提高锁相放大器测量交流磁化率精度的方法

裴 朝,崔益民,李 华,钱建强

(北京航空航天大学物理教学与实验中心,北京100191)

提高锁相放大器测量交流磁化率精度的方法

裴 朝,崔益民,李 华,钱建强

(北京航空航天大学物理教学与实验中心,北京100191)

在交流磁化率的测量实验中,互感法是常用方法,通常是利用线圈绕组和锁相放大器组合来测量样品在线圈中引起的电感变化.但这种方法其背景信号随绕组的增加而增大.本文采用2对线圈绕组并把两初级线圈反绕、两次级线圈同向绕的设计,减小背景信号,实际使用证明,经改进后测量灵敏度和测试精度都有很大提高.

交流磁化率;互感法;线圈绕组

1 引 言

交流磁化率的测量对于研究磁性材料,尤其是具有铁磁性或反铁磁性转变的材料具有重要意义.交流磁化率的测试方法主要有两类:1)交流互感电桥,如哈特森(Hart-sho rn)[1-2]电桥;2)自感法[3],即测量样品在线圈中引起的电感变化.常见的方法是将1对绕在同一空心轴上的线圈和锁相放大器连接,线圈分为初级线圈和次级线圈,初级线圈由锁相放大器提供交变信号,产生交变磁场.样品放置在线圈的中心,当在初级线圈的交变磁场作用下,产生磁性改变时将引起次级线圈中的感生电流的变化而由锁相放大器测出.为了增大次级线圈信号,必须增加初级或次级线圈匝数,但随着匝数的增加,背景信号也随之增大.尽管交流磁化率测量技术相对简单和易于理解,但在实际测量中,往往由于样品的体积小或者是本征信号较小导致信号微弱,而使待测信号淹没在背景噪声中.本文将介绍2对四线圈的设计,利用串联绕向相反的两初级线圈产生反向的交变磁场,在两绕向相同的次级线圈中产生反向感生信号而使待测背景信号大大降低,从而达到提高信噪比的目的.

2 实验线圈改进与测量

图1是常用的互感式单对线圈测量交流磁化率的示意图,线圈采用0.05～0.125 mm的紫铜漆包线绕制,一般初级线圈为 100匝,电阻约10Ω,次级线圈为250匝,电阻约为20Ω.有2种绕法:一是次级线圈绕制在初级线圈的外围;另一种是初级和次级线圈由两股线同时绕制,初级线圈绕好后,次级线圈接着绕完.前者加工方便,但在变温测量时偶尔会出现背景噪声的升降,后者初级和次级线圈的整体性好,工艺上稍麻烦一些.采用这样的线圈,在频率1 k Hz、初级线圈上加0.5 V的电压时,次级线圈背景信号为180μV.图2是这种线圈测出的具有铁磁性转变样品的交流磁化率,当信号较强时,曲线是较光滑的,但当样品较少时,铁磁转变的信号便会淹没在背景噪声中,如图3所示.

图1 常用互感式单对线圈测量交流磁化率的示意图

图4是2对四线圈设计的示意图,这种设计中的两初级线圈是反向绕制的,其他参量相同,而两次级线圈是同向绕制的,也就是在这2个次级线圈中的感生电势反向,当它们串联时,信号相互抵消,从而降低了背景信号.背景信号降低的程度与线圈制造工艺密切相关.实际中采用四线圈结构,只要其中任一线圈的某圈有所松动,背景信号就会以μV量级增加.要使信号理想抵消,必须要求4个线圈在使用中稳定可靠,这就需要利用能在液氮甚至液氦温区工作的胶粘剂来保证.我们选用单组份低温环氧胶RAL 231作为胶粘剂,同时采用二次固化工艺,也就是按上述方法绕制好2对线圈,浸渍低温胶,待其固化后测量背景信号,如信号偏大,则采取二次缠绕来降低背景信号,并进行再次涂胶固化的工艺.这样制好的线圈在使用前还需要进行多次升降温实验锻炼,以消除胶粘剂固化线圈的锻炼效应,从而得到期望稳定的极小测量背景信号.经过改进后,在频率为1 k Hz,初级线圈上加0.5 V的电压时,次级线圈背景信号为0.5～1.0μV.图5是当样品较少时,此种线圈测出的具有铁磁性转变样品交流磁化率,对比图3铁磁转变的信号有了显著的改善.实际测量精度的改善程度可以从曲线的原始实验数据比较得出,如表1所示.当背景信号压低以后,2对四线圈的设计中锁相放大器的测量精度为0.000 1μV,对比图3中单对线圈的精度0.01μV,改进后的精度提高近2个量级.

图2 单对线圈测出的具有铁磁性转变LaM nO3+δ样品交流磁化率随温度变化曲线

图3 当样品LaMnO3+δ较少时的单对线圈测出交流磁化率随温度变化曲线

图4 2对四线圈设计的示意图

图5 由2对线圈测量出的样品LaMnO3+δ较少时的交流磁化率随温度变化曲线

表1 图3和图5曲线的部分原始实验数据

3 结束语

在不改变测量灵敏度的情况下,通过2对四线圈设计以及绕制过程中的工艺保证,显著降低了背景信号,提高了互感法测量交流磁化率的微弱信号测量能力.实际使用证明,这一改进能够有效提高实验测量精度近2个量级,扩大其应用范围.

[1]詹文山.交流磁化率的测量[J].物理,1982,(12):732-736.

[2]美国Lake Shore公司新产品[J].国外科学仪器,1989,(2):45-46.

[3]磁性材料、超导材料和器件[J].中国无线电电子学文摘,1997,(6):3-8.

[责任编辑:郭 伟]

Improving accuracy of AC susceptibility measurement with lock-in amplifier

PEIZhao,CU I Yi-min,L IHua,Q IAN Jian-qiang
(Physics Education and Experiment Center,Beihang University,Beijing 100191,China)

M utual inductance method is w idely used in measuring ac suscep tibility.A commonly used way is to use coil w inding and lock-in amp lifier together to measure the inductance changes caused by samp les in the coils.However,in this method,background signals increase w ith the increasing num ber of w indings.In this paper,by using two pairs of coil w indings,including two reverse-w inding p rimary coils and two coherent-w inding secondary coils,background signals are decreased distinctly.The experiment also p roves that the change largely imp roves the measuring sensitivity and testing accuracy.

AC suscep tibility;mutual inductancemethod;coil w inding

O441.2

A

1005-4642(2010)11-0038-03

2010-03-31;修改日期:2010-05-31

裴 朝(1983-),男,湖北宜昌人,北京航空航天大学物理学院助理实验师,硕士,从事物理实验教学工作.