基于ADN8834的高精度DBR激光器温度自动控制系统

对于高灵敏原子磁力计极弱磁测量,激光温度的精确稳定控制是一项必不可少的工作。激光温度不稳定会导致激光波长波动和漂移,从而降低原子磁力计的灵敏度。为了降低激光器温度波动对原子磁力计的影响,本文设计并实现了一个基于ADN8834温度控制芯片的高精度DBR激光器自动温度控制系统。首先,基于ADN8834和高精度模/数转换芯片LTC2377设计了温度反馈电路,成功采集到了与温度对应的模拟电压信号并将其转换为数字信号送入FPGA。然后,在FPGA中实现了增量式数字PID算法,自动计算温度控制信号。最后,设计了数/模转换电路将该温度控制信号转换为模拟信号传递给ADN8834,ADN8834输出加热或冷却信号来控制半导体热电制冷器,从而实现闭环温度自动控制。实验结果表明,当目标温度分别设定在20,25,30℃时,该温度自动控制系统的温度稳定性均在±0.005℃,测试DBR激光器输出波长稳定性范围为±2 pm。该激光器自动温度控制系统温度稳定性高,且操作方便,设计灵活,基本满足原子磁力计系统对激光温度控制器的要求。

金刚石NV色心系综内14N核自旋测量与调控

金刚石内氮空位(NV)色心中的氮核自旋是一个原子级别磁结构,无法如同NV电子自旋一样在任意磁场下受光泵浦极化。随机指向的氮核自旋缩短了NV色心电子自旋的相干时间,限制了NV色心电子自旋的传感测量能力。通过激光、微波和射频脉冲共同作用完成NV色心中氮核自旋的磁共振测量和调控,表明其可以被调控和初始化。研究结果表明,NV色心中的14N核自旋在2.79、4.95和7.11 MHz处具有共振信号。测量得到的核自旋系综Rabi信号在11个π脉冲的脉冲宽度射频作用后仍然具有明显相干性,而电子自旋系综在7个π脉冲的脉冲宽度微波作用后已经完全退相干,表明其具有远优于NV电子自旋的相干性质。引入单个π脉冲脉冲宽度的射频信号后,14N核自旋在一个态上的布居数降低了50%。这项工作可为在基于NV色心的传感测量应用中引入核自旋调控提升传感能力提供技术支撑。

原子磁强计标定测试教学实验平台构建

原子磁强计是近年来发展非常迅速的一种量子传感器,它利用激光检测碱金属原子自旋在磁场中的拉莫尔进动从而实现磁场测量,可达到fT(10^(-15)T)级甚至更高的测量灵敏度。为了解决学生对于原子磁强计工作原理以及极弱磁场量级理解较为困难等问题,搭建了原子磁强计标定测试教学实验平台。该平台主要由多层坡莫合金磁屏蔽桶、三轴匀强磁场线圈、高精度电流源、磁通门磁强计、原子磁强计以及上位机组成。该平台可以强化学生的实验动手能力,同时也为研究生和本科生的相关课程提供了有力支撑。

基于金刚石NV色心的电流传感器仿真

NV色心是金刚石中的一种点缺陷,可以用于高精度磁场测量。文章探讨将NV系综作为磁传感器来测量电流的可行性,并对电流强度、NV色心荧光强度与偏共振的关系进行建模仿真,分析传感器放置距离、激光、微波功率、金刚石NV色心浓度等对传感器性能的影响,从而为金刚石NV色心电流传感器的设计与研制奠定了理论基础。

面向固态电子自旋操控的紧凑Ω形微波辐射结构设计

设计了一种面向金刚石中氮空位(NV)电子自旋调控的紧凑Ω形印制电路板(PCB)表面贴装微波辐射结构,通过计算PCB上2.87 GHz微波的1/2波长长度限制整体结构尺寸,完成设计后加工,并进行测试表征。制备的微波辐射结构尺寸为20 mm×29 mm×0.16 mm,辐射强度高,能够方便地在金刚石附近放置射频线圈等部件进行核自旋调控。在测量过程中,不同磁场下的光探测磁共振谱表明,在2.7~2.87 GHz的范围内,光探测磁共振(ODMR)谱均具有很好的信噪比和对比度。使用Rabi信号表征了辐射结构的微波辐射能力,测量得到的Rabi频率可达3.5 MHz。最后在两个不同的磁场条件下,测量了金刚石样品的自旋回波信号。实验测试结果表明,设计的PCB上紧凑Ω形微波辐射结构具有很好的电子自旋操控能力,可为核自旋调控部件提供安装空间,能很好地应用在基于固态电子自旋的精密测量中。

非高斯背景噪声下的微弱磁异常信号检测算法

针对传统的OBF分解算法在非高斯噪声下检测性能较差的问题,提出了一种带通滤波结合OBF分解的磁异常信号检测算法。首先,根据磁异常信号的频域特征,设计了Parks-McClellan最优FIR滤波器。通过对含噪信号的带通滤波,实现对非高斯噪声的近似高斯化,同时最大程度地保留磁异常信号的信息。然后,对滤波后的信号进行OBF分解,提取能量特征信号进行门限检测。最后,分别采用仿真数据和实测数据对算法进行了验证。结果表明:改进后的算法有效地提高了信噪比,增强了非高斯噪声下微弱磁异常信号的检测能力,解决了OBF在非高斯下检测性能差的问题。

微型光纤磁传感器的设计与制作

提出了一种基于微机电系统(MEMS)扭镜结构的光纤磁场传感器,并利用对角度变化非常敏感的双光纤准直器对扭镜的扭转角度进行了检测。该MEMS光纤磁传感器由MEMS扭镜结构、磁性敏感薄膜和双光纤准直器组成。文中分析了器件的磁敏感原理和光纤检测原理,介绍了器件综合设计方法,并给出了器件的结构参数。利用MEMS加工技术成功制作出了MEMS光纤磁传感器样品,最终得到的磁传感器的尺寸为3.7 mm×2.7 mm×0.5 mm。对磁传感器进行了实验测试,得到的输出实验值与理论值吻合。测试结果表明,该磁传感器的光纤检测灵敏度可达到0.65 dB/mT,最小可分辨磁场可达167 nT。将MEMS敏感结构与光纤检测相结合,该传感器兼备了两者的优点,结构紧凑、制作工艺简单、工作时无需电流激励。

基于共轭次梯度法的非理想正交三轴磁传感器的修正

磁测量中三轴磁传感器的三轴不可能绝对正交 ,这使得高分辨率测量受到限制。本文提出了一种可以不考虑实时性的对非正交参数修正的方法 ,构造了目标函数 ,并根据传统的共轭梯度法构造了共轭次梯度法用于寻找最优非正交参数 ,仿真结果表明这种方法可以稳定收敛并可以达到较高的精度。

火星空间环境磁场探测研究——高精度磁强计

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测。火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响,萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的。此磁强计在工作原理及具体设计上,考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求。通过装星前的地面标定测试,验证了萤火一号磁强计可以在-130～75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率可达到0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求。

电子罗盘倾角补偿和干扰补偿的理论分析及实验验证

电子罗盘由三轴磁阻传感器、两个倾角传感器和MCU构成。在实际中,复杂环境的磁场干扰和不可避免的倾斜会影响电子罗盘,为了提高测量精度,必须对其进行环境干扰补偿和倾角补偿。本文详细阐述了倾角补偿和干扰补偿的原理,设计了简单的电子罗盘测试样机进行验证,并由实验数据,分析总结出了测量误差图表和结论。

基于隧穿磁阻效应的多点电晕放电磁场传感及定位

电晕放电的检测及定位对于电网设备的稳定运行至关重要。为此针对多个点对板形式的电晕放电进行了磁场传感测量及定位研究,基于隧穿磁阻传感器设计并制作了双轴磁场传感测量装置,通过传感测量装置对电晕放电脉冲电流产生磁场的响应,实现对电晕电流及其磁场的测量。应用电晕电流的定位算法,得到多个点对板的电晕放电点位置,定位计算误差稳定在10%左右,表明了测量方法及定位算法的可行性。该测量方法及算法考虑了电晕电流的特点,合理利用了隧穿磁阻传感器的测量优势,为电气设备的电晕放电检测提供了新的思路及可靠手段。

基于运动标量磁强计的磁性目标定位问题研究

本文对基于单个运动标量磁强计和基于两个运动标量磁强计的磁定位问题分别进行了详细研究 ,指出用单个运动标量磁强计不能完全确定出目标的位置参数 ,并给出了一种通用的磁定位方法 .该方法先用改进的进化策略方法得到粗值 ,然后用单纯形法获得精确值 .仿真结果表明该方法是切实有效的 ,而且定位范围大 ;由于它不需要事先假定磁性目标的磁矩已知 ,因而是实用的 .另外 ,对该方法稍做修改后 ,还可将其直接用到基于矢量磁强计的磁定位问题中 .

光泵磁力仪磁屏蔽筒的尺寸设计

为设计原子光泵磁力仪中的高屏蔽效能磁屏蔽体,修正了多层磁屏蔽筒轴向屏蔽效能公式,并对比验证多层磁屏蔽筒各尺寸参数对轴向屏蔽效能的影响。对3层磁屏蔽筒模型应用Ansoft Maxwell建模仿真得到中心点磁屏蔽效能159.77 d B,公式计算结果为167.5 d B,研究结果表明修正的磁屏蔽筒轴向屏蔽系数公式比现阶段研究中的屏蔽筒轴向屏蔽系数公式(170.5 d B)具有更高的准确度,且参数对磁屏蔽效能的影响趋势与仿真具有较高的一致性。在其他尺寸参数相同情况下,3层磁屏蔽筒轴向长度间隔为46.5 mm时,轴向屏蔽效能存在最优值167.486 d B,在地磁场环境中剩磁小于0.6 p T,对磁屏蔽筒的尺寸设计具有重要指导意义。

磁阻式磁强计的SET/RESET电路设计及应用

SET/RESET电路是配合磁阻式磁强计使用的必不可少的外围电路之一,本文阐述了SET/RESET功能的原理,分析了设计SET/RESET电路的出发点,介绍了SET/RESET电路的一个实例,并且将它应用于微型方位水平仪,取得了良好的效果。

三分量磁通门传感器水平修正方法

三分量磁通门传感器是磁场测量中普遍使用的仪器,磁传感器的测量坐标系由三个正交的螺线管确定,但是这种传感器的测量坐标系的水平坐标平面通常不平行于其基座水平面,这样一个倾斜的测量坐标系会带来测量误差.为了解决这一问题,提出了采用共轭梯度优化的方法求解水平修正参数,进而修正由坐标系不水平带来的误差的方法.采用该方法计算了某一三分量磁通门传感器的水平修正参数,经过修正后的传感器,其性能得到了明显改善。

基于SOPC架构的脉冲磁场数据采集系统

提出了一种嵌入式高速高精度脉冲磁场数据采集系统的设计方案,基于先进SOPC技术,在FPGA中嵌入了32位Nios II软核系统,实现脉冲磁场信号的采集、处理、存储、传输等功能。该系统具有设计灵活、数据处理速度快、精度高和扩展性好等优点。

通电圆形线圈附近空间磁场强度值的分布及仿真

从表征磁场特性的场函数出发,推导出通电圆形线圈平面径向各点的磁场强度值的计算公式,进而推论到整个线圈平面及与线圈平面平行而距离为不同值的任一平面内的任一点的磁场强度值的计算公式,从而可以求得通电线圈在其附近整个空间的磁场强度值的分布情况,这就弥补了只能在特定的线圈中心点计算出磁场强度值的不足,用计算机进行数字仿真即可定量的获得磁场强度在空间的分布情况。

三轴磁强计转向差的自适应校正

三轴磁通门磁强计被广泛地应用于地磁和空间磁场的研究。利用三轴磁强计的输出向量来估计被测磁场的模量，会有转向差存在。转向差是由磁强计三个磁轴的非正交性、各通道定标比例系数的不一致性以及各通道的零点偏置引起的。要精确计算被测磁场的模，校正转向差，就必须估计出磁强计的上述参数。本文提出的校正方法对磁强计的参数进行估计，不需造价昂贵的专用设备。仿真试验及实测数据证明这些方法是行之有效的。

基于多层可级联PCB空心线圈的磁场测量单元设计

为准确测量复杂电磁环境下特定频率的磁场信号,文中设计一种基于多层可级联PCB空心线圈的磁场信号测量单元。首先根据线圈的结构设计参数建立感应电压与磁场的线性函数关系式,接着构建带通滤波放大电路和锁相放大电路,滤除工频电磁干扰和增强测量单元的抗干扰能力。实验室单个、多个圆形载流回路磁场测量实验表明,磁场测量单元能够准确测量所需频率的微小磁场信号,误差在10%以内。实验结果表明,设计的磁场测量单元具有较好的性能,能够满足变电站接地网腐蚀检测时注入幅值1 A、频率1 k Hz的交流激励电流所产生磁场的测量需求。

中国的交变弱磁场磁感应强度标准

本文介绍了中国交变弱磁场磁感应强度标准的组成原理、装置各部分设备的主要指标、及标准装置各项误差的估计。比较装置传递交变磁感应强度量具的不确定度达0.047％。实现在1kHz以下频率范围内复现100nT～0.7mT交变磁感应强度的总不确定度(3σ)小于(0.12％+10^(-8)/Bn),为统一我国交变弱磁感应强度的单位量值提供了技术手段和量值依据。