CN110927635B - 一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法 - Google Patents

一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110927635B
CN110927635B CN201911341516.1A CN201911341516A CN110927635B CN 110927635 B CN110927635 B CN 110927635B CN 201911341516 A CN201911341516 A CN 201911341516A CN 110927635 B CN110927635 B CN 110927635B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
signal
magnetic
voltage
loop
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201911341516.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110927635A (zh
Inventor
周向阳
李煜乾
刘欣跃
索雨辰
宋欣达
韩邦成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN201911341516.1A priority Critical patent/CN110927635B/zh
Publication of CN110927635A publication Critical patent/CN110927635A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110927635B publication Critical patent/CN110927635B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0029—Treating the measured signals, e.g. removing offset or noise
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0023—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration
    • G01R33/0041—Electronic aspects, e.g. circuits for stimulation, evaluation, control; Treating the measured signals; calibration using feed-back or modulation techniques

Abstract

本发明公开了一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，包括上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元，实现磁场补偿的闭环控制，可在磁场锁零实现SERF态条件下测量磁场，所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元包括光电探测器，前置放大器和AD模块，数据处理单元包括锁相放大器，磁场精密控制单元包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈。本发明满足心脑磁测量用的小型化SERF原子磁强计磁场补偿持续锁零的要求，实现闭环工作模式输出，可保证在测量磁场时一直满足SERF态，提高磁强计灵敏度。

Description

一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计 方法
技术领域
本发明属于极弱磁测量的传感器小型化应用的磁闭环补偿控制技术领域，涉及一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，满足心脑磁测量用的小型化SERF原子磁强计磁场补偿持续锁零的要求，可保证在测量磁场时一直满足SERF态。
背景技术
量子磁场精密测量是以量子调控为主要探测手段，实现对磁信号的量子精密测量技术，可显著提高磁场测量精度和灵敏度，是新一代高性能磁场探测方法，对我国基础物理、磁异常探测、生命科学、人工智能、古地磁学等领域具有重要意义，也是国外严密封锁和禁运的核心技术。探索和揭示人脑功能奥秘一直是人类和科学界的梦想。近年来，随着人工智能技术取得突破性进展，脑科学的巨大潜力再次受到各国政府和科学界的高度重视。利用量子磁场精密测量方法测量心脑磁并生成新型无损被动高分辨率心脑磁成像来对心脏，大脑活动或病理进行研究是未来的发展趋势。
小型化SERF磁强计样机灵敏度与国外产品差距较大，急需研制兼具高精度与小体积的SERF磁强计探头，实现心、脑磁测量，在原位磁补偿方法方面，小型化SERF原子磁强计补偿方法使用首先在抽运光方向增加调制信号，进行抽运光方向垂直平面两轴磁补偿，该方法补偿精度低且未实现自动。在原子磁强计极弱磁测量领域国内有坚实基础，在心脑磁测量小型化方面也有一定进展，但仍需努力，其中磁补偿闭环自动控制系统缺乏实践研究。
发明内容
本发明的技术解决问题是：在现有心脑磁应用的小型化SERF磁强计主动补偿方法中，补偿精度低，且不能持续磁场锁零，该发明提供一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小，可保证在测量磁场时一直满足SERF态，提高磁强计灵敏度。
本发明技术解决方案：一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，包括：上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元，所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元实现气室透射光强信号的探测放大和模数转换，包括光电探测器，前置放大器和AD模块，光电探测器将气室透射光强信号转换为电流信号后，前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换进入总控芯片XILINX-ZYNQ7035；数据处理单元实现对光强响应调制磁场信号的提取放大，包括数字锁相放大器，在总控芯片PL(Programmable Logic)端中完成；磁场精密控制单元实现磁场信号的锁零控制，包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈，其中PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据反馈回来的处理过的光强信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环控制，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现主动磁场锁零的同时获得被测磁场大小。
一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统设计方法，包括如下步骤：
步骤(1)、信号发生单元根据上位机设置的参数使用FPGA cordic算法和PLL锁相环生成同频率同相位两个信号，分别为调制信号和参考信号。包括以下3个步骤：
步骤(11)、在上位机设置页面中设置信号参数：频率、相位和幅值；
步骤(12)、将信号参数通过RS232通信协议传输给下位机系统总控芯片PS端；
步骤(13)、总控芯片PS端和PL端交互通信，将传输来的信号参数通过PL端cordic算法生成两路同频同相的信号，并用锁相环PLL进行锁相，两路信号分别为调制信号和参考信号。
步骤(2)、碱金属气室原子在高温弱磁抽运光条件下实现SERF态，首先在激光的作用下将原子极化，极化后的碱金属原子内电子在光场、磁场的作用下的动力学方程可用Bloch方程来描述：
Figure BDA0002330907190000021
γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率。其稳态解为：
Figure BDA0002330907190000031
Figure BDA0002330907190000032
Figure BDA0002330907190000033
γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率。抽运光方向Z轴极化率携带了三轴磁场信息，而光电探测器PD接收的透射光强与抽运光方向Z轴原子极化率成线性关系，故光电探测器信号携带了三轴磁场信息，利用步骤1产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，光电探测器检测透射光强，并将气室透射光强信号转换为电流信号，然后前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换得到数字电压信号。包括以下3个步骤：
步骤(21)、碱金属气室在无磁电加热，激光抽运和屏蔽桶屏蔽条件下，光电探测器检测到的光强信号携带了三轴磁场信息，利用步骤(1)产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，利用光电探测器检测携带调制磁场信息的透射光强，选取硅光二极管作为光电探测器，硅光二极管在受光照时，产生一个与照度成正比的电流信号，故将光强信号转换为电流信号。
步骤(22)、对步骤(22)的电流信号，通过消偏前置放大器消偏放大，消偏前置放大电路包括二级放大：第一级为跨阻放大电路，含有隔离直流偏置的直流积分反馈回路，将光电流的交流成分转换为电压信号，第二级为反相放大电路，具有调节放大增益倍数的功能，最终实现光检信号电流转换为电压信号，消除直流偏置，并进行放大的作用；
步骤(23)、将步骤(22)的电压信号首先经过单端转差分电路，AD模块采用差分输入电压，这可以有效地抑制共模噪声和温度漂移的影响，通过AD采集模块进行模数转换，得到数字电压信号，便于后端PID控制器的数字处理。
步骤(3)、由步骤(2)数据采集单元得到的数字电压信号进入总控芯片PL端，总控芯片PL端中结合步骤(1)中产生的参考信号实现数字锁相放大器，锁相放大器对光强响应外界磁场信号的提取放大，得到数字锁相放大器输出与外界磁场的关系曲线。包括以下3个步骤：
步骤(31)、步骤(2)产生的数字电压信号进入总控芯片PL端，PL端实现数字锁相放大器功能，锁相放大器由两部分构成，乘法器和滤波器；
步骤(32)、数字电压信号和参考信号输入乘法器，电压信号中含有调制磁场信息，调制磁场与参考信号理论上同频同相，实际中会有频移，幅值没有达到最大值，从乘法器输出后进入低通滤波器，采用巴特沃斯低通滤波器；
步骤(33)、信号经过锁相放大器后得到与被测磁场有关的输出曲线。
步骤(4)、由步骤(3)得到的数字锁相放大器输出信号曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，且经过零点，故步骤(2)的磁场调制和步骤(3)的锁相放大的作用是做了微分，锁相放大器输出信号将非线性环节转换为一定程度的比例环节，可设计PID控制器将磁场锁到零点，PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据锁相放大器输出信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，可得出被测磁场，该信号经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环精密磁补偿控制回路，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小。包括以下4个步骤：
步骤(41)、步骤(3)中锁相放大器输出曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，曲线经过零点，设计PID控制器使锁放输出信号为零，即将磁场锁到零点，根据闭环系统传递函数设置P,I,D参数，P为比例、I为积分、D为微分，参数整定要分别设置三项参数，PID控制器输出控制信号；
步骤(42)、PID控制器输出控制信号的大小即为对应的待测磁场大小，通过线圈标定来确定他们之间对应的转换关系，从而得出被测磁场大小；
步骤(43)、PID控制器输出控制信号经DA模块进行数模转换，得到对应的模拟电压信号；
步骤(44)、上述得到的模拟电压信号通过压控电流源驱动三维线圈产生补偿磁场，最终形成闭环磁补偿控制回路，既得到被测磁场大小，且实现磁场锁零，实现小型化磁强计闭环工作模式输出。
本发明与现有心脑磁应用的小型化SERF磁强计主动补偿方法相比的优点在于：传统方法不能实现自动补偿，且不能持续磁场锁零，该发明提供一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法，可实现自动补偿磁场，实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小，可保证在测量磁场时一直满足SERF态，提高磁强计灵敏度。同时各个磁强计探头在闭环工作模式下自动补偿磁场，为未来脑磁探头阵列化提供技术基础。
附图说明
图1为本发明涉及的小型化单光束SERF磁强计磁补偿系统结构示意图；
图中附图标记含义为：1为4mm碱金属气室、2为激光器、3为准直光纤、4为起偏器、5为第一平面反射镜、6为1/4波片、7为第二平面反射镜、8为光电探测器PD、9为磁屏蔽桶、10为磁屏蔽线圈、11为AD转换模块、12为DA转换模块、13为铂电阻、14为功率放大器、15为加热膜、16为前置放大器、17为滤波器、18为压控电流源、19为磁补偿线圈、20为总控芯片、21为通信电路、22为上位机；
图2为本发明的基于极弱磁测量的小型化SERF磁强计精密磁补偿闭环控制系统结构框图；
图3为三轴不同磁场下光探测器吸收的光功率。即光电探测器吸收光强响应磁场关系曲线。横轴为不同磁场的值，纵轴为光电探测器吸收的光强；
图4为光电探测器吸收光强响应磁场关系曲线和经过调制和锁相放大后的锁相放大器输出曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明涉及的小型化单光束SERF磁强计系统结构示意图，包括4mm碱金属气室1、激光器2、准直光纤3、起偏器4、第一平面反射镜5、1/4波片6、第二平面反射镜7、光电探测器PD8、磁屏蔽桶9、磁屏蔽线圈10、AD转换模块11、DA转换模块12、铂电阻13、功率放大器14、加热膜15、前置放大器16、滤波器17、压控电流源18、磁补偿线圈19、总控芯片20、通信电路21、上位机22。磁屏蔽桶9、磁屏蔽线圈10实现对碱金属气室的被动磁屏蔽；激光器2、准直光纤3、起偏器4、第一平面反射镜5、1/4波片6、第二平面反射镜7、光电探测器PD8构成对气室内碱金属原子的光抽运和检测回路，AD转换模块11、DA转换模块12、铂电阻13、功率放大器14、加热膜15构成温度闭环控制回路；AD转换模块11、DA转换模块12、前置放大器16、滤波器17、压控电流源18、磁补偿线圈19构成磁补偿闭环控制回路，本发明在该小型化单光束SERF磁强计被动磁补偿，温度闭环控制回路和光抽运及检测回路实现基础上，提出一种基于极弱磁测量的小型化SERF磁强计磁补偿闭环控制系统及设计方法。图2即为该小型化SERF磁强计磁补偿闭环控制系统结构框图。
图2是本发明系统的结构框图，系统包括上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元，所述上位机系统通过通信单元RS232设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元实现气室透射光强信号的探测放大和模数转换，包括光电探测器，前置放大器和AD模块，光电探测器将气室透射光强信号转换为电流信号后，前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换进入总控芯片XILINX-ZYNQ7035；数据处理单元实现对光强响应调制磁场信号的提取放大，包括数字锁相放大器，在总控芯片PL(ProgrammableLogic)端中完成；磁场精密控制单元实现磁场信号的锁零控制，包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈，其中PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据反馈回来的处理过的光强信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环控制，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现主动磁场锁零的同时获得被测磁场大小。
具体设计方法包括如下步骤：
步骤(1)、信号发生单元根据上位机设置的参数使用FPGA cordic算法和PLL锁相环生成同频率同相位两个信号，分别为调制信号和参考信号。包括以下3个步骤：
步骤(11)、在上位机设置页面中设置信号参数：频率、相位和幅值，上位机使用labview显示设置图形界面；
步骤(12)、将信号参数通过RS232通信协议传输给下位机系统总控芯片PS端；
步骤(13)、总控芯片PS端和PL端交互通信，将传输来的信号参数通过PL端cordic算法生成两路同频同相的信号，并用锁相环PLL进行锁相，两路信号分别为调制信号和参考信号。
步骤(2)、碱金属气室原子在高温弱磁抽运光条件下实现SERF态，首先在激光的作用下将原子极化，极化后的碱金属原子内电子在光场、磁场的作用下的动力学方程可用Bloch方程来描述：
Figure BDA0002330907190000061
γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率。其稳态解为：
Figure BDA0002330907190000071
Figure BDA0002330907190000072
Figure BDA0002330907190000073
γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率。抽运光方向Z轴极化率携带了三轴磁场信息，而光电探测器PD接收的透射光强与抽运光方向Z轴原子极化率成线性关系，故光电探测器信号携带了三轴磁场信息，如图3所示，为三轴方向施加扫描磁场得出的光电探测器吸收光强响应磁场的关系曲线，抽运光方向(即Z轴)的光强随磁场变化先减小再增大，在零磁场有极小值，与抽运光方向垂直方向(即X、Y轴)的光强随磁场变化先增大再减小，在零磁场有极大值，故光电探测器吸收光强极值点对应零磁场。步骤1产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，光电探测器检测透射光强，并将气室透射光强信号转换为电流信号，然后前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换得到数字电压信号。
步骤(2)包括以下3个步骤：
步骤(21)、碱金属气室在无磁电加热，激光抽运和屏蔽桶屏蔽条件下，光电探测器检测到的光强信号携带了三轴磁场信息，利用步骤(1)产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，利用光电探测器检测携带调制磁场信息的透射光强，选取硅光二极管作为光电探测器，硅光二极管在受光照时，产生一个与照度成正比的电流信号，故将光强信号转换为电流信号。
步骤(22)、对步骤(22)的电流信号，通过消偏前置放大器消偏放大，消偏前置放大电路包括二级放大：第一级为跨阻放大电路，含有隔离直流偏置的直流积分反馈回路，将光电流的交流成分转换为电压信号，第二级为反相放大电路，具有调节放大增益倍数的功能，最终实现光检信号电流转换为电压信号，消除直流偏置，并进行放大的作用；
步骤(23)、将步骤(22)的电压信号首先经过单端转差分电路，AD模块采用差分输入电压，这可以有效地抑制共模噪声和温度漂移的影响，通过AD采集模块进行模数转换，得到数字电压信号，便于后端PID控制器的数字处理。
步骤(3)、由步骤(2)数据采集单元得到的数字电压信号进入总控芯片PL端，总控芯片PL端中结合步骤(1)中产生的参考信号实现数字锁相放大器，锁相放大器对光强响应外界磁场信号的提取放大，得到数字锁相放大器输出与外界磁场的关系曲线。
步骤(3)包括以下3个步骤：
步骤(31)、步骤(2)产生的数字电压信号进入总控芯片PL端，PL端实现数字锁相放大器功能，锁相放大器由两部分构成，乘法器和滤波器；
步骤(32)、数字电压信号和参考信号输入乘法器，电压信号中含有调制磁场信息，调制磁场与参考信号理论上同频同相，实际中会有频移，幅值没有达到最大值，从乘法器输出后进入低通滤波器，采用巴特沃斯低通滤波器；
步骤(33)、信号经过锁相放大器后得到与被测磁场有关的输出曲线。如图4虚线所示，锁相放大器输出在零磁场附近时与磁场矢量成线性关系，且经过零点，图4实线表示X轴或Y轴光电探测器吸收光强响应磁场曲线，步骤(2)的磁场调制和步骤(3)的锁相放大的作用是对光电探测器吸收光强响应磁场曲线做了微分。
步骤(4)、由步骤(3)得到的数字锁相放大器输出信号曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，且经过零点，故步骤(2)的磁场调制和步骤(3)的锁相放大的作用是做了微分，锁相放大器输出信号将非线性环节转换为一定程度的比例环节，可设计PID控制器将磁场锁到零点，PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据锁相放大器输出信号和输入设定值形成PID控制信号，该信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，可得出被测磁场，该信号经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环精密磁补偿控制回路，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小。
步骤(4)包括以下4个步骤：
步骤(41)、步骤(3)中锁相放大器输出曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，曲线经过零点，设计PID控制器使锁放输出信号为零，即将磁场锁到零点，根据闭环系统传递函数设置P,I,D参数，P为比例、I为积分、D为微分，参数整定要分别设置三项参数，PID控制器输出控制信号；
步骤(42)、PID控制器输出控制信号的大小即为对应的待测磁场大小，通过线圈标定来确定他们之间对应的转换关系，从而得出被测磁场大小；
步骤(43)、PID控制器输出控制信号经DA模块进行数模转换，得到对应的模拟电压信号；
步骤(44)、上述得到的模拟电压信号通过压控电流源驱动三维线圈产生补偿磁场，最终形成闭环磁补偿控制回路，既得到被测磁场大小，且实现磁场锁零，实现小型化磁强计闭环工作模式输出。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于，实现自动补偿磁场，实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小，可保证在测量磁场时一直满足SERF态，提高磁强计灵敏度；同时各个磁强计探头在闭环工作模式下自动补偿磁场，所述系统包括：上位机系统和信号发生单元、数据采集单元、数据处理单元和磁场精密控制单元；所述上位机系统通过通信单元设置信号发生单元信号参数，所述信号发生单元生成两路同频同相信号，数据采集单元实现气室透射光强信号的探测放大和模数转换，包括光电探测器，前置放大器和AD模块，光电探测器将气室透射光强信号转换为电流信号后，前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换进入总控芯片；数据处理单元实现对光强响应调制磁场信号的提取放大，包括数字锁相放大器，在总控芯片PL(Programmable Logic)端中完成；磁场精密控制单元实现磁场信号的锁零控制，包括PID控制器，DA模块，压控电流源和三维线圈，其中PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据反馈回来的处理过的光强信号和输入设定值形成PID控制信号，PID控制信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环控制，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现主动磁场锁零的同时获得被测磁场大小；
所述系统具体实现如下：
步骤(1)、信号发生单元根据上位机设置的参数使用FPGA cordic算法和PLL锁相环生成同频率同相位两个信号，分别为调制信号和参考信号；
步骤(2)、碱金属气室原子在高温弱磁抽运光条件下实现SERF态，首先在激光的作用下将原子极化，极化后的碱金属原子内电子在光场、磁场的作用下的动力学方程可用Bloch方程来描述：
Figure FDA0003040422190000011
γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率，其稳态解为：
Figure FDA0003040422190000021
Figure FDA0003040422190000022
Figure FDA0003040422190000023
γe为碱金属原子内电子的旋磁比；Rp为驱动激光的光抽运率；R1和R2分别为纵向弛豫率和横向弛豫率；Bx、By和Bz为各个方向的磁场分量；Px、Py和Pz为各个方向的电子极化率；抽运光方向Z轴极化率携带了三轴磁场信息，而光电探测器PD接收的透射光强与抽运光方向Z轴原子极化率成线性关系，故光电探测器信号携带了三轴磁场信息，利用步骤1产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，光电探测器检测透射光强，并将气室透射光强信号转换为电流信号，然后前置放大器通过高增益跨阻实现电流向电压的转换的放大，最后经AD模块对电压信号模数转换得到数字电压信号；
步骤(3)、由步骤(2)数据采集单元得到的数字电压信号进入总控芯片PL端，总控芯片PL端中结合步骤(1)中产生的参考信号实现数字锁相放大器，锁相放大器对光强响应外界磁场信号的提取放大，得到数字锁相放大器输出与外界磁场的关系曲线；
步骤(4)、由步骤(3)得到的数字锁相放大器输出信号曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，且经过零点，步骤(2)的磁场调制和步骤(3)的锁相放大的作用是做了微分，锁相放大器输出信号将非线性环节转换为一定程度的比例环节，设计PID控制器将磁场锁到零点，PID控制器在总控芯片PS(Processor System)端中完成，PID控制器根据锁相放大器输出信号和输入设定值形成PID控制信号，PID控制信号为电压信号，该电压信号对应被测磁场大小，可得出被测磁场，PID控制信号经DA模块进行数模转换后输入给压控电流源，压控电流源的输出电流驱动三维线圈产生对应的补偿磁强，形成闭环精密磁补偿控制回路，最终实现小型化SERF磁强计闭环工作模式输出，在实现磁场锁零的同时获得被测磁场大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于，步骤(1)中的信号发生单元包括以下步骤：
步骤(11)、在上位机设置页面中设置信号参数：频率、相位和幅值；
步骤(12)、将信号参数通过RS232通信协议传输给下位机系统总控芯片PS端；
步骤(13)、总控芯片PS端和PL端交互通信，将传输来的信号参数通过PL端cordic算法生成两路同频同相的信号，并用锁相环PLL进行锁相，两路信号分别为调制信号和参考信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于，步骤(2)中的数据采集单元包括以下步骤：
步骤(21)、碱金属气室在无磁电加热，激光抽运和屏蔽桶屏蔽条件下，光电探测器检测到的光强信号携带了三轴磁场信息，利用步骤(1)产生的调制信号施加于三维线圈对被测磁场进行调制，利用光电探测器检测携带调制磁场信息的透射光强，选取硅光二极管作为光电探测器，硅光二极管在受光照时，产生一个与照度成正比的电流信号，故将光强信号转换为电流信号；
步骤(22)、对步骤(22)的电流信号，通过消偏前置放大器消偏放大，消偏前置放大电路包括二级放大：第一级为跨阻放大电路，含有隔离直流偏置的直流积分反馈回路，将光电流的交流成分转换为电压信号，第二级为反相放大电路，具有调节放大增益倍数的功能，最终实现光检信号电流转换为电压信号，消除直流偏置，并进行放大的作用；
步骤(23)、将步骤(22)的电压信号首先经过单端转差分电路，AD模块采用差分输入电压，有效地抑制共模噪声和温度漂移的影响，通过AD采集模块进行模数转换，得到数字电压信号，便于后端PID控制器的数字处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于，步骤(3)中的数据处理单元包括以下步骤：
步骤(31)、步骤(2)产生的数字电压信号进入总控芯片PL端，PL端实现数字锁相放大器功能，锁相放大器由两部分构成，乘法器和滤波器；
步骤(32)、数字电压信号和参考信号输入乘法器，电压信号中含有调制磁场信息，调制磁场与参考信号理论上同频同相，实际中会有频移，幅值没有达到最大值，从乘法器输出后进入低通滤波器，采用巴特沃斯低通滤波器；
步骤(33)、信号经过锁相放大器后得到与被测磁场有关的输出曲线。
5.根据权利要求1所述的一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统，其特征在于：步骤(4)中的磁场精密控制单元包括以下步骤：
步骤(41)、步骤(3)中锁相放大器输出曲线在零磁场附近时与三个正交方向的磁场矢量成线性关系，曲线经过零点，设计PID控制器使锁放输出信号为零，即将磁场锁到零点，根据闭环系统传递函数设置P,I,D参数，PID控制器输出控制信号；
步骤(42)、PID控制器输出控制信号的大小即为对应的待测磁场大小，通过线圈标定来确定他们之间对应的转换关系，得出被测磁场大小；
步骤(43)、PID控制器输出控制信号经DA模块进行数模转换，得到对应的模拟电压信号；
步骤(44)、所得到的模拟电压信号通过压控电流源驱动三维线圈产生补偿磁场，最终形成闭环磁补偿控制回路，既得到被测磁场大小，且实现磁场锁零，实现小型化磁强计闭环工作模式输出。
CN201911341516.1A 2019-12-23 2019-12-23 一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法 Expired - Fee Related CN110927635B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911341516.1A CN110927635B (zh) 2019-12-23 2019-12-23 一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911341516.1A CN110927635B (zh) 2019-12-23 2019-12-23 一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110927635A CN110927635A (zh) 2020-03-27
CN110927635B true CN110927635B (zh) 2021-06-22

Family

ID=69860740

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911341516.1A Expired - Fee Related CN110927635B (zh) 2019-12-23 2019-12-23 一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110927635B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112114279A (zh) * 2020-08-25 2020-12-22 北京航天控制仪器研究所 一种芯片式高精度三轴矢量原子磁力仪
CN112505595B (zh) * 2020-11-19 2023-06-16 季华实验室 一种高带宽高灵敏闭环serf原子磁力计装置
CN112816926B (zh) * 2020-12-29 2022-02-25 上海交通大学 基于光泵核磁共振的三维线圈系数标定方法
CN113466757A (zh) * 2021-06-18 2021-10-01 之江实验室 一种基于惯性测量装置的自动磁补偿系统
CN114035128B (zh) * 2021-09-15 2023-01-03 杭州诺驰生命科学有限公司 原子磁强计、弱磁测量系统和方法、计算机程序产品、计算机设备以及可读存储介质
CN114217248B (zh) * 2021-12-13 2022-11-15 北京航空航天大学 一种主被动混合磁屏蔽系统及设计方法
CN114460506B (zh) * 2021-12-22 2023-08-15 北京自动化控制设备研究所 基于变参数控制的磁共振信号相位闭环控制方法及系统
CN115855122A (zh) * 2022-11-21 2023-03-28 珠海多创科技有限公司 一种对传感器芯片进行温度补偿的方法、装置及电子设备

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI20001820A (fi) * 1999-12-13 2001-06-14 Valtion Teknillinen Menetelmä magneettisuojatun huoneen magneettisten häiriöiden vaimentamiseksi
US9329152B2 (en) * 2011-08-05 2016-05-03 Wisconsin Alumni Research Foundation Gas magnetometer
US9366735B2 (en) * 2012-04-06 2016-06-14 Hitachi, Ltd. Optical pumping magnetometer
CN103412268B (zh) * 2013-08-07 2015-10-28 北京航空航天大学 一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法
CN104730484B (zh) * 2015-03-23 2017-06-16 东南大学 一种原子自旋磁强计serf态的判定方法
CN105258690B (zh) * 2015-10-28 2017-12-26 北京自动化控制设备研究所 一种用于核磁共振陀螺仪磁共振激励磁场的闭环操控方法
CN106093808B (zh) * 2016-06-27 2018-11-09 北京航空航天大学 一种基于电光调制的原子自旋进动检测方法及装置
CN107425850B (zh) * 2017-07-25 2020-10-16 北京航空航天大学 一种serf原子自旋陀螺仪用双通道数字锁相放大器
CN108120432A (zh) * 2017-12-20 2018-06-05 北京航空航天大学 一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器
CN109597010A (zh) * 2018-12-04 2019-04-09 北京昆迈生物医学研究院有限公司 一种基于主动补偿的高性能磁屏蔽装置与方法
CN109738837B (zh) * 2019-02-22 2020-09-25 北京航空航天大学 一种用于单光束serf原子磁强计的剩余磁场原位补偿方法
CN109946629A (zh) * 2019-03-26 2019-06-28 北京航空航天大学 一种基于锁相环分段pid的光泵磁强计闭环控制方法
CN110261796B (zh) * 2019-06-10 2020-07-14 北京航空航天大学 一种基于零场共振的serf原子磁强计及磁补偿方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110927635A (zh) 2020-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110927635B (zh) 一种基于极弱磁测量的小型磁强计磁闭环控制系统及设计方法
CN103412268B (zh) 一种单光束非屏蔽原子磁强计及其检测方法
Stürner et al. Integrated and Portable Magnetometer Based on Nitrogen‐Vacancy Ensembles in Diamond
CN112731226B (zh) 基于光强差分的单光束原子磁强计偏置及噪声抑制方法
Fang et al. In situ magnetic compensation for potassium spin-exchange relaxation-free magnetometer considering probe beam pumping effect
WO2019126038A1 (en) Atom-based electromagnetic field sensing element and measurement system
Fourcault et al. Helium-4 magnetometers for room-temperature biomedical imaging: toward collective operation and photon-noise limited sensitivity
CN101441253A (zh) 高灵敏度原子磁力仪
CN110426651A (zh) 基于serf磁强计的三维原位磁线圈标定实验装置及方法
CN111007443B (zh) 一种采用cpt磁力仪进行弱磁场测量的方法及cpt磁力仪
CN112834967B (zh) 一种单光束混合光抽运系统及其背景光强抑制方法
Zhang et al. Magnetocardiography measurements by microfabricated atomic magnetometer with a 3-D spherical alkali vapor cell
Zhao et al. A non-modulated triaxial magnetic field compensation method for spin-exchange relaxation-free magnetometer based on zero-field resonance
CN111060853B (zh) 基于电子顺磁共振-核磁共振的三维磁场原位测量方法
Ran et al. A highly integrated, high-sensitivity magnetometer based on diamond nitrogen-vacancy centers
Zheng et al. The possibility of integrating NV magnetometer array by using wireless microwave excitation and its application in remote heart sound records
CN112433186A (zh) 低功耗核磁共振量子磁强计测量系统及其测量方法
Jia et al. Magnetic field interference suppression for minimized SERF atomic magnetometer
WO2022256992A1 (zh) 基于金刚石nv- 15n耦合自旋体系的原子钟实现方法及装置
Ding et al. Influence of motion artifacts on the performance of optically pumped magnetometers and accuracy of magnetoencephalography source localization
Ding et al. Active stabilization of terrestrial magnetic field with potassium atomic magnetometer
Ibrahim et al. 29.2 A Scalable Quantum Magnetometer in 65nm CMOS with Vector-Field Detection Capability
Du et al. High-SNR magnetic field sensing using portable confocal magnetometer probe based on nitrogen vacancy centers in diamond
US10999109B2 (en) Device and method to transform discrete voltage pulses to a phase-sensitive continuous signal
US20230370075A1 (en) Implementation method and device of atomic clock based on diamond nv-14n coupling spin system

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210622

Termination date: 20211223

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee