CN105278396B - 大量程squid磁传感器的工作点跳变控制方法及*** - Google Patents
大量程squid磁传感器的工作点跳变控制方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法及***,该方法包括:当大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至FLL的复位控制端,使FLL开始复位;当大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到下限电压幅度时,解除控制信号,使FLL自然进入锁定状态。本发明通过两个门限电压判断和状态控制方法,实现了最优化的复位控制,既确保了工作点的准确切换,避免了复位失败产生误计数,又优化了复位和重锁定的过程,实现了切换过程时间最短,避免了传统复位过零和重锁定过程产生的过冲暂态问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,涉及一种SQUID磁传感器的控制方法,特别是涉及一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法及***。
背景技术
采用超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device,以下简称SQUID)的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、极低场核磁共振等极微弱磁信号探测和科学研究中。由于其采用微电子工艺,在多通道、高分辨率、集成化高端应用***中具有不可替代的作用。
SQUID是由两个超导约瑟夫森结并联构成的超导环,将结的两端引出形成一个具有两个端子的无源器件。当给SQUID注入一定的偏置电流后,SQUID两端电压将随着其感应的磁通呈周期性变化,周期正好为一个磁通量子Φ0(Φ0=2.07×10-15韦伯),如图1所示。SQUID磁传感器是基于如图2所示的磁通锁定环路(Flux-Locked Loop,简称FLL)来实现磁场电压的线性转换的。FLL选用SQUID磁通电压传输特性曲线中磁通电压转换斜率最大的点作为工作点,即如图1中标记为w0、w1、w2的点为工作点。上述工作点w0、w1、w2对应的感应磁通正好相差一个磁通量子。上述FLL在不同工作点下工作的输入磁通与输出电压的传输特性曲线如图3所示,每一个工作点下对应一条传输特性曲线,相邻传输特性曲线之间正好相差一个磁通量子的磁通和对应的电压。
FLL在工作时,始终保持负反馈的平衡,即将SQUID的状态锁定在工作点上,当FLL输出电压超出量程时,工作点不再保持,将发生失锁现象。失锁后通过电路复位实现重新锁定,重新锁定后选择的工作点不能保证是失锁前的工作点,而会锁定在与原先工作点相差整数个磁通量子Φ0的其他工作点上,且相差的数量是不可知的。由于FLL的输出电压限制(通常为±10V),在某个固定工作点下的FLL的可测量的磁通范围是有限的(如图3阴影部分)。而SQUID实际能感应的磁通远大于该可测量磁通范围。
为了扩大SQUID磁传感器的性能,本领域技术人员提出了一种采用工作点切换,配合磁通量子计数的方式实现扩大SQUID磁传感器的测量量程的方法。即,当在某个工作点下,测量磁通正好达到N个Φ0,N为±1,±2…的整数时,将FLL输出置零,并重新开始锁定,此时的FLL将切换到与之前相差NΦ0的工作点上从零开始锁定输出。通过上述切换,记录工作点跳跃的对应Φ0的变化量及在FLL正常锁定的输出,即可得知当前被测磁通的大小。通过上述方法,将SQUID磁传感器的磁通测量范围扩大到了SQUID所能感应的磁通范围,因此测量能力大大提升。实现了大量程的SQUID磁传感器。
采用上述工作点切换方法实现的大量程SQUID磁传感器在实际应用中存在以下几个问题:
1)采用复位归零后再重新锁定的切换过程中,在归零和重新锁时刻,存在过冲和振荡现象,如图4和5所示,且切换时间较长。
2)存在误计数现象,即切换脉冲已经发出,形成计数信号,但FLL并没有切换到对应的工作点上,造成误计数。
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大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法及***,用于解决现有大量程SQUID磁传感器在工作点跳变过程中存在过冲和振荡现象,以及跳变计数不准的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,所述大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法包括:当大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至所述FLL的复位控制端,使所述FLL开始复位;所述上限电压幅度为所述FLL的反馈磁通达到Φ0的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度;当所述大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压达幅度到下限电压幅度时,解除所述控制信号,使所述FLL自然进入锁定状态;所述下限电压幅度为所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0时对应的FLL的输出电压的幅度。
优选地,所述上限电压幅度为VH;当所述FLL的输出电压达到+VH时,所述FLL的反馈磁通为+NΦ0;当所述FLL的输出电压达到-VH时,所述FLL的反馈磁通为-NΦ0;其中,N为大于零的正整数;所述下限电压幅度为VL;当所述FLL的输出电压由+VH下降到小于+VL时,所述FLL的反馈磁通已经小于0.5Φ0;当所述FLL的输出电压由-VH跳变至-VL时,所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0。
优选地,所述控制信号的开始和解除由硬件控制电路或软件控制器控制实现。
优选地,所述硬件控制电路包括状态触发器;所述软件控制器包括FPGA、CPU或ARM。
优选地,所述输出一控制信号控制所述FLL开始复位即为利用所述控制信号控制所述FLL的复位控制端,使所述FLL的输出电压开始归零。
本发明还提供一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,所述大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***包括:阈值电压判断模块,判断大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度是否达到上限电压幅度或下限电压幅度;所述上限电压幅度为所述FLL的反馈磁通达到Φ0的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度;所述下限电压幅度为所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0时对应的FLL的输出电压的幅度;复位控制模块,与所述阈值电压判断模块相连,当所述FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至所述FLL的复位控制端,使所述FLL开始复位;当所述FLL的输出电压幅度达到下限电压幅度时,解除所述控制信号,使所述FLL自然进入锁定状态。
优选地,所述阈值电压判断模块由电压比较电路实现。
优选地,所述复位控制模块由硬件控制电路或软件控制器实现。
优选地,所述硬件控制电路包括状态触发器;所述软件控制器包括FPGA、CPU或ARM。
优选地,所述FLL的复位控制端由一复位控制开关实现。
如上所述,本发明所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法及***,具有以下有益效果:
本发明利用状态触发的方式,根据FLL的输出电压来确定FLL复位的启动与清除时刻,能根据FLL复位速度自适应调节复位时间,缩短了复位过程,消除了开关切换造成的过冲及振荡的暂态现象,可确保FLL完全切换到下一个设定的工作点,消除了误计数的现象,具有高的可靠性。
附图说明
图1为现有SQUID的周期磁通波形示意图。
图2为现有SQUID磁传感器的结构示意图。
图3为现有SQUID磁传感器的FLL在不同工作点下工作的输入磁通与输出电压的传输特性曲线示意图。
图4和图5为现有SQUID磁传感器在归零和重新锁时刻出现的过冲和振荡现象示意图。
图6为本发明实施例一所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法的流程示意图。
图7为本发明实施例二所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***的结构示意图。
图8为大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***的一种实现结构框图。
图9为大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***的一种具体实现结构示意图。
图10为图9的一种等效电路结构示意图。
图11为大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***的另一种具体实现结构示意图。
图12为本发明的工作原理时序示意图。
元件标号说明
700 大量程SQUID磁传感器的
工作点跳变控制***
710 阈值电压判断模块
720 复位控制模块
S1~S2 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例一
本实施例提供一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,如图6所示,所述大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法包括:
S1,当大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至所述FLL的复位控制端,使所述FLL开始复位;所述上限电压幅度为所述FLL的反馈磁通达到Φ0的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度。所述输出一控制信号控制所述FLL开始复位即为利用所述控制信号控制所述FLL的复位控制端,使所述FLL的输出电压开始归零。具体地,所述上限电压包括+VH和-VH,上限电压幅度为VH;当所述FLL的输出电压达到+VH时,所述FLL的反馈磁通为+NΦ0;当所述FLL的输出电压达到-VH时,所述FLL的反馈磁通为-NΦ0;其中,N为大于零的正整数。
S2,当所述大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到下限电压幅度时,解除所述控制信号,使所述FLL自然进入锁定状态;所述下限电压幅度为所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0时对应的FLL的输出电压的幅度。具体地,所述下限电压包括+VL和-VL,下限电压幅度为VL;当所述FLL的输出电压由+VH下降到小于+VL时,所述FLL的反馈磁通已经小于0.5Φ0;当所述FLL的输出电压由-VH跳变至-VL时,所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0。本发明中的VH和VL均是正数。
进一步,所述控制信号的开始和解除可以由硬件控制电路实现,也可以由软件控制器控制实现。所述硬件控制电路包括状态触发器,即所述硬件控制电路可以由状态触发器实现,也可以由类似于状态触发器的功能电路实现。所述软件控制器包括但不限于FPGA、CPU、ARM等基于软件程序的控制处理器。本发明的保护范围不限于所述控制信号的实现方式,即不限于本实施例列举的硬件及软件实现方式,凡是利用现有技术实现的本发明所述功能的控制信号都包括在本发明的保护范围内。
实施例二
本实施例提供一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,该***可以实现实施例一所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,但实施例一所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法的实现装置包括但不限于本实施例所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***。
如图7所示,所述大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***700包括:阈值电压判断模块710,复位控制模块720。
所述阈值电压判断模块710判断大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度是否达到上限电压幅度或下限电压幅度;所述上限电压幅度为所述FLL的反馈磁通达到Φ0的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度;所述下限电压幅度为所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0时对应的FLL的输出电压的幅度。
具体地,所述上限电压包括+VH和-VH,上限电压幅度为VH;当所述FLL的输出电压达到+VH时,所述FLL的反馈磁通为+NΦ0;当所述FLL的输出电压达到-VH时,所述FLL的反馈磁通为-NΦ0;其中,N为大于零的正整数。所述下限电压包括+VL和-VL,下限电压幅度为VL;当所述FLL的输出电压由+VH下降到小于+VL时,所述FLL的反馈磁通已经小于0.5Φ0;当所述FLL的输出电压由-VH跳变至-VL时,所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0。
进一步,所述阈值电压判断模块710可以由电压比较电路实现,但本发明的保护范围不限于阈值电压判断模块的具体实现方式。
所述复位控制模块720与所述阈值电压判断模块710相连,当所述FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至所述FLL的复位控制端,使所述FLL开始复位;当所述FLL的输出电压幅度达到下限电压幅度时,解除所述控制信号,使所述FLL自然进入锁定状态。
进一步,所述复位控制模块可以由硬件控制电路实现,也可以由软件控制器控制实现。所述硬件控制电路包括状态触发器,即所述硬件控制电路可以由状态触发器实现,也可以由类似于状态触发器的功能电路实现。所述软件控制器包括但不限于FPGA、CPU、ARM等基于软件程序的控制处理器。
现有的大量程SQUID磁传感器的FLL通常都具备复位控制端。所述FLL的复位控制端通常是由一复位控制开关实现。本发明没有对大量程SQUID磁传感器的FLL做任何改进,故而省略了对大量程SQUID磁传感器的FLL的描述。图8所示的增益可切换放大电路是现有大量程SQUID磁传感器的FLL的一种常用复位控制端结构,但本发明的保护范围不限于大量程SQUID磁传感器的FLL的复位控制端结构,凡是具备复位控制端的大量程SQUID磁传感器都可以使用本发明。
如图8所示,本实施例提供了一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***的一种实现结构框图。其中,阈值电压判断模块由分段电压比较电路实现。复位控制模块由状态触发电路实现。
如图9所示,分段电压比较电路可以由4个并列的比较器实现,其中,比较器IC1比较的是FLL的输出电压Vf与上限电压+VH的大小;比较器IC3比较的是FLL的输出电压Vf与上限电压-VH的大小;比较器IC2比较的是FLL的输出电压Vf与下限电压+VL的大小;比较器IC4比较的是FLL的输出电压Vf与下限电压-VL的大小。复位控制模块由状态触发器IC5-1、IC5-2和或门实现所述控制信号的输出和解除。图9中,上限电压幅度下限电压幅度电压比较器可选用典型的LM311,正负两个电压输入,输出为TTL电平兼容的逻辑信号。当正端输入电压大于负端输入电压时,比较器输出为高电平。反之当比较器的正端输入电压小于负端输入电压时,比较器输出为低电平。所述状态触发器可选用D型触发器或JK触发器。图9中两个D触发器IC5-1和IC5-2分别实现正向和负向的工作点切换。当FLL输出为正,并达到电压VH时,电压比较器IC1触发D触发器IC5-1的PRE端,IC5-1的输出为1,经或门驱动FLL电路中的复位开关,实现复位,输出开始归零。在输出归零过程中,当FLL输出电压小于VL时,IC5-1的CLR端被IC2触发,IC5-1的输出为0。FLL电路中的复位开关被释放,FLL重新锁定工作,完成一次工作点切换。同理FLL输出为负时,FLL的输出电压达到-VH,电压比较器IC3的输出触发D触发器IC5-2的PRE端,IC5-2的输出为1,经或门输出驱动FLL电路中的复位开关,FLL输出开始归零。在输出归零过程中,当FLL输出电压决定值小于VL时,电压比较器IC4输出触发IC5-2的CLR端,IC5-2的输出为0,FLL的复位开关被释放,FLL重新锁定工作,完成FLL输出负电压情况下的一次工作点切换。触发器IC5-1的输出同时引出作为FLL输出正极性情况下工作点切换的计数输出,图中Vcnt1所示。同理触发器IC5-2的输出同时引出作为FLL输出负极性情况下工作点切换时的计数输出,图中Vcnt2所示。只要后续的测量设备,监测这两个逻辑电平脉冲信号,脉冲的个数对应工作点切换的次数。不同极性的脉冲信号驱动可增加的计数器,最后获得总的工作点切换对应的磁通量子数,再配合FLL的输出电压信号,即可合成最后总的被测磁场输出。由于磁通计数的范围可以很大,因此该方案实现的磁传感器具有传统磁传感器无法实现的大量程。图9使用了两个状态寄存器,分别对应FLL输出正极性和负极性情况下的控制。只是不同极性下的两个相同的电路,即状态控制电路。因此图9和图11本质是相同的。另一个与图9等价的电路如图10所示。
如图11所示,分段电压比较电路可以由平方或绝对值运算器和2个并列的比较器实现,其中,平方或绝对值运算器对FLL的输出电压Vf做平方或绝对值处理,获得处理后的电压值;比较器IC3比较的是处理后的电压值与上限电压VH的大小;比较器IC4比较的是处理后的电压值与下限电压VL的大小。复位控制模块由一个D状态触发器IC5-2实现。所述平方或绝对值运算器对FLL的输出进行正值化(绝对值或平方,实现单极性)后比较。因为正值化处理后输出的电压值是单极性,所以只要设置单极性的第一门限和第二门限电压比较即可。
本发明的工作原理如图12所示,当FLL的输出电压达到±VH时,FLL的对应反馈磁通达到±NΦ0,阈值电压判断模块触发复位控制模块,使复位控制模块的状态输出控制FLL内部电路复位状态启动,称为置位(即复位)。复位开始后,FLL的输出快速减小。当FLL的输出电压的绝对值小于或等于VL时,FLL的对应的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0,此时阈值电压判断模块触发复位控制模块,使复位控制模块的状态输出控制FLL内部电路复位清除,FLL电路重新锁定。FLL内部电路复位清除后,FLL的输出将经过一定时间重新锁定输出,该过程避免了FLL输出继续归零发生的过冲现象以及重新锁定开始的振荡现象。本发明的主要特点是在FLL复位过程中,FLL的输出还未完全归零之前就释放复位控制,重新开始锁定,缩短了整个工作点切换的时间,同时避免了传统方法中归零后的过程和重新锁定的暂态过程,实现了工作点的可靠切换,同时FLL的输出平滑。
本发明利用了状态触发的方式,根据FLL的输出电压来确定FLL复位的启动与清除时刻,可确保FLL完全切换到下一个设定的工作点,因此消除了误计数的现象,具有高的可靠性。此外,本发明在FLL的输出电压未完全归零之前就启动FLL的重新锁定,缩短了复位过程,消除了开关切换造成的过冲及振荡的暂态现象,使FLL在工作点切换过程中输出平滑,达到了低噪声测量所要求的切换效果。本发明实现了可靠切换和切换无干扰的高性能大量程SQUID磁传感器。
本发明同传统的控制方法相比有以下优势:传统使用定时控制,即当FLL的输出电压达到第一门限电压时,就发出一定宽度的复位脉冲,而脉冲宽度是固定的,如果脉冲宽度不够,可能无法完成复位,如果脉冲宽度过宽,则会引发过零和重新锁定时刻的过冲暂态,同时延长了切换过程。本发明利用状态控制,使得FLL在复位归零过程中,但还未到零时,只要小于第二电压门限值,就释放复位,重新开始锁定,无人为设定的延时参数,根据FLL的实际输出来自适应复位时间,复位准确可靠,完全避免了误计数。确保了在新工作点下可靠锁定,同时实现了无缝切换,缩短了复位时间,同时避免了传统控制方法中归零过冲等暂态现象产生的问题。因此是一种最优化的切换过程,切换时间达到最短。本发明使用状态控制,根据FLL的电压输出来切换状态触发器的输出,无需延时电路,状态控制准确,切换过程平滑。
因此本发明通过两个门限电压判断和状态控制方法,实现了最优化的复位控制,既确保了工作点的准确切换,避免了复位失败产生误计数,同时又优化了复位和重锁定的过程,实现了切换过程时间最短,避免了传统复位过零和重锁定过程产生的过冲暂态问题。
综上所述,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,其特征在于,所述大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法包括:
当大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至所述FLL的复位控制端,使所述FLL开始复位;所述上限电压幅度为所述FLL的反馈磁通达到Φ0的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度;
当所述大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度达到下限电压幅度时,解除所述控制信号,使所述FLL自然进入锁定状态;所述下限电压幅度为所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0时对应的FLL的输出电压的幅度。
2.根据权利要求1所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,其特征在于:所述上限电压幅度为VH;当所述FLL的输出电压达到+VH时,所述FLL的反馈磁通为+NΦ0;当所述FLL的输出电压达到-VH时,所述FLL的反馈磁通为-NΦ0;其中,N为大于零的正整数;所述下限电压幅度为VL;当所述FLL的输出电压由+VH下降到小于+VL时,所述FLL的反馈磁通已经小于0.5Φ0;当所述FLL的输出电压由-VH跳变至-VL时,所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0。
3.根据权利要求1所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,其特征在于:所述控制信号的开始和解除由硬件控制电路或软件控制器控制实现。
4.根据权利要求3所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,其特征在于:所述硬件控制电路包括状态触发器;所述软件控制器包括FPGA、CPU或ARM。
5.根据权利要求1所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制方法,其特征在于:所述输出一控制信号控制所述FLL开始复位即为利用所述控制信号控制所述FLL的复位控制端,使所述FLL的输出电压开始归零。
6.一种大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,其特征在于,所述大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***包括:
阈值电压判断模块,判断大量程SQUID磁传感器的FLL的输出电压幅度是否达到上限电压幅度或下限电压幅度;所述上限电压幅度为所述FLL的反馈磁通达到Φ0的整数倍时对应的FLL的输出电压的幅度;所述下限电压幅度为所述FLL的反馈磁通的绝对值小于或等于0.5Φ0时对应的FLL的输出电压的幅度;
复位控制模块,与所述阈值电压判断模块相连,当所述FLL的输出电压幅度达到上限电压幅度时,输出一控制信号至所述FLL的复位控制端,使所述FLL开始复位;当所述FLL的输出电压幅度达到下限电压幅度时,解除所述控制信号,使所述FLL自然进入锁定状态。
7.根据权利要求6所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,其特征在于:所述阈值电压判断模块由电压比较电路实现。
8.根据权利要求6所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,其特征在于:所述复位控制模块由硬件控制电路或软件控制器实现。
9.根据权利要求8所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,其特征在于:所述硬件控制电路包括状态触发器;所述软件控制器包括FPGA、CPU或ARM。
10.根据权利要求6所述的大量程SQUID磁传感器的工作点跳变控制***,其特征在于:所述FLL的复位控制端由一复位控制开关实现。
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