王維東，李國(guó)祝，梁尚清，辛 青，楊國(guó)卿，王曰海，李紹良，趙萬(wàn)良

(1.浙江大學(xué)，浙江杭州 310027；2.杭州電子科技大學(xué)，浙江杭州 310018；3.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

核磁共振陀螺通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)中核自旋進(jìn)動(dòng)頻率的精密測(cè)量實(shí)現(xiàn)角速度精密測(cè)量，因此磁場(chǎng)的精度和穩(wěn)定性對(duì)核磁共振陀螺而言極其重要。電流源通常通過(guò)反饋控制實(shí)現(xiàn)高精度，則高精度電流測(cè)量對(duì)電流的精確控制具有重要意義。此外，電流傳感器在其他行業(yè)中同樣有著重要的應(yīng)用，比如：汽車(chē)電源管理、太陽(yáng)能電池系統(tǒng)、智能電網(wǎng)以及其他需要非接觸式精確的電流測(cè)量的應(yīng)用行業(yè)等[1]。電流傳感器在國(guó)內(nèi)外有著不同程度的發(fā)展，其種類(lèi)繁多，非接觸式的電流傳感器包括羅氏線圈電流傳感器、霍爾效應(yīng)電流傳感器、光纖電流傳感器、磁致電阻(AMR、GMR、TMR、CMR等)電流傳感器等，在各方面都有著各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。

羅氏線圈電流傳感器和霍爾電流傳感器屬于比較傳統(tǒng)的電流傳感器，它們的靈敏度普遍較低，線性度在0.05%～1%之間[2-3]，新型的電流傳感器包括基于法拉第磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器以及基于巨磁阻效應(yīng)的GMR電流傳感器，它們具有非常高的靈敏度，光纖式的線性度為0.2%，GMR電流傳感器線性度在0.001%～0.05%之間[4-7]。

從以上可以看出，對(duì)于精密探測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)存電流傳感器都有著共同的缺點(diǎn)就是線性度不夠高，另外，光纖電流傳感器還有著易老化的現(xiàn)象存在。對(duì)此而言，基于光泵原子磁力儀的電流傳感器很好地解決了這些問(wèn)題，它不僅有非常高的線性度和靈敏度，并且還具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行能耗小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外基于光學(xué)原子方面的電流傳感器發(fā)展空間很大，所以在精密測(cè)量領(lǐng)域，它有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 電流傳感器的設(shè)計(jì)與分析

原子在沒(méi)有受到激發(fā)的正常狀態(tài)下處于最低能級(jí)，電子也在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這是最穩(wěn)定的基態(tài)。當(dāng)處于基態(tài)的粒子受到激光的激發(fā)，如果激光的頻率能量恰好等于原子的能級(jí)差產(chǎn)生共振吸收，部分原子獲得能量從穩(wěn)定的低能級(jí)躍遷到不穩(wěn)定的高能級(jí)。而受到激發(fā)處于高能級(jí)的粒子，會(huì)釋放能量，自發(fā)躍遷回到最穩(wěn)定的基態(tài)。

實(shí)驗(yàn)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括激光器、磁屏蔽筒、銫原子氣室、光電探測(cè)器、精密電流源和螺線管，光路部分沒(méi)有進(jìn)行展示。本節(jié)將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分的作用以及工作流程進(jìn)行介紹，并對(duì)電流傳感器的核心部分光泵原子磁力儀的工作原理進(jìn)行概述，闡述一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

光泵原子磁力儀的測(cè)量原理是以塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)，結(jié)合光泵浦作用和磁共振技術(shù)使其可以對(duì)磁場(chǎng)精確測(cè)量。本文的磁力儀就是利用激光泵浦，銫原子氣室放置于激光的傳播方向上，同時(shí)加入垂直于該方向的射頻場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)磁共振作用[8-11]。整個(gè)磁力儀系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光泵原子磁力儀系統(tǒng)框圖

當(dāng)原子處于不同的躍遷狀態(tài)時(shí)，對(duì)泵浦光的吸收狀態(tài)不同，則探測(cè)到的透射光強(qiáng)也不同，當(dāng)射頻場(chǎng)的頻率完全等于塞曼子能級(jí)差時(shí)，對(duì)泵浦光的吸收最強(qiáng)，透過(guò)的光最弱。因此通過(guò)透射光強(qiáng)就可以確定射頻場(chǎng)頻率，根據(jù)公式ω=γ·B可以測(cè)出引起亞穩(wěn)態(tài)塞曼能級(jí)頻移的磁場(chǎng)值[12]。其中，ω為旋進(jìn)頻率，γ為旋磁比(常數(shù))，B為磁場(chǎng)值。因?yàn)樵幽芗?jí)躍遷受溫度等其他因素的影響比較小，所以原子磁力儀可以精確地測(cè)量磁場(chǎng)值B。

在磁屏蔽筒內(nèi)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與流過(guò)的電流成正比關(guān)系，從磁場(chǎng)的精確測(cè)量值，就可以得到相應(yīng)的電流精確值。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電流傳感器的磁場(chǎng)產(chǎn)生設(shè)備為直徑15 cm，長(zhǎng)50 cm，匝數(shù)43匝的螺線管，理論產(chǎn)生磁場(chǎng)的精度為108 nT/mA，并使用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)螺線管的內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行建模仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 螺線管仿真內(nèi)部磁場(chǎng)分布云圖

從其仿真結(jié)果中可以看出，螺線管的磁場(chǎng)均勻區(qū)位于螺線管的中心部位，所以將磁敏感器件銫原子氣室放置于螺線管的中心部位，為降低外界的干擾，把兩者均放置于磁屏蔽筒中。

另外，光泵原子磁力儀的磁場(chǎng)測(cè)量范圍為100 μT以?xún)?nèi)，根據(jù)螺線管的磁場(chǎng)產(chǎn)生情況選擇0.5～750 mA的電流測(cè)量范圍，電源提供設(shè)備選擇精密電流源B2962A，這是一款6.5位電壓/電流源，分辨率可達(dá)100 nV/10 fA，噪聲低至10 μV，基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)所需[13]。光電探測(cè)器用來(lái)探測(cè)激光的透射光強(qiáng)，通過(guò)磁場(chǎng)與原子的作用規(guī)律，從而可以計(jì)算出螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的19組電流數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)包括：電流實(shí)際值、電流計(jì)算值、誤差率、線性度。電流測(cè)量設(shè)備為一款8.5位的電流表，電流計(jì)算值與磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算值結(jié)果如圖4所示。

圖4 電流計(jì)算值與磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

對(duì)基于光泵原子磁力儀的電流傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性計(jì)算[14]，得到的線性度曲線如圖5所示，線性度變化曲線如圖6所示，可以得到基于光泵原子磁力儀的電流傳感器的最高線性度為0.000 010 657 8%，最低線性度為0.003 740 219 3%。相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差變化曲線如圖7、圖8所示，完全符合測(cè)量系統(tǒng)的的誤差變化規(guī)律。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

圖6 線性度變化曲線

圖7 相對(duì)誤差變化曲線

圖8 絕對(duì)誤差變化曲線

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，基于光泵原子磁力儀的電流傳感器的線性度對(duì)比其他電流傳感器非常突出。另外，實(shí)驗(yàn)所用的精密電流源B2962A存在一定程度的漂移現(xiàn)象，所以會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度造成一定的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于光泵原子磁力儀的電流傳感器進(jìn)行了研究，這種新型的電流傳感器，具有極高的線性度，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的線性度最高可達(dá)到0.000 01%。并且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還存在其他干擾影響，比如溫度、濕度、電流源設(shè)備的漂移現(xiàn)象等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，能達(dá)到這樣高的測(cè)量線性度已足以可見(jiàn)其突出的性能。基于光泵原子磁力儀的電流傳感器相對(duì)于其他電流傳感器有著突出的優(yōu)點(diǎn)，在精密測(cè)量領(lǐng)域?qū)⒂蟹浅V泛的應(yīng)用前景。