基于鎖相放大原理的磁電傳感信號放大器

宋思宇，于向前，陳鴻飛，余中輝,董蜀湘

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100871；2.北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系，北京 100871)

0 引言

磁場在空間環(huán)境研究中具有非常重要的意義[1]。近地空間的磁場由2部分疊加，一部分是地球內(nèi)部產(chǎn)生的固有磁場，另一部分是空間環(huán)境中的擾動磁場，擾動磁場受到太陽產(chǎn)生的行星際磁場和太陽風(fēng)動壓的控制[2]。比如在磁暴期間，高能粒子的注入使得環(huán)電流中粒子通量增強，導(dǎo)致近地軌道上磁場強度減小。

地球磁層中存在不同頻率的磁場波動，其頻率范圍在1 mHz～10 Hz之間變化，這些波動提供了磁層動力學(xué)過程中的關(guān)鍵信息[1]。通常將波動用Pc1～Pc5來表示，包括波-粒子相互作用(主要是Pc1和Pc2)和太陽風(fēng)活動(主要是Pc3～Pc5)，各類波動的頻率和幅度均有差異[1]。

在空間磁場探測中，磁通門磁強計和氦磁力儀具有高測量精度和高可靠性的優(yōu)勢，但它們的缺點是制造成本高和尺寸大?？茖W(xué)界對在衛(wèi)星上搭載磁強計進行空間磁場探測的需求越來越大，對更便宜、輕便的空間磁場探測儀器的需求也越來越迫切[1]。商用磁強計在質(zhì)量和體積等方面都具有優(yōu)勢[4]，但是噪聲水平等性能限制了它們在空間磁場探測中的應(yīng)用。最近，文獻[5-6]研制了基于低成本商用磁場傳感器的矢量磁強計，該磁強計在DC到10 Hz波段的分辨率優(yōu)于3 nT，符合空間磁場探測需求，顯示出商用磁場傳感器在空間科學(xué)方面的應(yīng)用潛力。

縱向-橫向(L-T)模式磁電復(fù)合材料在外磁場的作用下能夠產(chǎn)生電極化效應(yīng)[7]，電極化率正比于外磁場大小。通過電極化效應(yīng)，磁電復(fù)合材料能夠?qū)⒋判盘栟D(zhuǎn)化為電信號。L-T模式磁電復(fù)合材料有著廣闊的應(yīng)用前景，其中最為典型的應(yīng)用就是制作磁電傳感器。北京大學(xué)工學(xué)院董蜀湘團隊基于L-T模式磁電復(fù)合材料制作的磁電傳感器，其產(chǎn)生的電信號強弱正比于環(huán)境中的磁場[8-9]。這種磁電傳感器可以作為未來磁場探測儀器的核心部件，搭載在衛(wèi)星上實現(xiàn)對空間磁場的測量。

由于磁電傳感器的輸出信號較為微弱，且伴隨著一定的噪聲干擾，不能直接進行采集。為了解決該問題，設(shè)計了基于鎖相放大原理的磁電傳感信號放大器(以下簡稱“MSSA”)，能夠?qū)⒋烹妭鞲衅鬏敵鲂盘枏脑肼曋刑崛〔⒎糯?，從而實現(xiàn)對磁場的測量。

1 MSSA工作原理

磁電材料通過磁電效應(yīng)將磁場H和電場E直接或間接地耦合起來。1972年，文獻[10]提出復(fù)合材料的性能乘積概念，拉開了磁電復(fù)合材料研究的序幕。磁電復(fù)合材料一般以力場為媒介將磁和電耦合起來，即用磁致伸縮材料和壓電材料復(fù)合，通過兩相之間的應(yīng)力應(yīng)變傳遞，實現(xiàn)復(fù)合材料的磁性能和電性能的耦合。

2003年，董蜀湘等[11-14]根據(jù)磁致伸縮相的磁化方向和壓電相的極化方向，系統(tǒng)研究了磁電層狀復(fù)合材料的4種工作模式：縱磁化-縱極化(L-L)、縱磁化-橫極化(L-T)、橫磁化-縱極化(T-L)和橫磁化-橫極化(T-T)。其中字母代表磁性相的磁化方向和壓電相的極化方向，縱向指的是長度方向，橫向指的是厚度方向,工作模式如圖1所示[13]。圖中，M為磁致伸縮層，P為壓電層。

L-L模式的磁電層狀復(fù)合材料在理論上有最好的磁電電壓耦合性能，但L-T模式磁電層狀復(fù)合材料制備工藝簡單、性能優(yōu)良，擁有更為廣闊的應(yīng)用前景[7]。董蜀湘團隊致力于L-T模式的磁電層狀復(fù)合材料的應(yīng)用研究,已成功制作出L-T層狀磁電復(fù)合材料，可用來探測直流磁場和低頻交流磁場[15]。

為了提取磁電傳感器的信號并降低噪聲干擾，MSSA采用鎖相放大器對磁電傳感信號進行提取和放大。鎖相放大器利用和待測信號具有相同頻率的參考信號作為比較基準，只對待測信號本身和與參考信號同頻的噪聲分量有響應(yīng)，能夠大幅度抑制無用噪聲，提高測量精度[16]。此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是弱信號檢測的一種有效方法[17-18]。

鎖相放大器包含前置放大電路、延時電路(相當于移相器)、相敏檢波電路(相當于乘法器)、低通濾波電路(相當于積分器)和后置放大電路[19]，其內(nèi)部框架圖如圖2所示。

待測信號為f1，參考信號為f2，可分別表示為：

f1(t)=V1cos(w1t+φ1)

(1)

f2(t)=V2cos(w2t+φ2)

(2)

式中：V1為f1峰值，V；w1為f1頻率，Hz；φ1為f1初始相位，(°)；V2為f2峰值，V；w2為f2為頻率，Hz；φ2為f2初始相位，(°)；t為時間，s。

相敏檢波電路能將待測信號與參考信號相乘，經(jīng)過相敏檢波電路后的信號為S12，可表示為

S12(t)=V1V2cos(w1t+φ1)·cos(w2t+φ2)

(3)

由式(3)可知，輸出信號包含交流分量和直流分量，輸出信號接入低通濾波器，低通濾波器能將輸出信號積分后取平均值輸出，經(jīng)過積分器后的信號為R12，可表示為

(4)

式中T為信號周期，s。

由式(4)可知，在待測信號f1和參考信號f2信號頻率不相同的情況下，經(jīng)過積分后的信號為零，當且僅當兩者頻率相等，即w1=w2時，積分器才有信號輸出。

(5)

由式(5)可知，當待測信號f1與參考信號f2頻率相等時，積分器的輸出信號與待測信號幅度V1成正比。同時輸出信號也和兩者的初始相位差有關(guān)，當待測信號f1和參考信號f2同相時，輸出信號達到最大值，而當相位差為90°時，輸出信號變?yōu)榱恪?/p>

由上面的推導(dǎo)可知，當待測信號與參考信號同頻同相時，鎖相放大器能夠從噪聲中提取出待測信號，除了與參考信號同頻的噪聲，其余噪聲均被過濾[20-21]。

2 MSSA電路結(jié)構(gòu)

MSSA由激勵電路、磁電傳感器和鎖相放大器構(gòu)成，共包含3路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

磁電傳感器需要在一定頻率的激勵信號驅(qū)動下才能工作，其輸出信號大小正比于外磁場強弱[2]。磁電傳感器的輸出信號經(jīng)過鎖相放大器，再傳送至A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，CPU控制數(shù)字信號使其通過通訊接口傳輸?shù)缴衔粰C。

2.1 激勵電路

激勵電路的作用是產(chǎn)生正弦波激勵信號，激勵信號源不僅為磁電傳感器提供驅(qū)動，也為鎖相放大器提供參考信號。

激勵電路以ICL8038芯片為核心，ICL8038是具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，可以產(chǎn)生方波、三角波和正弦波。激勵電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示，ICL8038芯片可以通過外接電阻和電容調(diào)節(jié)輸出正弦波的頻率、幅度以及占空比，同時防止正弦波失真。ICL8038既可采用單電源供電，也可以采用雙電源供電。圖中激勵電路采用+12 V單電源供電。

2.2 磁電傳感器

磁電傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示，傳感器設(shè)計為差分結(jié)構(gòu)，使其在沒有磁場作用時輸出為零。當存在外界磁場時，產(chǎn)生的信號強度為單端結(jié)構(gòu)的2倍[22]。

磁電傳感器的工作模式：首先將磁電傳感器置于待測磁場環(huán)境中，將激勵電路信號通過線圈加載在磁芯上。然后將傳感器的信號進行差分放大，輸出到鎖相放大器電路中。當傳感器頻率處在諧振點上時，輸出信號最大。

磁電傳感器實物及其封裝結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示，磁電傳感器為長條形，采用金屬圓筒封裝，通過DB9接口連接到MSSA。

2.3 鎖相放大器

2.3.1 前置放大電路

由于磁電傳感器輸出信號較微弱，在信號進行鎖相放大前，需要設(shè)置前置放大電路，前置放大電路使用的OPA627為場效應(yīng)管差分輸入放大器，具有噪聲低、輸入失調(diào)電壓低的特點。前置放大電路的結(jié)構(gòu)如圖8所示，芯片采用±5 V電壓供電，電路放大倍數(shù)為10，信號從IN-端口輸入，OUT端口輸出，輸出端口連接相敏檢波電路。

2.3.2 相敏檢波電路

相敏檢波電路使用的AD630是高精度、低溫漂的平衡調(diào)制器。該芯片的應(yīng)用范圍較廣，例如平衡調(diào)制解調(diào)、相敏檢測、同步檢波、鎖相放大等。AD630具有非常好的信噪抑制比，頻道帶寬為5 MHz，通道失調(diào)電壓僅為100 μV。這些特點可以保障電路的對稱程度以及對微小信號的檢測精度。

相敏檢波電路等效于乘法器，能夠?qū)⒖夹盘柵c待測信號相乘，只有當參考信號與待測信號頻率相同時，輸出信號中才包含直流分量，直流分量正比于待測信號強度，也正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，相敏檢波電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，采用±5 V電壓供電，待測信號由VS+端口輸入，參考信號由SELB端口輸入，信號由OUTPUT端口輸出，輸出端口連接低通濾波電路。

2.3.3 低通濾波電路

經(jīng)過相敏檢波電路后，輸出信號包含交流分量和直流分量，需要經(jīng)過低通濾波電路過濾交流分量。低通濾波電路采用的NE5532是雙通道、高性能低噪聲的運算放大器。NE5532具有非常好的噪聲性能和驅(qū)動能力，供電電壓范圍大，適合作為信號的濾波器或者移相器。該芯片為雙通道芯片，可以組成多階濾波電路。

利用NE5532組成了四階低通濾波電路，可以有效提取出直流信號。低通濾波電路結(jié)構(gòu)如圖10所示，采用±5 V電壓供電，信號從1IN+端口輸入，2OUT端口輸出。

2.3.4 后置放大電路

經(jīng)過低通濾波電路提取出直流信號后，需要通過后置放大電路對直流信號再次放大，后置放大電路采用的TL082為雙通道芯片，可以構(gòu)成二級放大電路，后置放大電路結(jié)構(gòu)如圖11所示，采用±5 V電壓供電，信號從1IN+端口輸入，2OUT端口輸出。

3 MSSA電路仿真

為了驗證MSSA工作原理，本文采用Multisim軟件繪制出電路結(jié)構(gòu)進行仿真，仿真電路結(jié)構(gòu)如圖12所示。在圖中a,b,c,d處設(shè)置探針，a測量經(jīng)過前置放大器放大后的待測信號f1(t)，b測量參考信號f2(t)，c測量經(jīng)過相敏檢波電路后的信號，d測量經(jīng)過低通濾波電路的信號。

3.1 待測信號與參考信號相位差為0°

當待測信號f1(t)與參考信號f2(t)頻率相同，相位差為0°時，仿真結(jié)果如圖13所示。仿真結(jié)果表明，同頻同相的待測信號和參考信號經(jīng)過相敏檢波電路后，輸出信號包含二次諧波分量和直流分量，經(jīng)過低通濾波器后，只有直流分量得以保留。

3.2 待測信號與參考信號相位差為90°

當待測信號f1(t)與參考信號f2(t)頻率相同，相位差為90°時，仿真結(jié)果如圖14所示，相敏檢波電路輸出信號僅包含二次諧波分量，經(jīng)過低通濾波器后，輸出信號為零。

3.3 待測信號帶噪聲

當待測信號與參考信號同頻同相，且待測信號中混有噪聲時，仿真結(jié)果如圖15所示，相敏檢波電路輸出信號經(jīng)過低通濾波器后，可將輸出信號中的直流分量提取出來，過濾掉噪聲。

3.4 輸出信號與輸入信號曲線

當待測信號與參考信號同頻同相時，改變待測信號的幅度，觀察輸出信號的幅度變化，仿真結(jié)果如圖16所示，由圖16可知，MSSA的測量線性區(qū)間約為0～130 mV。

3.5 頻率響應(yīng)曲線

將參考信號頻率固定為23 kHz，調(diào)節(jié)待測信號的頻率，測得MSSA輸出信號變化如圖17所示，由圖17可知，MSSA帶寬約為2 kHz。

由以上仿真結(jié)果可知，MSSA工作原理是有效的。在電路設(shè)計時，使待測信號與參考信號的頻率與相位保持一致，此時MSSA的輸出信號達到最大值。

4 MSSA磁場測量實驗

4.1 實驗環(huán)境與儀器

為了驗證MSSA的性能，需要進行磁場測量實驗，實驗采用亥姆霍茲線圈來提供待測磁場。亥姆霍茲線圈可以制造小范圍均勻磁場，將磁電傳感器置入線圈之中。

由于實驗室靠近地鐵站，磁場擾動較大，需要將亥姆霍茲線圈和磁電傳感器固定在磁屏蔽室里，避免外界磁場的干擾。圖18為亥姆霍茲線圈和磁屏蔽室。

實驗中，用KEITHLEY-6221A精密電流源激勵亥姆霍茲線圈，為實驗提供待測磁場。用激勵信號源輸出的信號驅(qū)動磁電傳感器。實驗中可通過調(diào)節(jié)電流大小和頻率來改變待測磁場的強弱和頻率。

4.2 實驗內(nèi)容與步驟

實驗內(nèi)容包括環(huán)境噪聲測量、諧振頻率測量、直流磁場測量、交流磁場測量。

(1)搭建好實驗環(huán)境，如圖19所示。將磁電傳感器和亥姆霍茲線圈置于磁屏蔽室內(nèi)，將電流源與亥姆霍茲線圈連接，磁電傳感器與MSSA連接，MSSA輸出信號由數(shù)字萬用表或者數(shù)字示波器采集并傳輸?shù)接嬎銠C。

(2)測量環(huán)境噪聲。方便后續(xù)實驗排除磁場擾動對測量結(jié)果的干擾。

(3)測量諧振頻率。調(diào)整激勵源信號頻率，輸出信號最大值對應(yīng)頻率即為諧振頻率。

(4)測量直流磁場。將電流源輸出調(diào)為直流模式，改變磁場大小和方向，測量MSSA輸出信號并采集到計算機。

(5)測量交流磁場：將電流源輸出調(diào)為交流模式，測量MSSA輸出信號并采集到計算機。

4.3 環(huán)境噪聲測量

連接好電路后，將電流源輸入調(diào)整為零，用數(shù)字示波器測量MSSA輸出信號，測得磁屏蔽室內(nèi)磁場擾動約為5 nT。

4.4 諧振頻率測量

連接好電路后，將電流源輸出電流設(shè)置為直流，固定電流大小，改變激勵信號頻率，測量MSSA輸出信號隨頻率的變化，實驗結(jié)果如圖20所示。由實驗結(jié)果可知，MSSA的諧振頻率約為23.0 kHz。

4.5 直流磁場測量

保持電流源輸出電流為直流，使亥姆霍茲線圈產(chǎn)生直流磁場，通過改變電流大小調(diào)節(jié)磁場強弱，測得MSSA輸出信號隨磁場的變化如圖21所示。

KEITHLEY-6221A電流源的輸出電流范圍為-105～105 mA，每1 mA電流對應(yīng)157 nT磁場，故模擬實驗測量的磁場范圍為-16.485～16.485 μT。實驗結(jié)果表明，在測量的磁場范圍內(nèi)，輸出信號強弱與磁場大小成線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達0.997 5，故MSSA能夠?qū)崿F(xiàn)對直流磁場的測量。

實驗結(jié)果表明，MSSA直流磁場靈敏度為3×10-4V/nT，分辨率約為0.3 nT,磁場量程大于±16.485 μT。

4.6 交流磁場測量

將電流源的輸出電流設(shè)置為交流，頻率為10 Hz,使亥姆霍茲線圈產(chǎn)生頻率為10 Hz的交流磁場。固定電流大小，測得MSSA輸出信號如圖22所示，輸出信號頻率與磁場頻率相同。

實驗結(jié)果表明，在DC～10 Hz的范圍內(nèi)，MSSA能夠?qū)崿F(xiàn)對直流磁場和交流磁場的測量，量程、分辨率、靈敏度和頻率均能滿足空間磁場探測的需求。

5 結(jié)束語

基于L-T模式磁電復(fù)合材料制作的磁電傳感器，可以將外界磁場轉(zhuǎn)化為電信號，且制備工藝簡單、性能優(yōu)良，這種磁電傳感器可以作為未來磁場探測儀器的核心部件，可搭載在衛(wèi)星上實現(xiàn)對空間磁場的測量。

為了從噪聲中提取并放大磁電傳感器信號，本文設(shè)計了基于鎖相放大原理的磁電傳感信號放大器(MSSA)，介紹了MSSA的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，利用Multisim軟件進行了電路仿真分析，仿真結(jié)果表明，MSSA工作原理是有效的。當待測信號與參考信號同頻同相時，MSSA輸出信號達到最大值。

本文利用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場對MSSA進行了磁場測量實驗，實驗結(jié)果表明，MSSA磁場量程大于±16.485 μT，測量直流磁場靈敏度為3×10-4V/nT，分辨率為0.3 nT，能測量DC～10 Hz的磁場，能滿足空間磁場的測量需求。