氦光泵磁力仪测试探头的设计与实现

陈恩 宗发保

（第七一五研究所，杭州，310023）

氦光泵磁力仪测试探头的设计与实现

陈恩 宗发保

（第七一五研究所，杭州，310023）

设计实现了一种能够模拟氦光泵探头的测试探头，根据实测数据绘制出了其基频的幅频特性曲线和二倍频的幅频特性曲线，与理论的氦光泵的基频和二倍频信号幅频曲线相一致。

氦光泵磁力仪；测试探头；拉莫尔调频信号；共振信号

氦光泵磁力仪以氦原子在外磁场中发生塞曼分裂为基础，利用光泵作用和磁共振研制而成，将对磁场的测量转换成对频率的测量，已被广泛地用于磁法勘探、航空反潜等领域。氦光泵磁力仪测试探头，能模拟出氦光泵探头对拉莫尔调频信号的解调和共振信号产生，能够代替氦光泵探头实现磁力仪系统的跟踪。在没有氦光泵探头的情况下，可以实现对磁力仪系统（除光泵探头外）的调试。可以在排除外界磁场干扰和氦光泵探头本身的光噪声及电噪声的情况下，完成对信号处理电路部分的噪声测试。

1 氦光泵探头原理

1.1 氦光泵组成

氦光泵磁力仪是利用氦原子磁性及光学取向来测量磁场的一种仪器，其中氦光泵探头是磁力仪的核心部件，主要由氦灯、氦吸收室、光学部件、射频线圈、高频激励和光敏元件组成。

1.2 氦光泵磁共振现象

氦灯、氦吸收室内充高纯度的氦气，氦灯在高频激励的作用下，产生辉光放电，它的发光光谱即是氦气体发光的光谱。氦吸收室在高频激励的作用下，被激发而发出淡蓝色的弱光，这时一部分原来没有磁性的氦原子就变成带磁性的亚稳态原子。亚稳态的氦原子吸收来自氦灯发出的波长为1.08 μm的D线后，沿外磁场方向排列，叫做“光泵作用”。这时，在射频线圈上加一个频率为f的射频信号，改变f，使它等于一个适当的频率fo时，射频场能够把已排列好的氦原子打乱，这个现象叫磁共振现象。其中，fo=28.023 56T，T为外界磁场值。

1.3 磁力仪自动跟踪原理

实现磁力仪的测量磁场的基本过程是：用高频激励的方法，使吸收室内的氦原子获得磁性；用氦灯发射出1.08 μm的D线，经过启偏器和1/4λ波片处理成圆偏振光，照射吸收室，使氦原子沿外磁场方向排列；逐步改变射频信号的频率，使氦原子吸收光量最大，检测到的光敏元件上的反向电流最小；测出射频信号的频率，换算成磁场值。这种手调的方法虽然可以测定某一固定点的恒定磁场，但在测定随时间变化的磁场时，就不能胜任了，同时也不能适应高精度的测量。因此，必须采用自动测量的电子自动跟踪装置。

要实现自动跟踪，必须将射频信号以调制频率fn做上下摆动，即输出频率f= fo+Δfcos2πfn，使光敏元件输出一个交流量，其共振曲线如图1所示，其中X轴是射频频率，Y轴是光敏元件上检测到的光强，光强最低点是磁共振点[1]。而光敏元件的伏安特性如图2所示，光强越强反向电流越大[2]。光敏元件的输出幅度如图3所示。

图1 氦光泵探头磁共振曲线

图2 光电二极管的伏安特性

由图3可知，在f≠ fo时，光敏元件的输出相位不同。经过相敏检波输出后，当f＜fo，相敏输出为正；当f＞fo时，相敏输出为负；当f=fo时，相敏输出为零。通过相敏检波的输出来改变压控振荡器的输出频率，使f=fo来实现磁力仪的自动跟踪。

图3 光敏元件输出幅度

2 测试探头电路设计

由上一节可知，氦光泵探头的输入为一个调频的射频信号，经过氦光泵探头的磁共振作用后，输出基频信号和二倍频信号。其输出的幅频特性曲线与LC谐振回路的幅频特性曲线一致，可以考虑使用单失谐回路斜率鉴频电路。调频波是一个频率随调制信号变化而变化的等幅波，如果能把频率的变化通过振幅的变化反映出来(而且成正比例关系)，那么就可以用振幅包络检波电路把振幅的包络取下来，得到所需要的调制信号。原理框图如图4所示。

图4 单失谐回路斜率鉴频电路原理框图

频幅变换是一个以LC并联谐振回路作负载的调谐放大器，其回路的谐振频率不是调谐在输入调频信号的中心频率Fc上，而是高于或低于Fc，因此称之为失谐回路，其幅频特性曲线如图5（a）所示，其特性与氦光泵探头光敏元件输出的幅频特性曲线一致。调幅信号再经过包络检波就可以得到需要的低频调制信号，其波形变换如图5（b）所示。射频调频信号经过前端的LC并联谐振放大后，产生一个调幅信号，再经过两个二极管包络检波后，输出一个基频信号（在谐振点处，输出二倍频信号）到信号处理器，电路原理图如图6所示。

图5 波形变换原理图

图6 氦光泵测试探头电路原理图

3 实验结果及分析

用Tektronix-TDS2022示波器及磁力仪信号处理器对测试探头进行测试得到图7所示的幅频特性曲线，其中（a）为基频信号的幅频特性曲线，（b）为二倍频幅频特性曲线。可以看出测试探头的基频和二倍频的幅频特性曲线与氦光泵探头的曲线相一致。图8为共振区外的基频和二倍频信号，其幅度近似为零。图9为共振点处的基频和二倍频信号，二倍频经过信号处理器放大后的信号有效值幅度有11.3 V，此时的二倍频信号幅度最大。图10为共振区内斜率最大处的基频和二倍频信号，基频信号经过信号处理器放大后的信号有效值幅度有8.47 V，此时的基频信号幅度最大。

图7 测试探头的幅频特性曲线

图8 共振区外的基频和二倍频信号

图9 共振点

图10 共振区内斜率最大处

4 结论

由实验结果可知，氦光泵测试探头的基频和二倍频的幅频特性曲线与氦光泵探头的曲线一致，所以本文设计的氦光泵测试探头能够模拟实际的氦光泵探头实现对拉莫尔调频信号的解调和共振信号的产生，实现整个磁力仪系统的跟踪。在没有氦光泵探头的情况下，可以实现对磁力仪系统（除光泵探头外）的调试。可以在排除外界磁场干扰和氦光泵探头本身的光噪声及电噪声的情况下，完成对信号处理电路部分的噪声测试。在磁力仪发生故障时，也可以作为磁力仪系统的故障检测设备，对磁力仪的故障位置进行定位。

本文设计的氦光泵测试探头在共振区内的线性度不是很好，且其跟踪点是固定不可调的。在以后的工作中，可以考虑采用数字式的氦光泵测试探头，其具有较好的线性度，且跟踪点可以进行调节。

[1]张振宇,程德福.氦光泵磁力仪信号的分析与检测[J].仪器仪表学报,2011,32(12):2.

[2]胡静.光电二极管的工作原理及应用特性分析[J]．贵州科技工程职业学院学报,2006,1(1):1.