[发明专利]一种光泵磁力仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽频带氦光泵磁力仪，属于磁测量领域。

背景技术

磁场很早就被人们所认识，指南针，罗盘等都是早期人们发明的测量磁场的装置，随着时间的推移和社会的进步，磁力仪应运而生，作为测量磁场强度和方向的仪器，广泛应用在人造卫星、空间探测等海、陆、空领域。目前磁力仪的种类越来越多，常用的磁力仪主要包括磁通门磁力仪、质子旋进磁力仪、超导磁力仪、和原子磁力仪等。磁通门磁力仪是通过外磁场的值与磁芯感应线圈输出的调制信号成正比的原理来进行测量的；质子旋进磁力仪是通过组成物体的的质子旋进现象的原理而进行测量的，质子旋进中信号频率与外磁场强度成正比，比例系数被定义为质子的旋磁比；超导磁力仪是利用超导状态下物质的量子隧穿特性中的约瑟夫结与超导回路实现微弱磁场测量；原子磁力仪利用塞曼分裂和光泵浦的综合作用，使原子发生光磁共振，通过测量光强的变化来测量外磁场的值。

光泵磁力仪是以元素原子的能级在磁场中产生塞曼效应为基础，利用光泵作用和磁共振技术研制而成的一种高灵敏度的磁测设备，其将对磁场的测量转化成对频率的测量，通过两者的对应关系来实现对被测磁场的测量，目前在地球物理研究、宇宙空间磁测、军事国防、矿藏探测等方面获得广泛应用。

氦光泵磁力仪的检测控制回路是利用低频调制信号来实现系统的磁测及对磁场的正常跟踪。在传统的检测控制回路中，系统只应用基频调制信号对磁场进行跟踪，此时的二倍频信号在跟踪环路中是作为无用信号而被抑制的，这种方法虽在一定程度上简化了回路，但当外磁场的变化超出磁共振的正常跟踪区域时，基频调制信号就会变得很小而使系统不能正常跟踪，这难以满足需要以较快速率进行连续测量的系统的要求。鉴于二倍频信号在跟踪区附近的特点，本文同时将基频和二倍频信号应用到检测控制回路中，利用二倍频信号幅值变化的特点来完成加速积分作用，从而实现在大的外磁场变化速率下具有快速跟踪能力的检测控制回路，同时为了使光泵磁力仪拥有较大的测磁量程，该回路还设计实现了一种输出频率范围宽、波段覆盖系数大，并具有较高瞬时稳定度的压控振荡器，用以满足对整个地磁场范围测量的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种宽频带氦光泵磁力仪设计。压控振荡器的输出频率范围大于8-20MHz，在整个范围内不存在局部失振现象，波段覆盖系数达到2.5，信号平均值稳定，输出波形的幅度在整个频率范围内均达到3V以上，完全满足光泵磁力仪的需要。该压控振荡器结构简单、性能稳定，能够满足大量程的测磁要求，从而为光泵磁力仪实现对整个地磁场范围的有效测量提供了解决方案。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种宽频带光泵磁力仪的设计，包括压控振荡器、放大电路、光泵磁敏感元件、低噪声放大电路、相敏检波、移相电路和选频电路等主要组成部分；

采用多个变容二极管并联的方法，设计了基于西勒振荡电路形式，形成具有具有放大功能的压控振荡器，给光泵敏感元件提供合适的频率，并且经过放大器的放大作用将激励信号稳定在合适的幅值；

敏感器件在磁场的作用下产生很小的输出，这个输出信号经过低噪声放大器的作用可以提高信噪比，降低杂散信号的影响；

而后通过相敏检波、移相电路和选频电路的作用形成一个检测控制回路，采用同时应用基频和二倍频信号的方法，利用二倍频信号幅值变化的特点来完成加速积分作用，从而实现对外磁场变化的快速跟踪。

选频电路源滤波器UAF42进行设计，滤波器类型为二阶带通滤波器，中心频率为1kHz,带宽为75Hz。

利用UAF42设计的基频信号选频电路应用其内部的集成运放及电阻R12、R13，对提取后的基频信号进行放大，放大系数为Av＝R12/R13。

移相及相敏检波电路，其电路形式如图2所示：A2部分中Rz2和C6实现移相功能，移相是用来补偿主体跟踪系统的附加相移，实现整体的负反馈，保证系统的稳定可靠。信号经耦合后送至相敏检波器A3部分，COM4是选通控制器提供的以1kHz速率变化的参考信号，信号最后经R34、C7滤波后输出给可控积分器。

幅值鉴别器电路用于鉴别二倍频信号的幅值设计采用条形驱动芯片LM3914，电路如图4所示，为了提高基准电压，芯片外接电阻R9和R50，基准电压设计如式(4)，且均分成10级；选定电压比较器3(即LED3)作为门限电压端；当二倍频信号幅值高于门限电压时，LED1～LED3输出低电平；当二倍频信号幅值低于门限电压时，LED3～LEDl0输出高电平；此时就可通过LED3端口的输出变化去控制选通控制器信号的选通，从而实现快速跟踪外磁场的目的。