基于锁相放大原理的磁电传感信号放大器

宋思宇，于向前，陈鸿飞，余中辉,董蜀湘

(1.北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所，北京 100871；2.北京大学工学院材料科学与工程系，北京 100871)

0 引言

磁场在空间环境研究中具有非常重要的意义[1]。近地空间的磁场由2部分叠加，一部分是地球内部产生的固有磁场，另一部分是空间环境中的扰动磁场，扰动磁场受到太阳产生的行星际磁场和太阳风动压的控制[2]。比如在磁暴期间，高能粒子的注入使得环电流中粒子通量增强，导致近地轨道上磁场强度减小。

地球磁层中存在不同频率的磁场波动，其频率范围在1 mHz～10 Hz之间变化，这些波动提供了磁层动力学过程中的关键信息[1]。通常将波动用Pc1～Pc5来表示，包括波-粒子相互作用(主要是Pc1和Pc2)和太阳风活动(主要是Pc3～Pc5)，各类波动的频率和幅度均有差异[1]。

在空间磁场探测中，磁通门磁强计和氦磁力仪具有高测量精度和高可靠性的优势，但它们的缺点是制造成本高和尺寸大。科学界对在卫星上搭载磁强计进行空间磁场探测的需求越来越大，对更便宜、轻便的空间磁场探测仪器的需求也越来越迫切[1]。商用磁强计在质量和体积等方面都具有优势[4]，但是噪声水平等性能限制了它们在空间磁场探测中的应用。最近，文献[5-6]研制了基于低成本商用磁场传感器的矢量磁强计，该磁强计在DC到10 Hz波段的分辨率优于3 nT，符合空间磁场探测需求，显示出商用磁场传感器在空间科学方面的应用潜力。

纵向-横向(L-T)模式磁电复合材料在外磁场的作用下能够产生电极化效应[7]，电极化率正比于外磁场大小。通过电极化效应，磁电复合材料能够将磁信号转化为电信号。L-T模式磁电复合材料有着广阔的应用前景，其中最为典型的应用就是制作磁电传感器。北京大学工学院董蜀湘团队基于L-T模式磁电复合材料制作的磁电传感器，其产生的电信号强弱正比于环境中的磁场[8-9]。这种磁电传感器可以作为未来磁场探测仪器的核心部件，搭载在卫星上实现对空间磁场的测量。

由于磁电传感器的输出信号较为微弱，且伴随着一定的噪声干扰，不能直接进行采集。为了解决该问题，设计了基于锁相放大原理的磁电传感信号放大器(以下简称“MSSA”)，能够将磁电传感器输出信号从噪声中提取并放大，从而实现对磁场的测量。

1 MSSA工作原理

磁电材料通过磁电效应将磁场H和电场E直接或间接地耦合起来。1972年，文献[10]提出复合材料的性能乘积概念，拉开了磁电复合材料研究的序幕。磁电复合材料一般以力场为媒介将磁和电耦合起来，即用磁致伸缩材料和压电材料复合，通过两相之间的应力应变传递，实现复合材料的磁性能和电性能的耦合。

2003年，董蜀湘等[11-14]根据磁致伸缩相的磁化方向和压电相的极化方向，系统研究了磁电层状复合材料的4种工作模式：纵磁化-纵极化(L-L)、纵磁化-横极化(L-T)、横磁化-纵极化(T-L)和横磁化-横极化(T-T)。其中字母代表磁性相的磁化方向和压电相的极化方向，纵向指的是长度方向，横向指的是厚度方向,工作模式如图1所示[13]。图中，M为磁致伸缩层，P为压电层。

L-L模式的磁电层状复合材料在理论上有最好的磁电电压耦合性能，但L-T模式磁电层状复合材料制备工艺简单、性能优良，拥有更为广阔的应用前景[7]。董蜀湘团队致力于L-T模式的磁电层状复合材料的应用研究,已成功制作出L-T层状磁电复合材料，可用来探测直流磁场和低频交流磁场[15]。

为了提取磁电传感器的信号并降低噪声干扰，MSSA采用锁相放大器对磁电传感信号进行提取和放大。锁相放大器利用和待测信号具有相同频率的参考信号作为比较基准，只对待测信号本身和与参考信号同频的噪声分量有响应，能够大幅度抑制无用噪声，提高测量精度[16]。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱信号检测的一种有效方法[17-18]。

锁相放大器包含前置放大电路、延时电路(相当于移相器)、相敏检波电路(相当于乘法器)、低通滤波电路(相当于积分器)和后置放大电路[19]，其内部框架图如图2所示。

待测信号为f1，参考信号为f2，可分别表示为：

f1(t)=V1cos(w1t+φ1)

(1)

f2(t)=V2cos(w2t+φ2)

(2)

式中：V1为f1峰值，V；w1为f1频率，Hz；φ1为f1初始相位，(°)；V2为f2峰值，V；w2为f2为频率，Hz；φ2为f2初始相位，(°)；t为时间，s。

相敏检波电路能将待测信号与参考信号相乘，经过相敏检波电路后的信号为S12，可表示为

S12(t)=V1V2cos(w1t+φ1)·cos(w2t+φ2)

(3)

由式(3)可知，输出信号包含交流分量和直流分量，输出信号接入低通滤波器，低通滤波器能将输出信号积分后取平均值输出，经过积分器后的信号为R12，可表示为

(4)

式中T为信号周期，s。

由式(4)可知，在待测信号f1和参考信号f2信号频率不相同的情况下，经过积分后的信号为零，当且仅当两者频率相等，即w1=w2时，积分器才有信号输出。

(5)

由式(5)可知，当待测信号f1与参考信号f2频率相等时，积分器的输出信号与待测信号幅度V1成正比。同时输出信号也和两者的初始相位差有关，当待测信号f1和参考信号f2同相时，输出信号达到最大值，而当相位差为90°时，输出信号变为零。

由上面的推导可知，当待测信号与参考信号同频同相时，锁相放大器能够从噪声中提取出待测信号，除了与参考信号同频的噪声，其余噪声均被过滤[20-21]。

2 MSSA电路结构

MSSA由激励电路、磁电传感器和锁相放大器构成，共包含3路，其内部结构如图3所示。

磁电传感器需要在一定频率的激励信号驱动下才能工作，其输出信号大小正比于外磁场强弱[2]。磁电传感器的输出信号经过锁相放大器，再传送至A/D转化为数字信号，CPU控制数字信号使其通过通讯接口传输到上位机。

2.1 激励电路

激励电路的作用是产生正弦波激励信号，激励信号源不仅为磁电传感器提供驱动，也为锁相放大器提供参考信号。

激励电路以ICL8038芯片为核心，ICL8038是具有多种波形输出的精密振荡集成电路，可以产生方波、三角波和正弦波。激励电路的结构如图4所示，ICL8038芯片可以通过外接电阻和电容调节输出正弦波的频率、幅度以及占空比，同时防止正弦波失真。ICL8038既可采用单电源供电，也可以采用双电源供电。图中激励电路采用+12 V单电源供电。

2.2 磁电传感器

磁电传感器结构如图5所示，传感器设计为差分结构，使其在没有磁场作用时输出为零。当存在外界磁场时，产生的信号强度为单端结构的2倍[22]。

磁电传感器的工作模式：首先将磁电传感器置于待测磁场环境中，将激励电路信号通过线圈加载在磁芯上。然后将传感器的信号进行差分放大，输出到锁相放大器电路中。当传感器频率处在谐振点上时，输出信号最大。

磁电传感器实物及其封装结构如图6和图7所示，磁电传感器为长条形，采用金属圆筒封装，通过DB9接口连接到MSSA。

2.3 锁相放大器

2.3.1 前置放大电路

由于磁电传感器输出信号较微弱，在信号进行锁相放大前，需要设置前置放大电路，前置放大电路使用的OPA627为场效应管差分输入放大器，具有噪声低、输入失调电压低的特点。前置放大电路的结构如图8所示，芯片采用±5 V电压供电，电路放大倍数为10，信号从IN-端口输入，OUT端口输出，输出端口连接相敏检波电路。

2.3.2 相敏检波电路

相敏检波电路使用的AD630是高精度、低温漂的平衡调制器。该芯片的应用范围较广，例如平衡调制解调、相敏检测、同步检波、锁相放大等。AD630具有非常好的信噪抑制比，频道带宽为5 MHz，通道失调电压仅为100 μV。这些特点可以保障电路的对称程度以及对微小信号的检测精度。

相敏检波电路等效于乘法器，能够将参考信号与待测信号相乘，只有当参考信号与待测信号频率相同时，输出信号中才包含直流分量，直流分量正比于待测信号强度，也正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，相敏检波电路结构如图9所示，采用±5 V电压供电，待测信号由VS+端口输入，参考信号由SELB端口输入，信号由OUTPUT端口输出，输出端口连接低通滤波电路。

2.3.3 低通滤波电路

经过相敏检波电路后，输出信号包含交流分量和直流分量，需要经过低通滤波电路过滤交流分量。低通滤波电路采用的NE5532是双通道、高性能低噪声的运算放大器。NE5532具有非常好的噪声性能和驱动能力，供电电压范围大，适合作为信号的滤波器或者移相器。该芯片为双通道芯片，可以组成多阶滤波电路。

利用NE5532组成了四阶低通滤波电路，可以有效提取出直流信号。低通滤波电路结构如图10所示，采用±5 V电压供电，信号从1IN+端口输入，2OUT端口输出。

2.3.4 后置放大电路

经过低通滤波电路提取出直流信号后，需要通过后置放大电路对直流信号再次放大，后置放大电路采用的TL082为双通道芯片，可以构成二级放大电路，后置放大电路结构如图11所示，采用±5 V电压供电，信号从1IN+端口输入，2OUT端口输出。

3 MSSA电路仿真

为了验证MSSA工作原理，本文采用Multisim软件绘制出电路结构进行仿真，仿真电路结构如图12所示。在图中a,b,c,d处设置探针，a测量经过前置放大器放大后的待测信号f1(t)，b测量参考信号f2(t)，c测量经过相敏检波电路后的信号，d测量经过低通滤波电路的信号。

3.1 待测信号与参考信号相位差为0°

当待测信号f1(t)与参考信号f2(t)频率相同，相位差为0°时，仿真结果如图13所示。仿真结果表明，同频同相的待测信号和参考信号经过相敏检波电路后，输出信号包含二次谐波分量和直流分量，经过低通滤波器后，只有直流分量得以保留。

3.2 待测信号与参考信号相位差为90°

当待测信号f1(t)与参考信号f2(t)频率相同，相位差为90°时，仿真结果如图14所示，相敏检波电路输出信号仅包含二次谐波分量，经过低通滤波器后，输出信号为零。

3.3 待测信号带噪声

当待测信号与参考信号同频同相，且待测信号中混有噪声时，仿真结果如图15所示，相敏检波电路输出信号经过低通滤波器后，可将输出信号中的直流分量提取出来，过滤掉噪声。

3.4 输出信号与输入信号曲线

当待测信号与参考信号同频同相时，改变待测信号的幅度，观察输出信号的幅度变化，仿真结果如图16所示，由图16可知，MSSA的测量线性区间约为0～130 mV。

3.5 频率响应曲线

将参考信号频率固定为23 kHz，调节待测信号的频率，测得MSSA输出信号变化如图17所示，由图17可知，MSSA带宽约为2 kHz。

由以上仿真结果可知，MSSA工作原理是有效的。在电路设计时，使待测信号与参考信号的频率与相位保持一致，此时MSSA的输出信号达到最大值。

4 MSSA磁场测量实验

4.1 实验环境与仪器

为了验证MSSA的性能，需要进行磁场测量实验，实验采用亥姆霍兹线圈来提供待测磁场。亥姆霍兹线圈可以制造小范围均匀磁场，将磁电传感器置入线圈之中。

由于实验室靠近地铁站，磁场扰动较大，需要将亥姆霍兹线圈和磁电传感器固定在磁屏蔽室里，避免外界磁场的干扰。图18为亥姆霍兹线圈和磁屏蔽室。

实验中，用KEITHLEY-6221A精密电流源激励亥姆霍兹线圈，为实验提供待测磁场。用激励信号源输出的信号驱动磁电传感器。实验中可通过调节电流大小和频率来改变待测磁场的强弱和频率。

4.2 实验内容与步骤

实验内容包括环境噪声测量、谐振频率测量、直流磁场测量、交流磁场测量。

(1)搭建好实验环境，如图19所示。将磁电传感器和亥姆霍兹线圈置于磁屏蔽室内，将电流源与亥姆霍兹线圈连接，磁电传感器与MSSA连接，MSSA输出信号由数字万用表或者数字示波器采集并传输到计算机。

(2)测量环境噪声。方便后续实验排除磁场扰动对测量结果的干扰。

(3)测量谐振频率。调整激励源信号频率，输出信号最大值对应频率即为谐振频率。

(4)测量直流磁场。将电流源输出调为直流模式，改变磁场大小和方向，测量MSSA输出信号并采集到计算机。

(5)测量交流磁场：将电流源输出调为交流模式，测量MSSA输出信号并采集到计算机。

4.3 环境噪声测量

连接好电路后，将电流源输入调整为零，用数字示波器测量MSSA输出信号，测得磁屏蔽室内磁场扰动约为5 nT。

4.4 谐振频率测量

连接好电路后，将电流源输出电流设置为直流，固定电流大小，改变激励信号频率，测量MSSA输出信号随频率的变化，实验结果如图20所示。由实验结果可知，MSSA的谐振频率约为23.0 kHz。

4.5 直流磁场测量

保持电流源输出电流为直流，使亥姆霍兹线圈产生直流磁场，通过改变电流大小调节磁场强弱，测得MSSA输出信号随磁场的变化如图21所示。

KEITHLEY-6221A电流源的输出电流范围为-105～105 mA，每1 mA电流对应157 nT磁场，故模拟实验测量的磁场范围为-16.485～16.485 μT。实验结果表明，在测量的磁场范围内，输出信号强弱与磁场大小成线性正相关关系，相关系数达0.997 5，故MSSA能够实现对直流磁场的测量。

实验结果表明，MSSA直流磁场灵敏度为3×10-4V/nT，分辨率约为0.3 nT,磁场量程大于±16.485 μT。

4.6 交流磁场测量

将电流源的输出电流设置为交流，频率为10 Hz,使亥姆霍兹线圈产生频率为10 Hz的交流磁场。固定电流大小，测得MSSA输出信号如图22所示，输出信号频率与磁场频率相同。

实验结果表明，在DC～10 Hz的范围内，MSSA能够实现对直流磁场和交流磁场的测量，量程、分辨率、灵敏度和频率均能满足空间磁场探测的需求。

5 结束语

基于L-T模式磁电复合材料制作的磁电传感器，可以将外界磁场转化为电信号，且制备工艺简单、性能优良，这种磁电传感器可以作为未来磁场探测仪器的核心部件，可搭载在卫星上实现对空间磁场的测量。

为了从噪声中提取并放大磁电传感器信号，本文设计了基于锁相放大原理的磁电传感信号放大器(MSSA)，介绍了MSSA的工作原理和电路结构，利用Multisim软件进行了电路仿真分析，仿真结果表明，MSSA工作原理是有效的。当待测信号与参考信号同频同相时，MSSA输出信号达到最大值。

本文利用亥姆霍兹线圈产生的磁场对MSSA进行了磁场测量实验，实验结果表明，MSSA磁场量程大于±16.485 μT，测量直流磁场灵敏度为3×10-4V/nT，分辨率为0.3 nT，能测量DC～10 Hz的磁场，能满足空间磁场的测量需求。