矢量原子磁力儀中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的研制

陳大勇，史彥超，崔敬忠，劉志棟，繆培賢

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000）

1 引 言

地磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)，用于地磁場(chǎng)測(cè)量的磁傳感器主要有磁通門磁力儀、質(zhì)子磁力儀、磁阻磁力儀、霍爾磁力儀和原子磁力儀等［1］。近年來，原子磁力儀得到了迅猛的發(fā)展，Mz和Mx光泵磁力儀、CPT（相干布居囚禁磁力儀）原子磁力儀、非線性磁光旋轉(zhuǎn)磁力儀、無自旋交換弛豫［2］等原子磁力儀［3］相繼問世。原子磁力儀的靈敏度高［4-6］，但絕大多數(shù)都是標(biāo)量磁力儀。目前，廣泛使用三軸磁通門測(cè)量矢量磁場(chǎng)，但其固有誤差較大［7］。2018年，董海峰等綜述了國際上三軸矢量原子磁力儀的研制情況［8］，按工作原理可分為磁場(chǎng)掃描法［9］、磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制法［10］、磁場(chǎng)輪流抵消法［11］、磁場(chǎng)投影法［12］、磁場(chǎng)交叉調(diào)制法［13］、磁場(chǎng)分立調(diào)制法［14］和自旋進(jìn)動(dòng)調(diào)制法［15］。其中，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制法可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)連續(xù)測(cè)量，該技術(shù)方案是2004年由俄羅斯Alexandrov等學(xué)者提出的，方案中使用快速響應(yīng)Mx鉀光泵原子磁力儀作為磁傳感器，存在測(cè)量盲區(qū)較大的問題［10］。2006年，俄羅斯Vershovskii等學(xué)者提出了基于Mx銫光泵原子磁力儀的改進(jìn)型方案，降低了系統(tǒng)測(cè)量誤差［16］，標(biāo)量原子磁力儀決定了基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制法矢量原子磁力儀的性能。2017年，蘭州空間技術(shù)物理研究所報(bào)道的抽運(yùn)-檢測(cè)型銣原子磁力儀具有測(cè)量量程寬、磁場(chǎng)采樣率高、盲區(qū)小等優(yōu)勢(shì)［17-18］。利用抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀和磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制法有望實(shí)現(xiàn)高性能的矢量原子磁力儀，在該矢量原子磁力儀中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是性能指標(biāo)重要的影響因素［8，10，16］。

現(xiàn)階段公開報(bào)道的文獻(xiàn)局限于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)下相關(guān)物理現(xiàn)象以及應(yīng)用的研究，而對(duì)高性能旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生技術(shù)以及系統(tǒng)組成和電子學(xué)技術(shù)未有詳細(xì)的報(bào)道［19-20］。為了研制基于磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制法的矢量原子磁力儀，高性能旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生技術(shù)是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出了一種高性能旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置，可對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)方向和軌跡進(jìn)行精密調(diào)整和控制，使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滿足矢量原子磁力儀的應(yīng)用需求。

2 矢量原子磁力儀

2.1 工作原理

基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制法的矢量原子磁力儀工作原理如圖1所示。圖1（a）中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B⊥在x-y平面內(nèi)繞著z軸旋轉(zhuǎn)，待測(cè)磁場(chǎng)B與z軸平行。由Btot=B+B⊥可知，總磁場(chǎng)Btot的方向會(huì)變化，但強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生變化，抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀測(cè)得恒定磁場(chǎng)。圖1（b）中，B與z軸有α角度，抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀測(cè)得的磁場(chǎng)Btot呈周期性變化，測(cè)量得到的最大值Bmax和最小值Bmin分別為：

極大值與極小值的差值為：

圖1（c）中，x軸和y軸設(shè)置的補(bǔ)償線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)ΔB，使ΔB與B的矢量和平行于z軸，則抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀測(cè)得沒有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制的恒定磁場(chǎng)。以ΔBtot幅度作為判定條件，通過不斷調(diào)整x軸和y軸補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)，使ΔBtot幅度逐漸減小，當(dāng)ΔBtot≤5 nT時(shí)，矢量原子磁力儀實(shí)現(xiàn)了跟蹤鎖定。通過對(duì)x軸和y軸補(bǔ)償線圈的磁場(chǎng)分量Bx和B y進(jìn)行反演計(jì)算，即可獲得待測(cè)磁場(chǎng)的方向信息。

圖1 基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)調(diào)制法的矢量原子磁力儀工作原理Fig.1 Principle diagram of vector atomic magnetometer based on rotating magnetic field modulation method

2.2 矢量原子磁力儀組成

圖2是基于磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制法和抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀的矢量原子磁力儀的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖。它包括抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置、補(bǔ)償磁場(chǎng)線圈以及磁屏蔽筒。抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀中待測(cè)磁場(chǎng)與z軸平行或反平行；795 nm圓偏振抽運(yùn)光使87Rb原子磁矩與z軸平行或反平行；抽運(yùn)光關(guān)閉后，用特定時(shí)長角頻率（約等于拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率）激勵(lì)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)87Rb原子磁矩進(jìn)動(dòng)至與待測(cè)磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)；紅失諧6 GHz的線偏振探測(cè)光穿過銣泡，通過差分探測(cè)可獲得87Rb原子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲得待測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，其詳細(xì)工作原理可參考文獻(xiàn)［16］。這里需要指出的是，抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀的測(cè)量盲區(qū)包括x軸方向、待測(cè)磁場(chǎng)與x-y面內(nèi)夾角小于10°的區(qū)域［17］；矢量原子磁力儀中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是將相位差為90°的兩組正弦信號(hào)通入x軸和y軸方形亥姆霍茲線圈，則線圈所包圍空間中心會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其工作頻率是依據(jù)抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀測(cè)量帶寬確定的；x軸和y軸的補(bǔ)償線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)。

圖2 矢量原子磁力儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of vector atomic magnetometer experimental system

2.3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)技術(shù)要求

矢量原子磁力儀的磁場(chǎng)方向測(cè)量精度與待測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度息息相關(guān)，可通過式（3）和鎖定判據(jù)分析和討論旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)。由于抽運(yùn)-檢測(cè)型原子磁力儀磁場(chǎng)的采樣率 最 高 為1 000 Hz、測(cè) 量 帶 寬 為20 Hz［16］，則 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的工作頻率為20 Hz。

首先分析旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)B為50 000 nT、與z軸夾角α為30°時(shí)，Btot極值以及極值間差值ΔBtot隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化曲線如圖3所示。隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，Btot的極大值呈線性增加、極小值線性減小、差值ΔBtot顯著增加，說明增加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度，矢量原子磁力儀的測(cè)量精度會(huì)顯著提高。

圖3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)待測(cè)磁場(chǎng)影響的仿真分析Fig.3 Simulation analysis of influence of rotating magnetic field on measured magnetic field

當(dāng)待測(cè)磁場(chǎng)為50 000 nT、矢量原子磁力儀對(duì)磁場(chǎng)方向的測(cè)量精度為1°時(shí)，基于式（3）和鎖定判據(jù)可得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的最小強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度最小為30 nT。實(shí)驗(yàn)中，考慮到電子線路特性以及測(cè)量精度的需求，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度為500 nT。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率為20 Hz、強(qiáng)度為500 nT時(shí)，x軸和y軸方形亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以表示為［21-22］：

式中：2l是正方形亥姆霍茲線圈邊長，N是線圈匝數(shù)；ω是正弦信號(hào)角頻率，Δφ是相位相差，Ix0和Iy0是x軸和y軸線圈工作電流的幅值；i，k表示矢量方向。

當(dāng)Δφ=90°，By0=Bx0時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡在x-y平面內(nèi)是圓形，不會(huì)對(duì)矢量原子磁力儀的測(cè)量產(chǎn)生影響。然而，通常情況下Δφ≠90°，Bx0≠By0，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)模將周期性變化，x-y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)軌跡為橢圓，此時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)值Btot會(huì)出現(xiàn)極大值與極小值，該波動(dòng)為矢量原子磁力儀的測(cè)量誤差，可以表示為：

當(dāng)B為50 000 nT，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)值為500 nT。假設(shè)極值間波動(dòng)差完全由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)引起，當(dāng)ΔBtot為1 nT時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)約為90 nT。則得出若旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)小于9 nT，引起的測(cè)量誤差小于0.1 nT，由鎖定判據(jù)得出此時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。由式（4）可以看出，通過控制Δφ，Bx0和By0，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度、旋轉(zhuǎn)方向和軌跡的控制和調(diào)整，使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滿足矢量原子磁力儀的應(yīng)用需求。

圖4 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置Fig.4 Rotating magnetic field generator

3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置設(shè)計(jì)

3.1 亥姆霍茲線圈

x軸和y軸的亥姆霍茲線圈采用正方形，邊長34 cm、間距18 cm，可保證線圈包圍空間中心40 mm范圍內(nèi)磁場(chǎng)的均勻性［22］。經(jīng)Mx銫原子磁力儀標(biāo)定，x軸和y軸線圈系數(shù)分別是41.486 91，38.497 86 nT/mA。經(jīng)Chroma公司MODEL13350對(duì)線圈進(jìn)行標(biāo)定，20 Hz處x軸線圈的直流電阻為0.852 5Ω、電感為116.46μH，y軸線圈的直流電阻為0.880 8Ω、電感為141.05μH。

3.2 線圈驅(qū)動(dòng)電路

線圈驅(qū)動(dòng)電路中，DDS頻率合成器、濾波及信號(hào)隔離電路構(gòu)成相位可精密調(diào)控的正交信號(hào)源，用以精密控制正弦信號(hào)間相位差Δφ。電壓放大電路、功率放大電路和電流調(diào)整模塊構(gòu)成功率控制電路。其中，電壓放大電路控制功率放大電路輸入信號(hào)，電流調(diào)整模塊對(duì)線圈電流進(jìn)行控制和調(diào)整。

3.2.1 正交信號(hào)源設(shè)計(jì)

正交信號(hào)源設(shè)計(jì)的核心是實(shí)現(xiàn)兩路正弦信號(hào)相位差的精密控制和調(diào)整。相位差調(diào)控是在DDS相位同步［23］的基礎(chǔ)上，通過相位字控制寄存器設(shè)置不同初始相位來實(shí)現(xiàn)相位差的控制和調(diào)整。如圖5所示，DDS頻率合成器方案包括微控制器MSP430F169；兩DDS型號(hào)是AD9852；10 MHz有源晶振為系統(tǒng)時(shí)鐘，技術(shù)指標(biāo)中相位噪聲為-53.57 dBc/Hz@1 Hz，-78.87 dBc/Hz@10 Hz，-108.57 dBc/Hz@100 Hz，-134.13 d Bc/Hz@1 k Hz，頻 率 穩(wěn) 定 度 為2.28×10-9@1 s，1.63×10-9@10 s。DDS相位同步設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)中，10 MHz晶振到兩AD9852的傳輸距離應(yīng)相同，MSP430F169采用并口模式對(duì)AD9852寄存器進(jìn)行設(shè)置。軟件設(shè)計(jì)中，AD9852采用外部命令更新，MSP430F169發(fā)出的更新命令（UPDATE CLK）同時(shí)觸發(fā)兩AD9852，使兩AD9852同時(shí)更新輸出。當(dāng)兩AD9852頻率字控制寄存器和相位字控制寄存器的設(shè)置值相同時(shí)，DDS頻率合成器實(shí)現(xiàn)同頻同相位輸出。圖6（a）是同頻同相位輸出測(cè)試結(jié)果，兩正弦信號(hào)頻率為20 Hz、相位差約為0.1°。

圖5 DDS頻率合成器技術(shù)方案Fig.5 Technical scheme of DDS frequency synthesizer

圖6 AD9852相位測(cè)試Fig.6 AD9852 phase test

兩AD9852設(shè)置不同相位初始值，可實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)相位差的精密調(diào)控。當(dāng)DDS1相位控制字設(shè)置為0x0000，DDS2相位控制字為0x1000時(shí)，兩路正弦信號(hào)的相位差為90°。圖6（b）是兩AD9852輸出正弦信號(hào)的相位差為90°時(shí)的測(cè)試結(jié)果，兩信號(hào)相位差為90.04°。AD9852相位字控制寄存器的位數(shù)為14，理論上相位差控制精度可達(dá)0.022°。相位差Δφ不會(huì)對(duì)矢量原子磁力儀測(cè)量產(chǎn)生影響，線圈驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是功率控制電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的精密控制和調(diào)整。

3.2.2 功率控制電路

功率控制電路由電壓放大電路、功率放大電路和電流調(diào)整模塊構(gòu)成。電壓放大電路控制功率放大電路輸入信號(hào)，電流調(diào)整模塊對(duì)線圈電流進(jìn)行精密控制和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)Bx0和By0的精密控制和調(diào)整。

功率控制電路中電壓放大電路是OP27的反相比例放大電路，用以設(shè)置和調(diào)整線圈驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率；功率放大器芯片為TDA 2030A，屬于AB類放大器，具有低失真特性。功率放大電路如圖7所示，采用TDA 2030A的單電源工作電路，輸出端為高容值電解電容。

圖7 功率放大器電路Fig.7 Power amplifier circuit

電流調(diào)整電路模型如圖8所示，開展模塊間耦合關(guān)系對(duì)線圈工作電流影響的仿真分析。模型中，信號(hào)源和功率放大器是輸入，功率放大器輸出端電容、功率電阻、線圈內(nèi)阻及電感為模塊的輸出端和負(fù)載。線圈工作電流可以表示為：

圖8 電流調(diào)整電路模型Fig.8 Model circuit of current regulating circuit

式中：V?s為功率放大器輸出正弦信號(hào)的最大幅值，C為功率放大器輸出端電容，R為功率電阻和線圈內(nèi)阻之和、L為線圈電感為電路發(fā)生諧振時(shí)電流的最大幅值。

由式（6）可知，電流調(diào)整電路模型可以利用LC串聯(lián)諧振電路特性進(jìn)行分析。經(jīng)測(cè)試，x軸線圈和y軸線圈20 Hz頻點(diǎn)處的電感分別為116.46和141.05μH。當(dāng)x軸和y軸功率放大器的輸出電容分別為5 366 649和4 431 053μF時(shí)，電路發(fā)生諧振，然而實(shí)際中電路很難調(diào)整到諧振狀態(tài)。

通過式（6）可以得到電流有效值的表達(dá)式：

基于式（7）分析電流調(diào)整電路中各模塊相互耦合關(guān)系對(duì)輸出電流的影響特性。

圖9是電流調(diào)整模塊中功率放大器輸出電容、功率電阻等對(duì)線圈輸出電流的影響，仿真分析中V?s=3 V。圖9（a）中，R=3Ω，隨著放大器輸出電容C的增加，電流隨之增加，當(dāng)C為10 000μF時(shí)，電流接近極值，電容對(duì)電流的調(diào)整作用顯著降低。從仿真結(jié)果可知，放大器輸出電容C可以對(duì)線圈工作電流實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)整。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度為500 nT時(shí)，C應(yīng)控制在100～3 000μF內(nèi)。圖9（b）中C=1 000μF，隨著功率電阻R的增加，電流線性減小。從仿真結(jié)果可以看出，功率電阻在0～50Ω、控制精度為0.1Ω時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的控制精度約為5 nT。在2.3節(jié)中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)小于9 nT時(shí)，其特性滿足矢量原子磁力儀的應(yīng)用需求，因此，該設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)需要。

圖9的仿真計(jì)算存在一定的理想情況。電流調(diào)整模塊中各模塊間相互耦合會(huì)出現(xiàn)更為復(fù)雜的情況，例如功率放大器輸出端電容和功率電阻發(fā)生變化，并引起V?s變化，而正是這種耦合關(guān)系進(jìn)一步增加了電路調(diào)整的靈活性，這部分內(nèi)容也是實(shí)驗(yàn)測(cè)試中需要驗(yàn)證的內(nèi)容。

圖9 電流調(diào)整中電流有效值的仿真計(jì)算Fig.9 Simulation results of effective values in current regulation module

4 測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置性能測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖10（a）所示，圖10（b）是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物。測(cè)試中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為20 Hz；萬用表FLUKE17B+分別串聯(lián)接入x軸和y軸線圈驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)正弦信號(hào)電流的有效值進(jìn)行測(cè)量；Tektronix示波器DPO3032對(duì)線圈驅(qū)動(dòng)電路中各組成部分的正弦信號(hào)峰峰值及相位進(jìn)行測(cè)量。

圖10 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.10 Rotating magnetic field test system

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)線圈驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率特性進(jìn)行研究，其重點(diǎn)是電壓放大電路、功率放大器輸出電容、功率電阻和線圈等對(duì)輸出功率以及線圈電流的影響特性。此外，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置對(duì)兩正弦信號(hào)相位差的控制也是重要的測(cè)試內(nèi)容。

4.2 驅(qū)動(dòng)電路輸出特性測(cè)試

4.2.1 功率放大器輸出電壓及電壓增益

功率放大器輸出電壓及電壓增益是在電路開路狀態(tài)下測(cè)試的，輸入信號(hào)幅值為100～500 mV，測(cè)試功率放大器的輸出電壓（即功率放大器輸出電容處正弦信號(hào)的電壓幅值）特性。圖11（a）是x軸和y軸線圈驅(qū)動(dòng)電路中功率放大器的輸出電壓曲線。輸入信號(hào)為100～400 mV時(shí)，輸出電壓線性增加；輸入信號(hào)大于400 mV時(shí)，電壓出現(xiàn)失真，此時(shí)x軸輸出電壓為8.3 V，y軸輸出電壓為9.0 V。圖11（b）是線圈驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓增益曲線，經(jīng)擬合y軸電壓增益約為27 d B（22.38倍），x軸電壓增益約為26 dB（20倍）。

圖11 功率放大器輸出端特性測(cè)試結(jié)果Fig.11 Characteristic test result of power amplifier

4.2.2 電抗特性對(duì)輸出功率的影響

線圈驅(qū)動(dòng)電路中功率放大器輸出電壓會(huì)隨著負(fù)載特性的變化而變化。電路各組成模塊間相互耦合，共同決定線圈驅(qū)動(dòng)電路輸出功率以及線圈工作電流的特性。

圖12是線圈驅(qū)動(dòng)電路中功率電阻為2Ω、輸入信號(hào)為100～400 mV、功率放大器的輸出電容為220，470，1 000和2 200μF時(shí)，輸出功率以及線圈工作電流的變化特性。圖12（a）～12（c）是x軸線圈驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試結(jié)果，圖12（a）是x軸功率放大器輸出電容C1處正弦信號(hào)幅值與輸出電容C1、輸入信號(hào)間的關(guān)系曲線。可以看出，C1越大，正弦信號(hào)幅值越接近開路電壓，當(dāng)輸入信號(hào)大于350 mV時(shí)正弦信號(hào)出現(xiàn)形變，即電壓失真；圖12（b）是x軸線圈處正弦信號(hào)幅值的變化曲線，正弦信號(hào)幅值隨著C1線性增加；圖12（c）是x軸線圈驅(qū)動(dòng)電路電流有效值的變化曲線，電流隨著C1線性增加；圖12（d）～12（f）是y軸線圈驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試結(jié)果，圖12（d）是y軸功率放大器輸出電容C2處正弦信號(hào)幅值與輸出電容C2、輸入信號(hào)間的關(guān)系曲線，與圖12（a）有相同的變化趨勢(shì)，當(dāng)輸入信號(hào)大于350 mV時(shí)電壓出現(xiàn)失真；圖12（e）是y軸線圈處正弦信號(hào)電壓峰峰值的變化曲線，與圖12（b）有相同的變化趨勢(shì)；圖12（f）是y軸線圈驅(qū)動(dòng)電路電流有效值的變化曲線，與圖12（c）有相同的變化趨勢(shì)。從圖12中可以看出，x軸和y軸線圈驅(qū)動(dòng)電路特性具有一致性，由于線路以及器件等因素又存在一定差異。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，功率放大器輸出電容值增加的過程中，線圈驅(qū)動(dòng)電路的輸出功率和電流顯著增加，當(dāng)功率放大器的輸入信號(hào)在0～400 mV、輸出電容為220～2 200μF，線圈驅(qū)動(dòng)電路電流調(diào)整為0～636 mA，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0～24 168 nT。則可得出通過功率放大器輸入信號(hào)與輸出電容的協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)線圈輸出功率以及工作電流的大范圍調(diào)整，這與圖9（a）中的仿真結(jié)果相符合。

圖12 電壓對(duì)輸出特性影響的測(cè)試結(jié)果Fig.12 Test result of influence of voltage on output charateristics

4.2.3 阻性負(fù)載對(duì)輸出功率的影響

本節(jié)開展線圈驅(qū)動(dòng)電路中功率放大器輸入信號(hào)與功率電阻協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)線圈驅(qū)動(dòng)電路工作電流精密調(diào)整的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖13是功率放大器輸出電容220μF、輸入信號(hào)70～100 mV、限流功率電阻2Ω、可調(diào)功率電阻分別為0，2，10，20和30Ω時(shí)，線圈驅(qū)動(dòng)電路工作電流在輸入信號(hào)與功率電阻協(xié)同控制下調(diào)整精度的測(cè)試結(jié)果。圖13（a）和13（b）是x軸驅(qū)動(dòng)電路線圈工作電流特性測(cè)試結(jié)果。圖13（a）是輸入信號(hào)線圈工作電流調(diào)整精度測(cè)試，當(dāng)功率電阻為2，4，12，22和32Ω時(shí)，對(duì)應(yīng)的線圈工作電流調(diào)整系數(shù)是0.209 9，0.189 8，0.178 2，0.148 8和0.139 3 mA/mV。圖13（b）是功率電阻的線圈工作電流調(diào)整精度的測(cè)試結(jié)果，輸入信號(hào)為70，80，90和100 mV，對(duì)應(yīng)的線圈工作電流調(diào)整系 數(shù) 是-0.102 59，-0.122 12，-0.145 25和-0.169 49 mA/Ω。圖13（c）和13（d）是y軸驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試結(jié)果。圖13（c）為輸入信號(hào)線圈工作電流調(diào)整精度測(cè)試，當(dāng)功率電阻為2，4，12，22和32Ω，對(duì)應(yīng)的線圈工作電流調(diào)整系數(shù)是0.235 3，0.219 4，0.206 4，0.181 1和0.157 2 mA/mV。圖13（d）是功率電阻的線圈工作電流調(diào)整精度的測(cè)試結(jié)果，輸入信號(hào)為70，80，90和100 mV，對(duì)應(yīng)的線圈工作電流調(diào)整系數(shù)是-0.128 32，-0.158 01，-0.162 64和-0.208 21 mA/Ω。經(jīng)測(cè)試輸入信號(hào)調(diào)整精度為5 mV，則對(duì)應(yīng)的最小電流調(diào)整精度為1 mA；目前功率電阻的調(diào)整精度為0.2Ω，對(duì)應(yīng)最小電流的調(diào)整精度為0.03 mA，實(shí)驗(yàn)中并未準(zhǔn)備相應(yīng)精度的功率電阻，因此功率電阻最小電流的調(diào)整精度并未經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)線圈驅(qū)動(dòng)電路電流有效值為10 mA，即電流峰峰值為14 mA，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度為560 nT，此時(shí)對(duì)輸入信號(hào)與功率電阻協(xié)同控制下的最小電流調(diào)整精度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，電流調(diào)整精度優(yōu)于0.1 mA，則對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的調(diào)整精度優(yōu)于5 nT，完全滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，利用驅(qū)動(dòng)電路各模塊的相互耦合特性，通過模塊間協(xié)同控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度精密控制和調(diào)整具有可行性，同時(shí)驗(yàn)證了本文旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置設(shè)計(jì)的合理性。

圖13 工作電流在輸入信號(hào)與功率電阻協(xié)同控制下的測(cè)試結(jié)果Fig.13 Test results for working current under control of input signal and power resistance

4.3 正交信號(hào)源相位調(diào)整精度測(cè)試

圖14是兩正交信號(hào)相位差調(diào)整精度的測(cè)試結(jié)果。受線圈驅(qū)動(dòng)電路影響，正交信號(hào)源輸出信號(hào)傳輸至x軸和y軸線圈時(shí)相位差變化特性的測(cè)試結(jié)果如圖14（a）所示，兩正弦信號(hào)相位差偏離了90°。經(jīng)11組數(shù)據(jù)取平均后相位差為86.158°，線圈驅(qū)動(dòng)電路引起的相位差變化量為3.8°，對(duì)相位變化量進(jìn)行補(bǔ)償，兩AD9852相位控制字差由0x1000調(diào)整為0x10AD。圖14（b）給出了相位補(bǔ)償后的測(cè)試結(jié)果。對(duì)16組數(shù)據(jù)取平均得到兩正弦信號(hào)相位差為90.145°，說明相位變化量得到很好的補(bǔ)償，滿足了系統(tǒng)的技術(shù)要求。

圖14 兩正交信號(hào)相位差調(diào)整精度測(cè)試結(jié)果Fig.14 Test result for phase difference compensation of quadrature signal sources

4.4 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置穩(wěn)定性分析及后續(xù)改進(jìn)

從測(cè)試結(jié)果可以得出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度、相位差具有很好的調(diào)整精度，完全能夠滿足矢量原子磁力儀地磁場(chǎng)測(cè)量的需求。然而，在時(shí)域上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的工作頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度仍然存在一定的漂移，勢(shì)必會(huì)影響矢量原子磁力儀測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)。此外，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，DDS相位同步技術(shù)對(duì)PCB設(shè)計(jì)以及工藝有很高的要求，偶爾會(huì)出現(xiàn)相位不同步的現(xiàn)象，筆者認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠的相位精密調(diào)控的多路輸出信號(hào)源，應(yīng)基于FPGA通過嚴(yán)格的時(shí)鐘和時(shí)序管理，才能從根本上解決這個(gè)問題。

5 結(jié) 論

本文提出的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置通過輸入信號(hào)、功率放大器輸出電容可以實(shí)現(xiàn)線圈驅(qū)動(dòng)電路工作電流的大范圍調(diào)整，并產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度在0～241 68 nT內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；通過輸入信號(hào)與功率電阻的協(xié)同控制，可以實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的精密調(diào)整和控制，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為560 nT時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的調(diào)整精度優(yōu)于5 nT；正弦信號(hào)相位差設(shè)計(jì)的控制精度是0.022°，測(cè)試結(jié)果顯示正弦信號(hào)相位差變化量得到了很好的補(bǔ)償和調(diào)整。綜上所述，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足矢量原子磁力儀對(duì)地磁場(chǎng)測(cè)量的應(yīng)用需求。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置為矢量原子磁力儀的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也可用于冶金［24］、生物科學(xué)、醫(yī)療診斷以及相關(guān)的基礎(chǔ)物理研究，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。