氦光泵磁力儀測(cè)試探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳恩 宗發(fā)保

（第七一五研究所，杭州，310023）

氦光泵磁力儀測(cè)試探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳恩 宗發(fā)保

（第七一五研究所，杭州，310023）

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種能夠模擬氦光泵探頭的測(cè)試探頭，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出了其基頻的幅頻特性曲線和二倍頻的幅頻特性曲線，與理論的氦光泵的基頻和二倍頻信號(hào)幅頻曲線相一致。

氦光泵磁力儀；測(cè)試探頭；拉莫爾調(diào)頻信號(hào)；共振信號(hào)

氦光泵磁力儀以氦原子在外磁場(chǎng)中發(fā)生塞曼分裂為基礎(chǔ)，利用光泵作用和磁共振研制而成，將對(duì)磁場(chǎng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)頻率的測(cè)量，已被廣泛地用于磁法勘探、航空反潛等領(lǐng)域。氦光泵磁力儀測(cè)試探頭，能模擬出氦光泵探頭對(duì)拉莫爾調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)和共振信號(hào)產(chǎn)生，能夠代替氦光泵探頭實(shí)現(xiàn)磁力儀系統(tǒng)的跟蹤。在沒有氦光泵探頭的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁力儀系統(tǒng)（除光泵探頭外）的調(diào)試?？梢栽谂懦饨绱艌?chǎng)干擾和氦光泵探頭本身的光噪聲及電噪聲的情況下，完成對(duì)信號(hào)處理電路部分的噪聲測(cè)試。

1 氦光泵探頭原理

1.1 氦光泵組成

氦光泵磁力儀是利用氦原子磁性及光學(xué)取向來測(cè)量磁場(chǎng)的一種儀器，其中氦光泵探頭是磁力儀的核心部件，主要由氦燈、氦吸收室、光學(xué)部件、射頻線圈、高頻激勵(lì)和光敏元件組成。

1.2 氦光泵磁共振現(xiàn)象

氦燈、氦吸收室內(nèi)充高純度的氦氣，氦燈在高頻激勵(lì)的作用下，產(chǎn)生輝光放電，它的發(fā)光光譜即是氦氣體發(fā)光的光譜。氦吸收室在高頻激勵(lì)的作用下，被激發(fā)而發(fā)出淡藍(lán)色的弱光，這時(shí)一部分原來沒有磁性的氦原子就變成帶磁性的亞穩(wěn)態(tài)原子。亞穩(wěn)態(tài)的氦原子吸收來自氦燈發(fā)出的波長(zhǎng)為1.08 μm的D線后，沿外磁場(chǎng)方向排列，叫做“光泵作用”。這時(shí)，在射頻線圈上加一個(gè)頻率為f的射頻信號(hào)，改變f，使它等于一個(gè)適當(dāng)?shù)念l率fo時(shí)，射頻場(chǎng)能夠把已排列好的氦原子打亂，這個(gè)現(xiàn)象叫磁共振現(xiàn)象。其中，fo=28.023 56T，T為外界磁場(chǎng)值。

1.3 磁力儀自動(dòng)跟蹤原理

實(shí)現(xiàn)磁力儀的測(cè)量磁場(chǎng)的基本過程是：用高頻激勵(lì)的方法，使吸收室內(nèi)的氦原子獲得磁性；用氦燈發(fā)射出1.08 μm的D線，經(jīng)過啟偏器和1/4λ波片處理成圓偏振光，照射吸收室，使氦原子沿外磁場(chǎng)方向排列；逐步改變射頻信號(hào)的頻率，使氦原子吸收光量最大，檢測(cè)到的光敏元件上的反向電流最小；測(cè)出射頻信號(hào)的頻率，換算成磁場(chǎng)值。這種手調(diào)的方法雖然可以測(cè)定某一固定點(diǎn)的恒定磁場(chǎng)，但在測(cè)定隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)時(shí)，就不能勝任了，同時(shí)也不能適應(yīng)高精度的測(cè)量。因此，必須采用自動(dòng)測(cè)量的電子自動(dòng)跟蹤裝置。

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，必須將射頻信號(hào)以調(diào)制頻率fn做上下擺動(dòng)，即輸出頻率f= fo+Δfcos2πfn，使光敏元件輸出一個(gè)交流量，其共振曲線如圖1所示，其中X軸是射頻頻率，Y軸是光敏元件上檢測(cè)到的光強(qiáng)，光強(qiáng)最低點(diǎn)是磁共振點(diǎn)[1]。而光敏元件的伏安特性如圖2所示，光強(qiáng)越強(qiáng)反向電流越大[2]。光敏元件的輸出幅度如圖3所示。

圖1 氦光泵探頭磁共振曲線

圖2 光電二極管的伏安特性

由圖3可知，在f≠ fo時(shí)，光敏元件的輸出相位不同。經(jīng)過相敏檢波輸出后，當(dāng)f＜fo，相敏輸出為正；當(dāng)f＞fo時(shí)，相敏輸出為負(fù)；當(dāng)f=fo時(shí)，相敏輸出為零。通過相敏檢波的輸出來改變壓控振蕩器的輸出頻率，使f=fo來實(shí)現(xiàn)磁力儀的自動(dòng)跟蹤。

圖3 光敏元件輸出幅度

2 測(cè)試探頭電路設(shè)計(jì)

由上一節(jié)可知，氦光泵探頭的輸入為一個(gè)調(diào)頻的射頻信號(hào)，經(jīng)過氦光泵探頭的磁共振作用后，輸出基頻信號(hào)和二倍頻信號(hào)。其輸出的幅頻特性曲線與LC諧振回路的幅頻特性曲線一致，可以考慮使用單失諧回路斜率鑒頻電路。調(diào)頻波是一個(gè)頻率隨調(diào)制信號(hào)變化而變化的等幅波，如果能把頻率的變化通過振幅的變化反映出來(而且成正比例關(guān)系)，那么就可以用振幅包絡(luò)檢波電路把振幅的包絡(luò)取下來，得到所需要的調(diào)制信號(hào)。原理框圖如圖4所示。

圖4 單失諧回路斜率鑒頻電路原理框圖

頻幅變換是一個(gè)以LC并聯(lián)諧振回路作負(fù)載的調(diào)諧放大器，其回路的諧振頻率不是調(diào)諧在輸入調(diào)頻信號(hào)的中心頻率Fc上，而是高于或低于Fc，因此稱之為失諧回路，其幅頻特性曲線如圖5（a）所示，其特性與氦光泵探頭光敏元件輸出的幅頻特性曲線一致。調(diào)幅信號(hào)再經(jīng)過包絡(luò)檢波就可以得到需要的低頻調(diào)制信號(hào)，其波形變換如圖5（b）所示。射頻調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過前端的LC并聯(lián)諧振放大后，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)幅信號(hào)，再經(jīng)過兩個(gè)二極管包絡(luò)檢波后，輸出一個(gè)基頻信號(hào)（在諧振點(diǎn)處，輸出二倍頻信號(hào)）到信號(hào)處理器，電路原理圖如圖6所示。

圖5 波形變換原理圖

圖6 氦光泵測(cè)試探頭電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用Tektronix-TDS2022示波器及磁力儀信號(hào)處理器對(duì)測(cè)試探頭進(jìn)行測(cè)試得到圖7所示的幅頻特性曲線，其中（a）為基頻信號(hào)的幅頻特性曲線，（b）為二倍頻幅頻特性曲線?？梢钥闯鰷y(cè)試探頭的基頻和二倍頻的幅頻特性曲線與氦光泵探頭的曲線相一致。圖8為共振區(qū)外的基頻和二倍頻信號(hào)，其幅度近似為零。圖9為共振點(diǎn)處的基頻和二倍頻信號(hào)，二倍頻經(jīng)過信號(hào)處理器放大后的信號(hào)有效值幅度有11.3 V，此時(shí)的二倍頻信號(hào)幅度最大。圖10為共振區(qū)內(nèi)斜率最大處的基頻和二倍頻信號(hào)，基頻信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理器放大后的信號(hào)有效值幅度有8.47 V，此時(shí)的基頻信號(hào)幅度最大。

圖7 測(cè)試探頭的幅頻特性曲線

圖8 共振區(qū)外的基頻和二倍頻信號(hào)

圖9 共振點(diǎn)

圖10 共振區(qū)內(nèi)斜率最大處

4 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氦光泵測(cè)試探頭的基頻和二倍頻的幅頻特性曲線與氦光泵探頭的曲線一致，所以本文設(shè)計(jì)的氦光泵測(cè)試探頭能夠模擬實(shí)際的氦光泵探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)拉莫爾調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)和共振信號(hào)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)整個(gè)磁力儀系統(tǒng)的跟蹤。在沒有氦光泵探頭的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁力儀系統(tǒng)（除光泵探頭外）的調(diào)試?？梢栽谂懦饨绱艌?chǎng)干擾和氦光泵探頭本身的光噪聲及電噪聲的情況下，完成對(duì)信號(hào)處理電路部分的噪聲測(cè)試。在磁力儀發(fā)生故障時(shí)，也可以作為磁力儀系統(tǒng)的故障檢測(cè)設(shè)備，對(duì)磁力儀的故障位置進(jìn)行定位。

本文設(shè)計(jì)的氦光泵測(cè)試探頭在共振區(qū)內(nèi)的線性度不是很好，且其跟蹤點(diǎn)是固定不可調(diào)的。在以后的工作中，可以考慮采用數(shù)字式的氦光泵測(cè)試探頭，其具有較好的線性度，且跟蹤點(diǎn)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

[1]張振宇,程德福.氦光泵磁力儀信號(hào)的分析與檢測(cè)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32(12):2.

[2]胡靜.光電二極管的工作原理及應(yīng)用特性分析[J]．貴州科技工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,1(1):1.