[发明专利]一种直读式磁通调制读出电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别是涉及一种直读式磁通调制读出电路及方 法。

背景技术

超导量子干涉器件(SuperconductingQuantumInterferenceDevice，SQUID)是 一种灵敏度极高的磁敏感器件，可构建超导磁传感器。广泛应用于生物磁场、地球磁场异 常、极低场核磁共振及地球物理勘探等微弱磁场探测应用领域，其探测灵敏度已经达到飞 特(10^-15特斯拉)量级。SQUID磁传感器是极限探测、科学研究中重要的磁传感器设备，具有 很高的科研和应用价值。

实际应用时，SQUID多工作于低频段(小于10Hz)，低频噪声性能是决定应用效果的 重要性能指标。前置放大器的低频噪声和SQUID芯片的临界电流涨落等是SQUID磁传感器低 频噪声的主要噪声来源，严重制约了SQUID在低频磁测领域的应用(尤其是生物磁探测和地 球物理勘探应用)。针对该问题，目前国际上已经有专利针对SQUID磁传感器的低频噪声抑 制提出了解决方案：

现有技术中公开了一种基于磁通调制技术降低磁传感器低频噪声的方法，该方法通过在传感器中加入较高频率的调制磁通，将被测低频信号调制到高频处(一般100kHz左右)，从而避开前置放大器的低频噪声段，实现低频噪声抑制；同时，该方法也可以对临界电流涨落引入的同相低频噪声的有效抑制(尤其是对高温SQUID)。为了实现良好的阻抗匹配，以降低前置放大器噪声，这里在SQUID和前置放大器中间引入了变压器。如图1所示为实现该方法的磁通调制电路1，包括SQUID器件11、变压器12、前置放大器13、解调器14、积分器15、调制解调信号发生器16、反馈电阻Rf、反馈线圈Lf以及电阻。SQUID器件11通过电阻与变压器12的原边相连接，变压器12的副边输出接入到前置放大器13，前置放大器13的输出接入解调器14中进行解调，解调后的输出接入积分器15积分后通过反馈电阻Rf和反馈线圈Lf将该磁通反馈回SQUID器件11中，从而保证SQUID磁通工作点不变化，调制磁通的信号由调制解调信号发生器16产生，经过电阻衰减后同样送入反馈线圈Lf，对SQUID的磁通工作点进行调制，同时，调制解调信号发生器16也产生同步的解调信号送入解调器14中。变压器12的引入产生了三个负面影响：(1)SQUID输出电压信号幅度降低(变压器源边负载)；(2)SQUID输出信号的高频谐波成分被滤除，导致工作点处的变小；(3)变压器本身存在热噪声，因此，磁通调制读出电路的噪声并不比直读式读出电路好(尤其是对于大βc的SQUID芯片)，此外，变压器12的引入也导致电路结构更复杂，实用性下降。

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直读式磁通调制读出电路及方法，用于解决现有技术中变压器的引入带来的热噪声、信号幅度降低、工作点处的变小等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种直读式磁通调制读出电路，所 述直读式磁通调制读出电路至少包括：

SQUID器件，用于检测被测磁通信号并转化为相应的电信号输出；

前置放大器，与所述SQUID器件相连，对所述SQUID器件输出的电信号进行放大；

高通滤波器，与所述前置放大器相连，用于滤除所述前置放大器输出的直流量和 低频噪声；

调制解调信号发生器，用于产生磁通调制信号和磁通解调信号；

解调器，与所述高通滤波器及所述调制解调信号发生器相连，根据所述磁通解调 信号对所述高通滤波器的输出信号进行解调；

积分器，与所述解调器相连，对所述解调器的输出信号进行积分，并输出与所述被 测磁通信号成比例的响应电压信号；

反馈模块，与所述积分器及所述调制解调信号发生器相连，将所述响应电压信号 通过所述磁通调制信号调制后反馈至所述SQUID器件，以此锁定工作点。

优选地，所述高通滤波器包括连接于所述前置放大器和所述解调器之间的电容， 以及一端连接于所述电容输出端、另一端接地的电阻。

优选地，所述反馈模块包括反馈电阻及反馈线圈；所述反馈电阻的一端连接所述 积分器的输出端，另一端连接所述反馈线圈；所述反馈线圈的另一端接地，所述反馈电阻及 所述反馈线圈之间连接所述磁通调制信号。

更优选地，所述磁通调制信号为占空比为50％的方波信号。