發(fā)明還提供所述工作點對齊檢測模塊13，連接于所述SQUID磁通探測模塊12的輸出端，用于檢測所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置1的工作點是否對齊，以便于操作者對所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置中的工作零點進行調整，使所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的性能進一步提升。

當工作點對齊時，所述SQUID磁通探測模塊的輸出與輸入磁通的對應關系如圖13所示，所述SQUID磁通探測模塊12以其單調放大傳輸特性實現(xiàn)了所述SQUID磁通放大模塊11輸出信號的放大，因此使總的傳輸特性同第一級超導量子干涉器的傳輸特性相同，即周期傳輸特性，且周期內只有一個工作零點。

當工作點未對齊時，所述SQUID磁通探測模塊12的輸出與輸入磁通的對應關系如圖22所示，所述響應電壓信號V_out的幅度變大，且峰谷相對于零點的電壓差不同，出現(xiàn)了不對稱情況；此外，所述響應電壓信號V_out出現(xiàn)了電壓跳變，說明所述SQUID磁通探測模塊12跳變到相鄰的另一條傳輸特性曲線上。

工作點調節(jié)在具體電路中通過V_dc和R_dc構成電路來實現(xiàn)，調節(jié)V_dc的大小，即可調節(jié)加入第二級超導量子干涉器的直流磁通量，從而實現(xiàn)工作點對齊：在本實施例中，調節(jié)范圍為1個磁通，按照上述工作點對齊與偏離情況下電壓輸出信號的不同來判斷工作點是否對齊，通過調節(jié)V_dc的電壓，調節(jié)直流磁通偏移量，直到工作點對齊(即所述響應電壓信號V_out不存在電壓跳變且峰谷相對于零點的電壓差相同)。工作點的調節(jié)可由操作人員手動調節(jié)，也可通過控制電路根據(jù)偏移情況進行自動調節(jié)，在此不一一贅述。根據(jù)所述工作點對齊檢測模塊13判斷出工作點是否對齊，便于最佳工作點的調制。

本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置只有唯一能穩(wěn)定工作的傳輸特性與之對應，解決了傳統(tǒng)SQUID線性磁通-電壓轉換電路有可能在不同傳輸特性下工作的問題，實現(xiàn)了高性能、可操作、實用化的雙級SQUID磁傳感器，具有重要的價值。

本發(fā)明還提供一種SQUID磁傳感器，如圖23所示，包括上述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置1，積分器2、反饋電阻3及反饋電感4。所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉 換裝置的輸入端與所述反饋電感耦合相連，所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置的輸出端與所述積分器相連。反饋電阻與所述積分器相連，反饋電感與所述反饋電阻串聯(lián)。所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置1的具體結構及工作原理如上所述，在此不一一贅述。

本發(fā)明還提供一種雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法，該方法可以由本發(fā)明所述的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置實現(xiàn)，但本發(fā)明所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法的實現(xiàn)結構包括但不限于本實施例列舉的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置。

如圖24所示，所述雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法如下：

步驟S1：基于具有正反饋和限幅特性的SQUID磁通放大模塊11通過電流正反饋和限幅放大將被測磁通信號Φ放大為響應磁通信號Φ₁₂，并對所述響應磁通信號Φ₁₂的幅度進行限定，所述SQUID磁通放大模塊11包括用于檢測所述被測磁通信號Φ的第一級超導量子干涉器SQD1。

具體地，基于第一級超導量子干涉器SQD1檢測被測磁通信號Φ，產生響應電流，基于一正反饋線圈L_s將所述響應電流轉換為反饋磁通信號后耦合至所述第一級超導量子干涉器SQD1，通過電流正反饋提高工作點處的磁通-電流傳輸率，進而放大所述響應電流，再基于一轉換線圈L₁將所述響應電流轉換為幅度受限的所述響應磁通信號Φ₁₂。

其中，所述響應磁通信號的幅度通過調節(jié)所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感來設定，I_pp為所述響應電流的幅度，M₁₂為所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感，在本實施例中，只要通過選擇合適的所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M₁₂即可使所述響應磁通信號的幅度滿足如下關系：其中為所述響應磁通信號的幅度，Φ₀為一個磁通量子。

其中，所述響應磁通信號的磁通放大倍數(shù)通過調節(jié)所述正反饋線圈L_s與所述第一級超導量子干涉器SQD1的互感，以及所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感來設定，M_S為所述正反饋線圈與所述第一級超導量子干涉器的互感，M₁₂為所述轉換線圈與所述第二級超導量子干涉器的互感。

步驟S2：基于具有自復位特性的SQUID磁通探測模塊12在所述SQUID磁通探測模塊12的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間內以唯一確定的傳輸特性將所述響應磁通信號 Φ₁₂轉換成響應電壓信號V_out，所述SQUID磁通探測模塊12包括用于耦合所述響應磁通信號Φ₁₂的第二級超導量子干涉器SQD2。所述響應磁通信號的幅度與所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間滿足如下關系：

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

其中為所述響應磁通信號的幅度，為所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間，Φ₀為一個磁通量子。

具體地，所述SQUID磁通探測模塊12可由任意具有自復位、單調傳輸特性的轉換模塊實現(xiàn)，不以本實施例為限，在本實施例中，采用電壓欠反饋SQUID電路或電流欠反饋SQUID電路實現(xiàn)所述具有傳輸特性回滯的自復位SQUID磁探測器，所述SQUID磁通探測模塊的單調傳輸特性對應的磁通輸入?yún)^(qū)間通過調節(jié)欠反饋系數(shù)設定，其中欠反饋系數(shù)G₀為前置放大器的增益，R_f反饋電阻阻值，M_f為所述反饋線圈L_f與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感。

步驟S3：基于工作點對齊檢測模塊13對所述響應電壓信號V_out進行檢測，若所述響應電壓信號V_out跳變且峰谷相對于零點的電壓差不等，則所述SQUID磁通探測模塊12的工作點未對齊，需對所述SQUID磁通探測模塊12的工作點進行調整；反之，所述SQUID磁通探測模塊的工作點對齊。

具體地，調整所述SQUID磁通探測模塊12的工作點的方法包括調節(jié)所述SQUID磁通探測模塊12中直流磁通的偏移量，從而實現(xiàn)工作點對齊。工作點的調節(jié)可由操作人員手動調節(jié)，也可通過控制電路根據(jù)偏移情況進行自動調節(jié)，在此不一一贅述。

本發(fā)明所述的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換方法的保護范圍不限于本實施例列舉的步驟執(zhí)行順序，凡是本領域技術人員利用現(xiàn)有技術對本發(fā)明所述方案的變形都包括在本發(fā)明的保護范圍內。

本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置、方法及其應用在所述SQUID磁通放大模塊中采用兩種技術結合方式實現(xiàn)磁通放大功能，即采用電流正反饋技術提升工作點處的磁通-電壓傳輸率，同時設定所述轉換線圈L₁與所述第二級超導量子干涉器SQD2的互感M₁₂的大小，實現(xiàn)磁通限幅放大，使得所述SQUID磁通放大模塊輸出磁通的幅度在2Φ₀以內，既實現(xiàn)了磁通-電壓傳輸率的提升，又避免了傳輸特性多零點問題。同時在所述SQUID磁通探測 模塊采用欠反饋原理實現(xiàn)自復位且傳輸特性單調的磁通探測器，欠反饋SQUID電路具有工作點自動復位功能，確保以固定工作點下的確定的傳輸特性對所述SQUID磁通放大模塊輸出磁通進行磁通-電壓轉換，解決了傳輸特性多值問題。結合所述SQUID磁通放大模塊和所述SQUID磁通探測模塊合成的磁通-電壓轉換模塊實現(xiàn)了同普通SQUID相同的周期內工作點單值的傳輸特性，同時磁通電壓傳輸率提升10倍，使前放噪聲等效磁通噪聲降低至1/10。本發(fā)明的雙級超導量子干涉器磁通-電壓轉換裝置、方法操作簡單，可形成實用化高性能的SQUID磁傳感器。

綜上所述，本發(fā)明采用SQUID磁通放大模塊使得工作點處的磁通電壓傳輸率得到提高；同時輸出的放大后的磁通的峰峰值小于2Φ₀；針對磁通變化峰峰值小于2Φ₀的磁通，使用欠反饋機制的磁通探測器進行磁通-電壓轉換和放大，避免了磁通-傳輸特性在2Φ₀內出現(xiàn)傳輸特性出現(xiàn)多個零點問題及傳輸特性多值問題。本發(fā)明使得雙級SQUID放大模塊在提升磁通-電壓傳輸率的同時，其傳輸特性中工作點周期單值，避免出現(xiàn)多值問題，操作簡單，同時由于傳輸率大大提升，噪聲性能得到很大提升，發(fā)揮出了SQUID低噪聲的性能，進而可形成實用化高性能的SQUID磁傳感器。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。