大量程squid磁傳感器的工作點跳變控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導體技術領域，涉及一種S卵ID磁傳感器的控制方法，特別是涉及 一種大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 義用超導量子干涉器件（Superconducting如antumInte;rferenceDevice,W下 簡稱S卵ID)的傳感器是目前已知的最靈敏的磁傳感器。廣泛應用于必磁、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(tǒng)中具有不可替代的作用。
[0003]S卵ID是由兩個超導約瑟夫森結(jié)并聯(lián)構(gòu)成的超導環(huán)，將結(jié)的兩端引出形成一個具 有兩個端子的無源器件。當給S卵ID注入一定的偏置電流后，S卵ID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Φ。（Φ。= 2.07X10l5韋伯），如圖l所 示。S卵ID磁傳感器是基于如圖2所示的磁通鎖定環(huán)路（Flux-LockedLoop,簡稱化L)來 實現(xiàn)磁場電壓的線性轉(zhuǎn)換的?；疞選用S卵ID磁通電壓傳輸特性曲線中磁通電壓轉(zhuǎn)換斜率 最大的點作為工作點，即如圖1中標記為w0、wl、w2的點為工作點。上述工作點w0、wl、w2 對應的感應磁通正好相差一個磁通量子。上述化L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。
[0004] 化L在工作時，始終保持負反饋的平衡，即將S卵ID的狀態(tài)鎖定在工作點上，當化L 輸出電壓超出量程時，工作點不再保持，將發(fā)生失鎖現(xiàn)象。失鎖后通過電路復位實現(xiàn)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(shù)個磁通量子Φ。的其他工作點上，且相差的數(shù)量是不可知的。由于化L的輸出電壓限 巧[J(通常為+10V)，在某個固定工作點下的化L的可測量的磁通范圍是有限的（如圖3陰 影部分）。而S卵ID實際能感應的磁通遠大于該可測量磁通范圍。
[0005] 為了擴大S卵ID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(shù)的方式實現(xiàn)擴大S卵ID磁傳感器的測量量程的方法。目P，當在某個工作 點下，視帽磁通正好達到N個〇e，N為±1，±2···的整數(shù)時，將化L輸出置零，并重新開始鎖 定，此時的化L將切換到與之前相差ΝΦ。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Φ。的變化量及在化L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S卵ID磁傳感器的磁通測量范圍擴大到了S卵ID所能感應的磁通 范圍，因此測量能力大大提升。實現(xiàn)了大量程的S卵ID磁傳感器。
[0006] 采用上述工作點切換方法實現(xiàn)的大量程S卵ID磁傳感器在實際應用中存在W下 幾個問題：
[0007] 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(xiàn)象，如圖4和5所示，且切換時間較長。
[0008] 2)存在誤計數(shù)現(xiàn)象，即切換脈沖已經(jīng)發(fā)出，形成計數(shù)信號，但化L并沒有切換到對 應的工作點上，造成誤計數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種大量程S卵ID磁傳感 器的工作點跳變控制方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有大量程S卵ID磁傳感器在工作點跳變過程 中存在過沖和振蕩現(xiàn)象，W及跳變計數(shù)不準的問題。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種大量程S卵ID磁傳感器的工作 點跳變控制方法，所述大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制方法包括：當大量程S卵ID 磁傳感器的化L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化L的復位 控制端，使所述化L開始復位；所述上限電壓幅度為所述化L的反饋磁通達到Φ。的整數(shù)倍 時對應的化L的輸出電壓的幅度；當所述大量程S卵ID磁傳感器的化L的輸出電壓達幅度 到下限電壓幅度時，解除所述控制信號，使所述化L自然進入鎖定狀態(tài)；所述下限電壓幅度 為所述化L的反饋磁通的絕對值小于或等于0. 5Φ。時對應的化L的輸出電壓的幅度。
[0011] 優(yōu)選地，所述上限電壓幅度為Vh;當所述化L的輸出電壓達到+VH時，所述化L的反 饋磁通為+ΝΦ。；當所述化L的輸出電壓達到-Vh時，所述化L的反饋磁通為-ΝΦ。；其中，N 為大于零的正整數(shù)；所述下限電壓幅度為\ ;當所述FLL的輸出電壓由下降到小于+\ 時，所述化L的反饋磁通已經(jīng)小于0. 5Φ。；當所述化L的輸出電壓由-Vh跳變至時，所述 化L的反饋磁通的絕對值小于或等于0. 5Φ。。
[0012] 優(yōu)選地，所述控制信號的開始和解除由硬件控制電路或軟件控制器控制實現(xiàn)。
[0013] 優(yōu)選地，所述硬件控制電路包括狀態(tài)觸發(fā)器；所述軟件控制器包括FPGA、CPU、或 ARM。
[0014] 優(yōu)選地，所述輸出一控制信號控制所述化L開始復位即為利用所述控制信號控制 所述化L的復位控制端，使所述化L的輸出電壓開始歸零。
[0015] 本發(fā)明還提供一種大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制系統(tǒng)，所述大量程 S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制系統(tǒng)包括；闊值電壓判斷模塊，判斷大量程S卵ID磁傳感 器的化L的輸出電壓幅度是否達到上限電壓幅度或下限電壓幅度；所述上限電壓幅度為所 述FLL的反饋磁通達到Φ。的整數(shù)倍時對應的FLL的輸出電壓的幅度；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. 5Φ。時對應的FLL的輸出電壓的幅度；復位控 制模塊，與所述闊值電壓判斷模塊相連，當所述化L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化L的復位控制端，使所述化L開始復位；當所述化L的輸出電壓幅 度達到下限電壓幅度時，解除所述控制信號，使所述化L自然進入鎖定狀態(tài)。
[001引優(yōu)選地，所述闊值電壓判斷模塊由電壓比較電路實現(xiàn)。
[0017] 優(yōu)選地，所述復位控制模塊由硬件控制電路或軟件控制器實現(xiàn)。
[0018] 優(yōu)選地，所述硬件控制電路包括狀態(tài)觸發(fā)器；所述軟件控制器包括FPGA、CPU、或 ARM。
[0019] 優(yōu)選地，所述化L的復位控制端由一復位控制開關實現(xiàn)。
[0020] 如上所述，本發(fā)明所述的大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制方法及系統(tǒng)， 具有W下有益效果：
[0021] 本發(fā)明利用狀態(tài)觸發(fā)的方式，根據(jù)化L的輸出電壓來確定化L復位的啟動與清除 時刻，能根據(jù)化L復位速度自適應調(diào)節(jié)復位時間，縮短了復位過程，消除了開關切換造成的 過沖及振蕩的暫態(tài)現(xiàn)象，可確?；疞完全切換到下一個設定的工作點，消除了誤計數(shù)的現(xiàn) 象，具有高的可靠性。
【附圖說明】
[0022] 圖1為現(xiàn)有S卵ID的周期磁通波形示意圖。
[0023] 圖2為現(xiàn)有S卵ID磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3為現(xiàn)有S卵ID磁傳感器的化L在不同工作點下工作的輸入磁通與輸出電壓的 傳輸特性曲線示意圖。
[0025] 圖4和圖5為現(xiàn)有S卵ID磁傳感器在歸零和重新鎖時刻出現(xiàn)的過沖和振蕩現(xiàn)象示 意圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明實施例一所述的大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制方法的流 程示意圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明實施例二所述的大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)示意圖。
[0028] 圖8為大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。
[0029] 圖9為大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制系統(tǒng)的一種具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0030] 圖10為圖9的一種等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖11為大量程S卵ID磁傳感器的工作點跳變控制系統(tǒng)的另一種具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0032] 圖12為本發(fā)明的工作原理時序示意圖。
[0033] 元件標號說明
[0034] 700 大量程S卵ID磁傳感器的
[0035] 工作點跳變控制系統(tǒng)
[0036] 710 闊值電壓判斷模塊
[0037] 720 復位控制模塊
[0038] S1