謝 胤，程智勇，李小芳，王 羚，張 樊

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，國防科技工業(yè)弱磁一級計量站，宜昌 443001）

1 引 言

光泵磁強計是一種基于光磁雙共振效應(yīng)的磁場強度測量設(shè)備，光泵磁強計最主要的優(yōu)點是具有較高的靈敏度，被廣泛應(yīng)用于地球磁場模量和模量梯度的測量［1］。 根據(jù)工作物質(zhì)的不同，光泵磁強計可被分為氦光泵磁強計與堿金屬元素光泵磁強計［2］。 堿金屬元素光泵可以用鉀、銣、銫作為工作物質(zhì)，這些物質(zhì)需要加熱至一定溫度，形成飽和堿金屬蒸汽才能使磁強計進入工作狀態(tài)，而溫度影響堿金屬元素蒸汽濃度，進一步影響光泵磁強計的靈敏度［3］。

此外，光泵磁強計是一種磁探測設(shè)備，因此要求該設(shè)備本身不會對待測磁場產(chǎn)生干擾。 而傳統(tǒng)直流加熱方式會產(chǎn)生直流磁場，疊加于待測場，導(dǎo)致測量準(zhǔn)確度降低。 高精度光泵磁強計通常采用的加熱方式有熱氣流加熱、激光加熱、間斷電加熱與高頻電加熱［4］。 相較于其他加熱方式高頻電加熱具有性能穩(wěn)定、易于集成、成本低廉的優(yōu)勢，因此，設(shè)計了一種高頻交流電加熱的無磁恒溫控制系統(tǒng)，還使用了一種基于微機電系統(tǒng)（Micro?Elector?Mechanical System，MEMS）工藝雙層對稱四線結(jié)構(gòu)的加熱器件減小磁干擾［5］，這一器件尺寸僅為（8 ×8） mm，在直流加熱情況下產(chǎn)生磁場小于0.1 nT，在目前設(shè)備小型化的趨勢下有著廣闊的應(yīng)用前景［6］。此外，采用的控制電路也相較其他交流加熱的方式進行了優(yōu)化，無需模擬混合信號器件進行直流交流的轉(zhuǎn)換［7］，也無需額外的高頻交流信號產(chǎn)生及幅度控制電路［8］，使用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）配合數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Converter，DAC）輸出正弦信號，可同時完成加熱電流的頻率及功率的控制。

2 無磁加熱器件

2.1 無磁加熱器件設(shè)計

無磁加熱器件采用雙層加熱設(shè)計，通過層間反向電流與同層反向電流抵消磁場，加熱器件實物如圖1所示。 無磁加熱器件在400 μm 厚的石英玻璃上采取一系列MEMS 工藝加工制備而成，器件為（8 ×8） mm的矩形，器件上部中心圓弧區(qū)域為加熱電阻，加熱電阻外圍3／4 圓弧區(qū)域為溫度傳感電阻，器件加熱電阻絲和溫度傳感電阻通過引出的電極連接至器件底部。 本文中實驗僅使用中心圓弧區(qū)域的加熱電阻進行加熱，采用無磁PT100 進行溫度測量。

圖1 無磁加熱器件圖Fig.1 Non?magnetic heating chip

2.2 無磁加熱器件磁場仿真

無磁加熱器件是通過電流加熱方式工作的，而電流會產(chǎn)生干擾磁場，對系統(tǒng)造成不利影響，雖然采用了抵消電流磁效應(yīng)的特殊設(shè)計，但也不能完全消除加熱電流產(chǎn)生的磁場。 為了驗證方案的合理性，確保無磁加熱器件能有效降低加熱電流引起的干擾磁場，對無磁加熱器件產(chǎn)生的磁場進行仿真計算。

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律（Biot?Savart）穩(wěn)恒電流元矢量Idl在空間一點P 所引起的磁感應(yīng)強度dB為：

式中：μ0——真空磁導(dǎo)率；dl——載流導(dǎo)線上的線元沿著電流的方向；r——電流元到P 點的矢徑。

磁場的方向為沿電流方向矢量與載流導(dǎo)線指向測量點矢量的叉乘，總磁場為各電線段產(chǎn)生磁場的積分和。

由于原子氣室內(nèi)部有效尺寸為（3×3×3） mm，原子氣室壁厚為1 mm，因此模擬計算了沿加熱裝置法線方向1 mm 處且垂直法線的（3×3） mm 平面處的磁場大小分布，如圖2 所示。 由于電流產(chǎn)生的磁場隨距離的增大而減小，因此其他區(qū)域的磁場會更小。 仿真過程中選取的加熱電阻約為100 Ω，加熱電壓為1 V。

圖2 仿真區(qū)截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cross?section of the simulation area

仿真結(jié)果如圖3 所示，根據(jù)模擬計算結(jié)果可以看出，即使是在直流加熱情形下，加熱產(chǎn)生的磁場大小均在0.1 nT 以下。 當(dāng)采用交流電流加熱的方式時，產(chǎn)生的磁場也會在相應(yīng)頻率下變化，通過系統(tǒng)濾波作用，能夠?qū)⒋艌鲞M一步降低。 因此，無磁加熱器件可以有效抑制加熱電流產(chǎn)生的恒定磁場干擾。

圖3 離加熱裝置1 mm 距離（3 ×3）mm 平面區(qū)域的磁場分布圖Fig.3 The magnetic field distribution in a（3×3）mm plane area at the distance of 1 mm from the heating device

3 電路設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

無磁恒溫控制系統(tǒng)主要針對銫光泵磁強計，銫光泵磁強計是通過測量銫原子的拉莫爾進動頻率來獲得磁場大小的，銫光泵磁強計輸出的頻率范圍為（50～350） kHz，因此設(shè)計的交流加熱頻率要避開磁強計本身工作頻率，否則將影響光泵磁強計的正常工作，無磁恒溫控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 無磁恒溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of non?magnetic thermostatic control system

加熱器件貼附于原子氣室兩端，溫度傳感器阻值隨溫度改變，信號調(diào)理電路將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化并進行信號放大。 ADC 采集溫度信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸至FPGA 內(nèi)部。 FPGA 使用直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）ip 核產(chǎn)生一個生成正弦波的數(shù)字信號，正弦波的頻率選定為10kHz，正弦波幅值通過比例積分微分（Proportion Integral Derivative，PID）算法進行控制，調(diào)節(jié)加熱功率。 通過DAC 將正弦波輸出，產(chǎn)生用于加熱的電信號。 因DAC 輸出功率有限，需進行功率放大再將信號耦合到加熱器件，這樣就構(gòu)成了完整的無磁恒溫控制系統(tǒng)。

3.2 交流加熱信號產(chǎn)生與控制電路設(shè)計

交流加熱信號的產(chǎn)生與控制電路如圖5 所示，采用FPGA 作為主控制芯片，高速雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9767 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，AD9767輸出的（4 ～20） mA 電流信號，經(jīng)AD8047 構(gòu)成的跨導(dǎo)放大電路轉(zhuǎn)換成交流電壓信號，后續(xù)再經(jīng)過功率放大耦合到加熱器件。 選用AD9767 作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片有兩點優(yōu)點：第一，AD9767 采用14 位并行接口更新速率可達125MSPS，可以產(chǎn)生高頻率的加熱信號；第二，AD9767 有兩個獨立控制的輸出端口，可以實現(xiàn)光泵磁強計內(nèi)原子氣室，原子譜燈或激光器兩處溫度控制。

圖5 交流加熱信號產(chǎn)生與控制電路圖Fig.5 AC heating signal generation and control circuit

無磁恒溫控制系統(tǒng)是通過FPGA 輸出的14 位數(shù)據(jù)實現(xiàn)對加熱功率的控制，當(dāng)輸出最大值為213－1 時，DAC 滿量程輸出，加熱功率最大。 通過PID 調(diào)節(jié)輸出一個系數(shù)與這14 位數(shù)據(jù)相乘實現(xiàn)功率控制，當(dāng)氣室溫度遠低于設(shè)置溫度時，PID 輸出系數(shù)為1，DAC 滿量程輸出，系統(tǒng)滿功率加熱；當(dāng)氣室溫度遠高于設(shè)置溫度時，PID 輸出系數(shù)為0，DAC 基本無輸出，系統(tǒng)停止加熱，如此實現(xiàn)加熱功率調(diào)節(jié)。

4 試驗結(jié)果

為驗證無磁恒溫控制系統(tǒng)整體性能，對無磁恒溫控制系統(tǒng)進行了試驗測試，內(nèi)容包括溫度控制范圍測試及加熱噪聲測試。

通過改變無磁恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)定溫度，實現(xiàn)溫度范圍的測量，從50 ℃至100 ℃每隔10 ℃取一個溫度點進行測試，每個點測試時間大于5 min，如圖6 所示。 結(jié)果顯示該無磁恒溫控制系統(tǒng)可在室溫狀態(tài)下實現(xiàn)50 ℃至100 ℃的溫度控制。

圖6 溫度范圍測試結(jié)果圖Fig.6 test result of temperature range

然后，選取50 ℃為溫度噪聲測試點，得到在此溫度點下的溫度噪聲。 測得的溫度噪聲如圖7 所示，可以看出，在200 s 的測試時間內(nèi)，溫度噪聲的峰峰值約為0.02 ℃。

圖7 溫度噪聲測試結(jié)果圖Fig.7 Test result of temperature noise

5 結(jié)束語

針對銫光泵磁強計無磁加熱的需求，設(shè)計了雙層對稱四線結(jié)構(gòu)的加熱器件，利用同層反向電流與層間反向電流產(chǎn)生的磁場相互抵消，抑制了電流加熱帶來的磁干擾；使用FPGA 配合DAC 的方式進行交流加熱溫度控制也優(yōu)化了電路的設(shè)計，一方面無需額外的交流信號發(fā)生電路，另一方面便于幅度、頻率等參數(shù)的調(diào)節(jié)。 試驗測試結(jié)果表明無磁恒溫控制系統(tǒng)可達到以下指標(biāo)：1）溫度范圍：50 ℃～100 ℃；2）溫度噪聲：0.02 ℃（峰峰值）。 介紹的無磁加熱器件與電路設(shè)計為銫光泵磁強計的小型化提供了方案。