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(yán)2,，楊曉冬,4

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)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(shí)驗(yàn)室，廣東佛山 528200；4.中國(guó)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(hào)(fT量級(jí))探測(cè)技術(shù)是目前靈敏度最高的磁場(chǎng)檢測(cè)手段，其在生物磁信號(hào)探測(cè)、地質(zhì)勘探、基礎(chǔ)物理慣性測(cè)量、超低場(chǎng)核磁共振測(cè)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(hào)探測(cè)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(cè)設(shè)備售價(jià)非常昂貴，同時(shí)液氦消耗也會(huì)造成運(yùn)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(wèn)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(jì)裝置及原理

本文小型SERF原子磁力計(jì)裝置采用單泵浦光零場(chǎng)共振檢測(cè)原理，與傳統(tǒng)的泵浦-探測(cè)雙光路SERF原子磁力計(jì)相比，該方法可簡(jiǎn)化探頭光路結(jié)構(gòu)，更利于探頭小型化。同時(shí)在測(cè)量軸方向加入調(diào)制磁場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)探測(cè)，且可有效抑制低頻噪聲。根據(jù)該測(cè)量方法，小型SERF原子磁力計(jì)探頭設(shè)計(jì)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?dú)庾鳛榇銣鐨怏w和緩沖氣體；795 nm泵浦激光通過(guò)光纖耦合的方式輸入，可避免激光器帶來(lái)的干擾，同時(shí)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(zhǔn)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(wú)磁加熱片進(jìn)行高頻電加熱，并在四周包裹氣凝膠進(jìn)行隔熱處理，氣室邊緣放置熱電偶檢測(cè)加熱溫度；三軸補(bǔ)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(jī)械加工固定卡槽放置光學(xué)元件，保證光學(xué)元件不晃動(dòng)；其他部件采用模塊化一體設(shè)計(jì)，使得各部件之間更加緊湊；此外所有部件都進(jìn)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(shí)物圖

原子磁力計(jì)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(dá)到1013～1014cm-3，并處于磁屏蔽近零場(chǎng)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(jìn)行表示[21]：

(1)

式中：P為原子極化強(qiáng)度；γe為電子旋磁比；B為外界磁場(chǎng)；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(dāng)在垂直于泵浦光方向施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為Bm，頻率為ωm的調(diào)制磁場(chǎng)，且原子磁力計(jì)處于近零場(chǎng)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(chǎng)方向上的外界磁場(chǎng)分量。

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

2 小型SERF原子磁力計(jì)后端電子學(xué)設(shè)計(jì)

為使原子磁力計(jì)處于穩(wěn)定的SERF態(tài)，需要精確的溫度控制來(lái)保證堿金屬蒸汽原子數(shù)密度和近乎零磁場(chǎng)環(huán)境。同時(shí)由于測(cè)量的磁信號(hào)極其微弱，環(huán)境實(shí)時(shí)變化且存在磁場(chǎng)干擾，加上系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲，增加了精確測(cè)量的難度。針對(duì)這些問(wèn)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(jì)如圖 2所示，整個(gè)系統(tǒng)基于FPGA(XC7Z020-2CLG400I)實(shí)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(cè)量(高精度數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)氣室加熱及溫度控制功能，微弱信號(hào)鎖相放大及閉環(huán)測(cè)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(wú)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(cè)得，熱電偶電壓經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在FPGA內(nèi)部利用多項(xiàng)式擬合方式實(shí)現(xiàn)熱電偶電壓至溫度的轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)探頭氣室加熱及溫度控制，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)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(chǎng)和低頻噪聲。利用FPGA驅(qū)動(dòng)DDS芯片產(chǎn)生20 kHz高頻正弦信號(hào)作為加熱信號(hào)，經(jīng)電壓放大以及功率放大后驅(qū)動(dòng)無(wú)磁加熱片對(duì)氣室加熱。同時(shí)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(cè)量值。

使用非阻塞語(yǔ)句以及乘法器和加法器實(shí)現(xiàn)式(3)、式(4)的計(jì)算，得到結(jié)果u(n)，u(n)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并控制加熱信號(hào)電壓放大倍數(shù)以達(dá)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(bǔ)償。并在熱電偶與ADC模擬輸入端之間使用一階無(wú)源RC濾波器，起到衰減信號(hào)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(hào)作為源信號(hào)，探頭中無(wú)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(hào)，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(dòng)芯片。對(duì)于加熱信號(hào)的幅度控制，采取ADC芯片AD5541與可變?cè)鲆娣糯笃鰽D605組合實(shí)現(xiàn)加熱信號(hào)的幅度控制。

圖5 加熱片驅(qū)動(dòng)電路

2.2 微弱信號(hào)鎖相放大及閉環(huán)測(cè)量

小型原子磁力計(jì)探頭信號(hào)實(shí)際來(lái)自于光電二極管，因此需首先設(shè)計(jì)低噪聲光電轉(zhuǎn)換電路，本文選用跨阻放大電路實(shí)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(shí)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(yùn)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(huì)在頻率響應(yīng)中產(chǎn)生一個(gè)極點(diǎn)，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(gè)電容以確保系統(tǒng)穩(wěn)定并優(yōu)化信號(hào)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(dāng)增加ft以實(shí)現(xiàn)最平坦的頻率響應(yīng)。

原子磁力計(jì)信號(hào)的測(cè)量采用鎖相放大及閉環(huán)測(cè)量方案，鎖相放大檢測(cè)方案可有效抑制低頻1/f噪聲的影響。閉環(huán)測(cè)量可保證原子磁力計(jì)穩(wěn)定工作在零磁環(huán)境下，并且相比于開環(huán)測(cè)量，可有效提升系統(tǒng)帶寬和動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。整體方案如圖7所示。探頭信號(hào)經(jīng)過(guò)跨阻放大后由ADC采樣為數(shù)字信號(hào)并輸入相敏檢波算法中進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，解調(diào)信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)中解調(diào)輸出為0，即測(cè)量軸方向磁場(chǎng)鎖零，此時(shí)反饋輸出產(chǎn)生的磁場(chǎng)即為測(cè)量磁場(chǎng)。根據(jù)相敏檢波原理，需實(shí)現(xiàn)DDS模塊以產(chǎn)生參考信號(hào)與調(diào)制信號(hào)、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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)DDS模塊，產(chǎn)生兩路正弦信號(hào)，其中一路輸出給DAC作為調(diào)制信號(hào)，另一路作為參考信號(hào)在FPGA內(nèi)部與探頭信號(hào)相乘。兩路信號(hào)頻率相同，相位差可調(diào)。且兩路信號(hào)的頻率、相位差以及調(diào)制信號(hào)幅度均通過(guò)PC機(jī)來(lái)控制。使用軟件自帶IP核實(shí)現(xiàn)乘法器操作；所設(shè)計(jì)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(guò)MATLAB進(jìn)行驗(yàn)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(jí)聯(lián)IIR濾波器模塊中，實(shí)現(xiàn)低通濾波。

圖7 信號(hào)鎖相放大及閉環(huán)測(cè)量框圖

為滿足設(shè)計(jì)要求的多輸入通道，寬動(dòng)態(tài)范圍等要求，采用的ADC芯片型號(hào)為AD7606，具體實(shí)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(dá)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(gè)模擬信號(hào)輸入，通過(guò)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(hào)的參數(shù)要求，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖9所示。

圖9 DAC電路

3 測(cè)試結(jié)果及分析

針對(duì)前述的氣室加熱及溫度控制功能，微弱信號(hào)鎖相放大及閉環(huán)控制采集功能分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1 氣室加熱及溫度控制結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)氣室加熱目標(biāo)溫度分別設(shè)定為130、140、150、160 ℃，PID控制算法中，算法的時(shí)鐘頻率為5 kHz，對(duì)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(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲(chǔ)，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(shí)10 min，控制精度為±0.2 ℃，滿足原子磁力計(jì)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(hào)鎖相放大及閉環(huán)測(cè)量結(jié)果

本文采取實(shí)驗(yàn)測(cè)量小型原子磁力計(jì)靈敏度的方式來(lái)驗(yàn)證微弱信號(hào)鎖相放大及閉環(huán)測(cè)量性能。將小型原子磁力計(jì)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(chǎng)頻率為2.08 kHz，磁場(chǎng)幅值為124 nT，測(cè)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(duì)于閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)，PI控制輸出產(chǎn)生的反饋磁場(chǎng)即為測(cè)量磁場(chǎng)。因此，小型原子磁力計(jì)靈敏度可表示如下：

(6)

圖11 小型原子磁力計(jì)靈敏度測(cè)量

4 結(jié)束語(yǔ)