小型SERF原子磁力計控制與信號檢測電路設(shè)計

張明康，陳春巧，馮曉宇，郭清乾2,,4，姚澤坤,王 青，吳中毅2,，胡 濤2,，常 嚴2,，楊曉冬,4

(1.長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長春 130022；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，江蘇蘇州 215163；3.季華實驗室，廣東佛山 528200；4.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院(蘇州)，安徽合肥 230026)

0 引言

極弱磁信號(fT量級)探測技術(shù)是目前靈敏度最高的磁場檢測手段，其在生物磁信號探測、地質(zhì)勘探、基礎(chǔ)物理慣性測量、超低場核磁共振測量等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。傳統(tǒng)極弱磁信號探測主要采用超導(dǎo)量子干涉儀(superconducting quantum interference device，SQUID)。由于SQUID傳感器必須處于液氦環(huán)境中才能工作，導(dǎo)致基于SQUID的弱磁探測設(shè)備售價非常昂貴，同時液氦消耗也會造成運維成本的大幅度提高。此外，由于傳感器需要處于液氦杜瓦中，SQUID設(shè)備往往十分龐大笨重。上述問題限制了SQUID技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域中的大范圍應(yīng)用。

1 小型SERF原子磁力計裝置及原理

本文小型SERF原子磁力計裝置采用單泵浦光零場共振檢測原理，與傳統(tǒng)的泵浦-探測雙光路SERF原子磁力計相比，該方法可簡化探頭光路結(jié)構(gòu)，更利于探頭小型化。同時在測量軸方向加入調(diào)制磁場，可實現(xiàn)磁場探測，且可有效抑制低頻噪聲。根據(jù)該測量方法，小型SERF原子磁力計探頭設(shè)計如圖 1所示，整體尺寸為19 mm×19 mm×30 mm。探頭采用銣原子氣室，尺寸為4 mm×4 mm×4 mm，內(nèi)部填充700 Torr氮氣作為淬滅氣體和緩沖氣體；795 nm泵浦激光通過光纖耦合的方式輸入，可避免激光器帶來的干擾，同時縮小探頭空間尺寸；探頭內(nèi)部包含必要的小型光學(xué)元件：準直透鏡、偏振片、反射鏡、1/4波片、窗口片，用于產(chǎn)生圓偏振光；氣室采用無磁加熱片進行高頻電加熱，并在四周包裹氣凝膠進行隔熱處理，氣室邊緣放置熱電偶檢測加熱溫度；三軸補償/調(diào)制線圈包裹在探頭外殼表面。探頭整體外殼和內(nèi)部零部件采用耐高溫、隔熱性能好的材料，利用高精度(誤差<0.1 mm)3D打印或者機械加工固定卡槽放置光學(xué)元件，保證光學(xué)元件不晃動；其他部件采用模塊化一體設(shè)計，使得各部件之間更加緊湊；此外所有部件都進行限位處理，使得裝配集成更加穩(wěn)定。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)與實物圖

原子磁力計需要將氣室加熱至高溫，使得內(nèi)部堿金屬蒸汽原子數(shù)密度達到1013～1014cm-3，并處于磁屏蔽近零場環(huán)境下(<5 nT)才能處于SERF態(tài)。在泵浦光作用下，堿金屬原子自旋極化可以用Bloch方程進行表示[21]：

(1)

式中：P為原子極化強度；γe為電子旋磁比；B為外界磁場；z軸為泵浦光方向；q為核減緩因子；Rop為光泵浦速率；Rrel為總弛豫速率。

當在垂直于泵浦光方向施加磁場強度為Bm，頻率為ωm的調(diào)制磁場，且原子磁力計處于近零場環(huán)境下，沿泵浦光方向極化含有ωm頻率的諧波分量，其一階諧波可表示為[22]

(2)

式中：J0(M)、J1(M)為貝塞爾函數(shù)；M=γeBm/(qωm)；Γ2為橫向弛豫速率；B0為調(diào)制磁場方向上的外界磁場分量。

光電二極管輸出信號正比于Pz，經(jīng)鎖相解調(diào)放大以后即可獲取調(diào)制磁場方向上的測量磁場。

2 小型SERF原子磁力計后端電子學(xué)設(shè)計

為使原子磁力計處于穩(wěn)定的SERF態(tài)，需要精確的溫度控制來保證堿金屬蒸汽原子數(shù)密度和近乎零磁場環(huán)境。同時由于測量的磁信號極其微弱，環(huán)境實時變化且存在磁場干擾，加上系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲，增加了精確測量的難度。針對這些問題，本文后端電子學(xué)系統(tǒng)的功能框圖和硬件框圖設(shè)計如圖 2所示，整個系統(tǒng)基于FPGA(XC7Z020-2CLG400I)實現(xiàn)，主要功能模塊包括溫度控制(數(shù)字化PID控制、熱電偶溫度采集、氣室加熱電路)、鎖相放大與閉環(huán)測量(高精度數(shù)字信號源、數(shù)字化鎖相放大器、數(shù)字化PI控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路)。最終實現(xiàn)氣室加熱及溫度控制功能，微弱信號鎖相放大及閉環(huán)測量采集功能。

圖2 功能框圖與硬件框圖

2.1 氣室加熱及溫度控制

溫度控制模塊整體框圖如圖3所示，由氣室加熱及溫度控制電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)芯片、直接頻率合成(DDS)芯片、電壓放大、功率放大、T型熱電偶以及無磁加熱片組成。

圖3 氣室加熱及溫度控制整體框圖

氣室的溫度由T型熱電偶測得，熱電偶電壓經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在FPGA內(nèi)部利用多項式擬合方式實現(xiàn)熱電偶電壓至溫度的轉(zhuǎn)換。為實現(xiàn)探頭氣室加熱及溫度控制，對應(yīng)設(shè)計了氣室加熱電路和PID控制算法。加熱部分采用高頻電加熱，避免產(chǎn)生直流偏置磁場和低頻噪聲。利用FPGA驅(qū)動DDS芯片產(chǎn)生20 kHz高頻正弦信號作為加熱信號，經(jīng)電壓放大以及功率放大后驅(qū)動無磁加熱片對氣室加熱。同時編寫PID控制算法，PID控制的核心公式為：

u(n)=u(n-1)+Δu(n)

(3)

Δu(n)=KpΔe(n)+Kie(n)+KdΔΔe(n)

(4)

式中：e(n)=r(n)-c(n)；Δe(n)=e(n)-e(n-1)；ΔΔe(n)=Δe(n)-Δe(n-1)；r(n)為溫度設(shè)定值；c(n)為溫度測量值。

使用非阻塞語句以及乘法器和加法器實現(xiàn)式(3)、式(4)的計算，得到結(jié)果u(n)，u(n)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為電壓信號并控制加熱信號電壓放大倍數(shù)以達到控制功率的作用。

溫度采集部分采用T型熱電偶作為氣室溫度采集的傳感器，并使用ADS1220作為熱電偶電壓采集芯片。ADS1220集成了可編程增益放大器，增益范圍為1～128倍可調(diào)，采樣率為20～2000 SPS可調(diào)，且內(nèi)部已集成溫度傳感器作為熱電偶冷端補償。并在熱電偶與ADC模擬輸入端之間使用一階無源RC濾波器，起到衰減信號中的高頻噪聲作用。具體電路圖見圖4。

圖4 氣室溫度采集電路

加熱部分電路如圖5所示，使用DDS芯片AD9837產(chǎn)生20 kHz正弦波信號作為源信號，探頭中無磁加熱片的阻抗為50 Ω，加熱片的最大功率為10 W。由此得出電壓有效值為22.36 V，電流有效值為0.447 A，采用正弦波作為加熱信號，所以需設(shè)定正弦波的幅值為0～31.6 V，綜上選擇電流反饋放大器LT1210作為加熱片的驅(qū)動芯片。對于加熱信號的幅度控制，采取ADC芯片AD5541與可變增益放大器AD605組合實現(xiàn)加熱信號的幅度控制。

圖5 加熱片驅(qū)動電路

2.2 微弱信號鎖相放大及閉環(huán)測量

小型原子磁力計探頭信號實際來自于光電二極管，因此需首先設(shè)計低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路，本文選用跨阻放大電路實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換?？缱璺糯箅娐芬妶D6，光電二極管反向偏置電壓為0 V，使光電二極管工作在光伏模式下，此時具有最小的噪聲水平，且光電二極管工作在最佳的線性度區(qū)域。其中R1=V/ID，V為運放的期望輸出電壓，ID為光電二極管電流。光電二極管等效電路如圖6中虛框所示，其中R2為分流電阻，其典型值為1 GΩ，C2為二極管電容與放大器輸入電容之和，C2≈70 pF。而C2存在會在頻率響應(yīng)中產(chǎn)生一個極點，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。故在電路的反饋回路中放置1個電容以確保系統(tǒng)穩(wěn)定并優(yōu)化信號帶寬。

圖6 跨阻放大電路

(5)

式中ft為放大器增益帶寬積。

在保證整體電路帶寬足夠的情況下，可適當增加ft以實現(xiàn)最平坦的頻率響應(yīng)。

原子磁力計信號的測量采用鎖相放大及閉環(huán)測量方案，鎖相放大檢測方案可有效抑制低頻1/f噪聲的影響。閉環(huán)測量可保證原子磁力計穩(wěn)定工作在零磁環(huán)境下，并且相比于開環(huán)測量，可有效提升系統(tǒng)帶寬和動態(tài)測量范圍。整體方案如圖7所示。探頭信號經(jīng)過跨阻放大后由ADC采樣為數(shù)字信號并輸入相敏檢波算法中進行信號解調(diào)，解調(diào)信號輸入到PI控制算法中，算法得到的反饋輸出經(jīng)DAC施加到三軸線圈上從而形成閉環(huán)。PI控制的參考值設(shè)為0，從而可保證閉環(huán)測量系統(tǒng)中解調(diào)輸出為0，即測量軸方向磁場鎖零，此時反饋輸出產(chǎn)生的磁場即為測量磁場。根據(jù)相敏檢波原理，需實現(xiàn)DDS模塊以產(chǎn)生參考信號與調(diào)制信號、乘法器模塊與低通濾波器模塊共同組成相敏檢波器。首先使用Verilog語言實現(xiàn)DDS模塊，產(chǎn)生兩路正弦信號，其中一路輸出給DAC作為調(diào)制信號，另一路作為參考信號在FPGA內(nèi)部與探頭信號相乘。兩路信號頻率相同，相位差可調(diào)。且兩路信號的頻率、相位差以及調(diào)制信號幅度均通過PC機來控制。使用軟件自帶IP核實現(xiàn)乘法器操作；所設(shè)計巴特沃斯低通濾波器具體參數(shù)設(shè)定如下：采樣率為100 kHz，通帶截止頻率為200 Hz，阻帶截止頻率為300 Hz，通帶紋波為0.01 dB，阻帶衰減為30 dB。在確定濾波器系數(shù)后，通過MATLAB進行驗證優(yōu)化，最后將系數(shù)16 bit量化后導(dǎo)入到已經(jīng)編寫完成的級聯(lián)IIR濾波器模塊中，實現(xiàn)低通濾波。

圖7 信號鎖相放大及閉環(huán)測量框圖

為滿足設(shè)計要求的多輸入通道，寬動態(tài)范圍等要求，采用的ADC芯片型號為AD7606，具體實現(xiàn)電路如圖 8所示，此芯片分辨率為16位，帶寬23 kHz，信噪比可達到95.5 dB，總諧波失真為-107 dB，最大采樣率為200 kSPS，支持SPI與并口兩種數(shù)據(jù)傳輸接口，積分非線性誤差(INL)為±0.5 LSB，差分非線性(DNL)為±0.5 LSB，8個模擬信號輸入，通過配置內(nèi)部寄存器可以設(shè)置輸入電壓范圍為±5 V、±10 V。

圖8 ADC電路

輸出DAC選用DAC8563，其分辨率為16位，模擬輸出帶寬為100 kHz，雙通道輸出，滿足產(chǎn)生1～10 kHz正弦波調(diào)制信號的參數(shù)要求，具體實現(xiàn)電路如圖9所示。

圖9 DAC電路

3 測試結(jié)果及分析

針對前述的氣室加熱及溫度控制功能，微弱信號鎖相放大及閉環(huán)控制采集功能分別進行實驗測試。

3.1 氣室加熱及溫度控制結(jié)果

本文實驗氣室加熱目標溫度分別設(shè)定為130、140、150、160 ℃，PID控制算法中，算法的時鐘頻率為5 kHz，對應(yīng)Kp、Ki、Kd系數(shù)分別為63、30、20。氣室溫度采集電路每1 s對溫度數(shù)據(jù)進行一次存儲，最終得到氣室溫度控制曲線如圖10所示?？梢钥闯鰪拈_始加熱至最終穩(wěn)定在設(shè)定溫度總用時10 min，控制精度為±0.2 ℃，滿足原子磁力計SERF態(tài)工作溫度需求。

圖10 氣室加熱及溫度控制結(jié)果

3.2 微弱信號鎖相放大及閉環(huán)測量結(jié)果

本文采取實驗測量小型原子磁力計靈敏度的方式來驗證微弱信號鎖相放大及閉環(huán)測量性能。將小型原子磁力計探頭置于由5層坡莫合金構(gòu)成的屏蔽筒中，屏蔽筒內(nèi)部剩磁小于1 nT，從而保證其工作在SERF態(tài)。探頭氣室加熱溫度設(shè)為135℃，調(diào)制磁場頻率為2.08 kHz，磁場幅值為124 nT，測量軸設(shè)置為y軸。PI控制算法中，P值設(shè)為0.5，I值為820 s-1。對于閉環(huán)測量系統(tǒng)，PI控制輸出產(chǎn)生的反饋磁場即為測量磁場。因此，小型原子磁力計靈敏度可表示如下：

(6)

圖11 小型原子磁力計靈敏度測量

4 結(jié)束語