基于原子磁力儀的高精度電流傳感器

王維東，李國祝，梁尚清，辛 青，楊國卿，王曰海，李紹良，趙萬良

(1.浙江大學(xué)，浙江杭州 310027；2.杭州電子科技大學(xué)，浙江杭州 310018；3.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

核磁共振陀螺通過對磁場中核自旋進動頻率的精密測量實現(xiàn)角速度精密測量，因此磁場的精度和穩(wěn)定性對核磁共振陀螺而言極其重要。電流源通常通過反饋控制實現(xiàn)高精度，則高精度電流測量對電流的精確控制具有重要意義。此外，電流傳感器在其他行業(yè)中同樣有著重要的應(yīng)用，比如：汽車電源管理、太陽能電池系統(tǒng)、智能電網(wǎng)以及其他需要非接觸式精確的電流測量的應(yīng)用行業(yè)等[1]。電流傳感器在國內(nèi)外有著不同程度的發(fā)展，其種類繁多，非接觸式的電流傳感器包括羅氏線圈電流傳感器、霍爾效應(yīng)電流傳感器、光纖電流傳感器、磁致電阻(AMR、GMR、TMR、CMR等)電流傳感器等，在各方面都有著各自的優(yōu)點與不足。

羅氏線圈電流傳感器和霍爾電流傳感器屬于比較傳統(tǒng)的電流傳感器，它們的靈敏度普遍較低，線性度在0.05%～1%之間[2-3]，新型的電流傳感器包括基于法拉第磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器以及基于巨磁阻效應(yīng)的GMR電流傳感器，它們具有非常高的靈敏度，光纖式的線性度為0.2%，GMR電流傳感器線性度在0.001%～0.05%之間[4-7]。

從以上可以看出，對于精密探測領(lǐng)域，現(xiàn)存電流傳感器都有著共同的缺點就是線性度不夠高，另外，光纖電流傳感器還有著易老化的現(xiàn)象存在。對此而言，基于光泵原子磁力儀的電流傳感器很好地解決了這些問題，它不僅有非常高的線性度和靈敏度，并且還具有抗電磁干擾能力強、運行能耗小、成本低的優(yōu)點。目前，國內(nèi)外基于光學(xué)原子方面的電流傳感器發(fā)展空間很大，所以在精密測量領(lǐng)域，它有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 電流傳感器的設(shè)計與分析

原子在沒有受到激發(fā)的正常狀態(tài)下處于最低能級，電子也在離核最近的軌道上運動，這是最穩(wěn)定的基態(tài)。當處于基態(tài)的粒子受到激光的激發(fā)，如果激光的頻率能量恰好等于原子的能級差產(chǎn)生共振吸收，部分原子獲得能量從穩(wěn)定的低能級躍遷到不穩(wěn)定的高能級。而受到激發(fā)處于高能級的粒子，會釋放能量，自發(fā)躍遷回到最穩(wěn)定的基態(tài)。

實驗的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括激光器、磁屏蔽筒、銫原子氣室、光電探測器、精密電流源和螺線管，光路部分沒有進行展示。本節(jié)將對實驗結(jié)構(gòu)中各個部分的作用以及工作流程進行介紹，并對電流傳感器的核心部分光泵原子磁力儀的工作原理進行概述，闡述一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計參數(shù)。

圖1 實驗結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

光泵原子磁力儀的測量原理是以塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)，結(jié)合光泵浦作用和磁共振技術(shù)使其可以對磁場精確測量。本文的磁力儀就是利用激光泵浦，銫原子氣室放置于激光的傳播方向上，同時加入垂直于該方向的射頻場，從而實現(xiàn)磁共振作用[8-11]。整個磁力儀系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光泵原子磁力儀系統(tǒng)框圖

當原子處于不同的躍遷狀態(tài)時，對泵浦光的吸收狀態(tài)不同，則探測到的透射光強也不同，當射頻場的頻率完全等于塞曼子能級差時，對泵浦光的吸收最強，透過的光最弱。因此通過透射光強就可以確定射頻場頻率，根據(jù)公式ω=γ·B可以測出引起亞穩(wěn)態(tài)塞曼能級頻移的磁場值[12]。其中，ω為旋進頻率，γ為旋磁比(常數(shù))，B為磁場值。因為原子能級躍遷受溫度等其他因素的影響比較小，所以原子磁力儀可以精確地測量磁場值B。

在磁屏蔽筒內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁場與流過的電流成正比關(guān)系，從磁場的精確測量值，就可以得到相應(yīng)的電流精確值。

2 實驗設(shè)計

電流傳感器的磁場產(chǎn)生設(shè)備為直徑15 cm，長50 cm，匝數(shù)43匝的螺線管，理論產(chǎn)生磁場的精度為108 nT/mA，并使用ANSYS有限元仿真軟件對螺線管的內(nèi)部磁場進行建模仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 螺線管仿真內(nèi)部磁場分布云圖

從其仿真結(jié)果中可以看出，螺線管的磁場均勻區(qū)位于螺線管的中心部位，所以將磁敏感器件銫原子氣室放置于螺線管的中心部位，為降低外界的干擾，把兩者均放置于磁屏蔽筒中。

另外，光泵原子磁力儀的磁場測量范圍為100 μT以內(nèi)，根據(jù)螺線管的磁場產(chǎn)生情況選擇0.5～750 mA的電流測量范圍，電源提供設(shè)備選擇精密電流源B2962A，這是一款6.5位電壓/電流源，分辨率可達100 nV/10 fA，噪聲低至10 μV，基本滿足實驗所需[13]。光電探測器用來探測激光的透射光強，通過磁場與原子的作用規(guī)律，從而可以計算出螺線管產(chǎn)生的磁場值。

3 實驗結(jié)果與分析

本次實驗對測量范圍內(nèi)的19組電流數(shù)據(jù)進行測量，試驗測量參數(shù)包括：電流實際值、電流計算值、誤差率、線性度。電流測量設(shè)備為一款8.5位的電流表，電流計算值與磁感應(yīng)強度計算值結(jié)果如圖4所示。

圖4 電流計算值與磁感應(yīng)強度曲線

對基于光泵原子磁力儀的電流傳感器的測量數(shù)據(jù)進行線性計算[14]，得到的線性度曲線如圖5所示，線性度變化曲線如圖6所示，可以得到基于光泵原子磁力儀的電流傳感器的最高線性度為0.000 010 657 8%，最低線性度為0.003 740 219 3%。相對誤差和絕對誤差變化曲線如圖7、圖8所示，完全符合測量系統(tǒng)的的誤差變化規(guī)律。

圖5 實驗數(shù)據(jù)曲線

圖6 線性度變化曲線

圖7 相對誤差變化曲線

圖8 絕對誤差變化曲線

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，基于光泵原子磁力儀的電流傳感器的線性度對比其他電流傳感器非常突出。另外，實驗所用的精密電流源B2962A存在一定程度的漂移現(xiàn)象，所以會對實驗數(shù)據(jù)的精確度造成一定的影響。

4 結(jié)束語

本文對基于光泵原子磁力儀的電流傳感器進行了研究，這種新型的電流傳感器，具有極高的線性度，實驗中測量到的線性度最高可達到0.000 01%。并且實驗過程中還存在其他干擾影響，比如溫度、濕度、電流源設(shè)備的漂移現(xiàn)象等都會對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，能達到這樣高的測量線性度已足以可見其突出的性能?；诠獗迷哟帕x的電流傳感器相對于其他電流傳感器有著突出的優(yōu)點，在精密測量領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅V泛的應(yīng)用前景。