[发明专利]超导量子干涉器磁传感器的性能测试装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器的性能测试技术，特别是涉及一种超导量子干涉器磁传感器的性能测试装置及方法。

背景技术

超导量子干涉器磁传感器(简称SQUID磁传感器)是目前已知的最灵敏的磁传感器。广泛应用于心磁、脑磁、极低场核磁共振等微弱磁信号探测和科学研究中。

SQUID磁传感器由SQUID器件及其磁通锁定环路构成，实现磁场检测并按一定比例线性转换成输出电压。SQUID磁传感器感应变化的磁通信号，输出变化的电压信号。其输入输出的比值，定义为传感器磁场电压转换的增益。

原则上，根据上述关系，在某个频率点处，已知输入磁通信号的强度，可推算磁传感器输出电压的幅度。

但实际上，由于SQUID磁传感器存在工作点失锁的问题，上述传输特性，并不能真正反映SQUID实际的工作性能。

SQUID磁感器的磁通电压传输特性曲线是周期非线性的，以一个磁通量子Φ0的磁通(2.07×10-15韦伯)为周期。用于工作的只能是其中的一小段线性区，涉及的磁通变化范围不到1/2个Φ0。当外部被测磁通幅度过大，磁通锁定环路的响应误差逐渐增大，并超过该线性区磁通误差容许的范围，整个SQUID磁传感器将发生失锁而无法工作。

举例说明，某个SQUID磁传感器在直流或低频率上的增益是1V/Φ0，到了某个频率点处，其增益为0.9V/Φ0。如果外部输入磁通10个Φ0，根据传输特性，SQUID磁传感器输出电压应为9V。而实际在这种输入情况下，SQUID磁传感器工作点处的磁通误差远超器误差容忍范围，而发生失锁，无法正常工作。

因此单用传输特性测试，无法确切描述SQUID磁传感器实际的频率响应能力，需要不断的调整锁定工作点并进行重复测试才能够测得SQUID磁传感器的性能，这使得测试过程十分繁冗。

发明内容

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超导量子干涉器磁传感器的性能测试装置及方法，用于解决现有技术中SQUID磁传感器的测试过程过于繁冗的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超导量子干涉器磁传感器的性能测试装置，其中，所述超导量子干涉器磁传感器包括：超导量子干涉器件和与所述超导量子干涉器件相连并向所述超导量子干涉器件反馈磁通的磁通锁定环路，所述磁通锁定环路预先锁定超导量子干涉器磁传感器的工作点，所述性能测试装置包括：外部磁通加载单元，用于向所述超导量子干涉器磁传感器提供包含频率变化的外部磁通和用于抵消所述超导量子干涉器件所处环境磁通的抵消磁通，其中，所述外部磁通的幅度小于预设值；与所述磁通锁定环路相连的磁通偏差获取单元，用于获取所述外部磁通和反馈磁通之间的磁通偏差；与所述磁通偏差获取单元和外部磁通加载单元相连的测试单元，用于根据所获取的所述磁通偏差及所对应的频率来计算所述超导量子干涉器磁传感器不失锁时最大可测磁通-频率变化的特性。

优选地，所述外部磁通加载单元包括：与所述磁通锁定环路中的反馈线圈相连的变化磁通加载模块，用于将频率变化的电流输至所述反馈线圈，以利用互感原理向所述超导量子干涉器件提供所述外部磁通；与所述反馈线圈相连的直流磁通调节模块，用于将根据所述超导量子干涉器件所处环境磁通所调解的直流电流输至所述反馈线圈。

优选地，所述磁通锁定环路包括：与所述超导量子干涉器件互感的反馈线圈以及与所述反馈线圈相连的偏置及放大积分电路；所述磁通偏差获取单元包括：用于采集对应所述磁通偏差的电流的采集模块；以及与所述采集模块相连的转换模块，用于根据超导量子干涉器件的磁通-电流的转换系数将所采集的电流转换为所述磁通偏差。

优选地，所述采集模块包括：第一放大器，其中，所述第一放大器的负输入端分别通过电阻R_a2、R_a1与所述外部磁通加载单元和所述偏置及放大积分电路的输出端相连，所述第一放大器的正输入端接地，所述第一放大器的负输入端和输出端之间还通过电阻R_a3相连。

优选地，所述采集模块包括：与所述反馈线圈串连的采样电阻、与所述采样电阻相连的第二放大器；

所述外部磁通加载单元将频率变化的电流通过所述采样电阻输至所述磁通锁定环路中的反馈线圈。