CN112505595B - 一种高带宽高灵敏闭环serf原子磁力计装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过引入PID形成闭环控制，大幅提高了***频率响应‑3dB带宽，可以达到kHz级别，提高了高频探测灵敏度；此外，通过调节P，I，D三个参数可自由且精确控制SERF原子磁力计带宽大小和灵敏度曲线，从而保证实际测量所需频率范围灵敏度达到最高。此外，通过PID控制实时补偿测量磁场，将探测轴方向磁场始终锁定在零点位置，从而大幅提高了装置响应线性区间和磁场测量动态范围，减弱了对外界环境的屏蔽要求。
Description
技术领域
本发明涉及属于极弱磁探测领域，特别涉及一种高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置。
背景技术
无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计(AM)是一种的新型极弱磁信号(～fT量级)测量传感器，其利用自旋量子操控和光电检测实现高灵敏度弱磁探测。相比于传统的极弱磁检测设备-超导量子干涉仪(SQUID)，在保证灵敏度相当的前提下，SERF原子磁力计可在室温环境下进行工作，并且具有轻便、可小型化、探测距离近、造价低等特点。
目前原子磁力计在心磁、脑磁等生物磁探测、基础物理惯性测量、地质勘探、超低场核磁共振测量等领域具有广泛的应用前景。目前SERF原子磁力计灵敏度最高可以达到
虽然具有相当高的探测灵敏度，但相比于SQUID几十kHz的测量带宽，SERF原子磁力计受限制于碱金属弛豫速率，带宽范围非常窄，通常只有100Hz左右。窄带宽会导致原子磁力计在高频灵敏度不足，从而大大限制了其在高频上的测量。而目前脑磁、超低场核磁共振等领域都有高频测量的需求，因此，需要一种提高SERF原子磁力计带宽的方法来拓宽应用范围。目前提高SERF原子磁力计带宽的方法主要包括提高泵浦探测光强、提高碱金属原子密度，以及采用负反馈等。但是带宽依然只能维持在200Hz左右，无法真正实现kHz以上的测量带宽。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种在保证测量灵敏度(～fT量级)的同时，大幅提高了原有磁力计的带宽范围到kHz级别，满足高频应用需求的高带宽高灵敏SERF原子磁力计装置。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
一种高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，包括：为泵浦激光二极管(1)、第一平凸准直透镜(2)、第一1/2波片(3)、第一激光隔离器(4)、扩束透镜(5)、第一反射镜(6)、第一偏振片(7)、1/4波片(8)、探测激光二极管(9)、第二平凸准直透镜(10)、第二1/2波片(11)、第二激光隔离器(12)、第二反射镜(13)、第二偏振片(14)、第三1/2波片(15)、偏振分光棱镜PBS和反射镜组合(16)、平衡探测器(17)、碱金属原子气室(18)、加热箱(19)、三轴亥姆霍兹线圈(20)、磁屏蔽桶(21)、PID控制器(22)、加法器(23)、串联电阻(24)、数据采集卡(25)、控制电脑(26)，所述碱金属原子气室(18)位于所述磁屏蔽桶(21)的中心位置，并依次被所述加热箱(19)和所述三轴亥姆霍兹线圈(20)包围，所述加热箱(19)和所述三轴亥姆霍兹线圈(20)位于所述磁屏蔽桶(21)内；其中：
泵浦激光二极管(1)发出的泵浦激光依次经过所述第一平凸准直透镜(2)、所述第一1/2波片(3)、所述第一激光隔离器(4)、所述扩束透镜(5)、所述第一反射镜(6)、所述第一偏振片(7)和所述1/4波片(8)后形成圆偏振光沿Y轴方向穿过所述碱金属原子气室(18)；
探测激光二极管(9)发出的探测激光依次经过所述第二平凸准直透镜(10)、所述第二1/2波片(11)、所述第二激光隔离器(12)、所述第二反射镜(13)、所述第二偏振片(14)和所述第三1/2波片(15)后形成线偏振光沿Z轴方向穿过所述碱金属原子气室(18)后，由所述PBS和反射镜组合(16)分成两束偏振方向垂直的光被所述平衡探测器(17)差分放大并输出到所述PID控制器(22)；PID反馈信号经过所述加法器(23)和所述串联电阻(24)后施加到所述亥姆霍兹线圈(20)X轴方向形成闭环，使得所述碱金属原子气室(18)周围X轴方向磁场锁零；PID反馈信号由所述数据采集卡(25)接收并最终由控制电脑(26)输出测量结果。
对于现有的不加PID反馈的原子磁力计开环***，频率响应传递函数可表示为：
式中，G0为DC响应；Δω为***-3dB带宽；q为核减缓因子；Rop为光泵浦速率；Rrel为总的弛豫速率，包括自旋交换弛豫和自旋破坏弛豫。受限制于碱金属原子弛豫速率，原子磁力计开环***带宽通常只能达到100Hz左右。
在实施例中，当所述PID控制器锁定以后，气室周围X轴方向磁场锁零，X轴方向测量磁场Bx即可表示为：
式中，Vfb为PID反馈电压；R为串联电阻阻值；
为所述三轴亥姆霍兹线圈(20)中X轴方向线圈系数/>
在实施例中，所述PID反馈电压Vfb的数学模型可表示为：
式中，KP，KI和KD分别为比例、积分和微分增益系数；Vmeasure为所述平衡探测器(17)的输出电压；Vsetpoint为PID设置点；ε为误差信号。
在实施例中，所述闭环SERF原子磁力计***的频率响应传递函数可表示为：
式中，PID(s)为PID传递函数；K为反馈系数，可表示为：
采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：
本发明提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过引入PID形成闭环控制，大幅提高了***频率响应-3dB带宽，可以达到kHz级别，提高了高频探测灵敏度。
此外，本发明提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过调节P，I，D三个参数精确控制原子磁力计带宽大小，从而保证实际测量所需频率范围频率响应传递函数幅值趋近于1，相位趋近于0，避免了***频率响应的幅值衰减和相位偏差，保证了原子磁力计的性能一致性；且通过调节P，I，D三个参数可自由控制原子磁力计带宽大小和灵敏度曲线，从而保证实际测量所需频率范围灵敏度达到最高。
此外，本发明提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过PID控制实时补偿测量磁场，将探测轴方向磁场始终锁定在零点位置，从而大幅提高了装置响应线性区间和磁场测量动态范围，减弱了对外界环境的屏蔽要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置的结构示意图；
图2为现有开环SERF原子磁力计与本发明提供的PID闭环SERF原子磁力计的带宽和灵敏度的比较曲线图；
图3为现有开环SERF原子磁力计及PID闭环SERF原子磁力计响应线性区间即动态范围的比较。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例
请参阅图1，为本发明实施方式提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置的结构示意图，包括：泵浦激光二极管(1)、第一平凸准直透镜(2)、第一1/2波片(3)、第一激光隔离器(4)、扩束透镜(5)、第一反射镜(6)、第一偏振片(7)、1/4波片(8)、探测激光二极管(9)、第二平凸准直透镜(10)、第二1/2波片(11)、第二激光隔离器(12)、第二反射镜(13)、第二偏振片(14)、第三1/2波片(15)、偏振分光棱镜PBS和反射镜组合(16)、平衡探测器(17)、碱金属原子气室(18)、加热箱(19)、三轴亥姆霍兹线圈(20)、磁屏蔽桶(21)、PID控制器(22)、加法器(23)、串联电阻(24)、数据采集卡(25)、控制电脑(26)，所述碱金属气室(18)位于所述磁屏蔽桶(21)的中心位置，并依次被所述加热箱(19)和所述三轴亥姆霍兹线圈(20)包围，所述加热箱(19)和所述三轴亥姆霍兹线圈(20)位于所述磁屏蔽桶(21)内。
上述SERF原子磁力计装置的工作方式如下：
所述泵浦激光二极管(1)发出的泵浦激光依次经过所述第一平凸准直透镜(2)、所述第一1/2波片(3)、所述第一激光隔离器(4)、所述扩束透镜(5)、所述第一反射镜(6)、所述第一偏振片(7)和所述第一1/4波片(8)后形成圆偏振光沿Y轴方向穿过所述碱金属原子气室(18)；
探测激光二极管(9)发出的探测激光依次经过所述第二平凸准直透镜(10)、所述第二1/2波片(11)、所述第二激光隔离器(12)、所述第二反射镜(13)、所述第二偏振片(14)和所述第三1/2波片(15)后形成线偏振光沿Z轴方向穿过所述碱金属原子气室(18)后，由所述PBS和反射镜组合(16)分成两束偏振方向垂直的光被所述平衡探测器(17)差分放大并输出到所述PID控制器(22)；PID反馈信号经过所述加法器(23)和所述串联电阻(24)后施加到所述亥姆霍兹线圈(20)X轴方向形成闭环，使得所述碱金属原子气室(18)周围X轴方向磁场锁零；PID反馈信号由所述数据采集卡(25)接收并最终由控制电脑(26)输出测量结果。
对于现有的不加PID反馈的原子磁力计开环***，频率响应传递函数可表示为：
式中，G0为DC响应；Δω为***-3dB带宽；q为核减缓因子；Rop为光泵浦速率；Rrel为总的弛豫速率，包括自旋交换弛豫和自旋破坏弛豫。受限制于碱金属原子弛豫速率，原子磁力计开环***带宽通常只能达到100Hz左右。
本发明上述实施例提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，可通过PID控制实时补偿测量磁场，将探测轴方向磁场始终锁定在零点位置，从而大幅提高了装置响应线性区间和磁场测量动态范围，减弱了对外界环境的要求，克服了现有的开环SERF原子磁力计测量动态范围较小，只能在零点周围较小的磁场区间内保持线性响应和高灵敏度，对屏蔽环境要求较高的技术缺陷。
进一步地，当所述PID控制器锁定以后，气室周围X轴方向磁场锁零，X轴方向测量磁场Bx即可表示为：
式中，Vfb为PID反馈电压；R为串联电阻阻值；
为所述三轴亥姆霍兹线圈(20)中X轴方向线圈系数/>
进一步地，所述PID反馈电压Vfb的数学模型可表示为：
式中，KP，KI和KD分别为比例、积分和微分增益系数；Vmeasure为所述平衡探测器(17)的输出电压；Vsetpoint为PID设置点；ε为误差信号。在本实施例中Vsetpoint设置为零。
进一步地，所述高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置的频率响应传递函数可表示为：
式中，PID(s)为PID传递函数；K为反馈系数，可表示为：
从上述公式中可以发现，PID闭环***中，-3dB带宽主要取决于P，I，D三个参数的设置，在低频段，|Gopen(s)·PID(s)·K|＞＞1，使得频率响应传递函数Gclosed(s)幅值趋近于1，频率响应曲线被拉平，带宽相比于开环***将得到大幅度提升，可以达到kHz以上。
可以理解，由于-3dB带宽主要取决于P，I，D三个参数的设置，通过自由调节P，I，D三个参数来精确控制***带宽，保证测量频率区间内|Gopen(s)·PID(s)·K|＞＞1，使得频率响应传递函数Gclosed(s)幅值趋近于1，相位趋近于0，从而避免了传统开环***频率响应带来的幅值衰减和相位偏差，也保证了不同原子磁力计之间的性能一致。该特性简单有效的满足了后期梯度原子磁力计以及多通道原子磁力计的响应幅值和相位一致性要求，为后期更高灵敏度探测和多通道探测，例如心磁图和脑磁图测量，提供了一种很好的解决方案；
此外，由于SERF原子磁力计带宽的提高会有效提升高频区间测量灵敏度，但往往会带来低频区间灵敏度的降低，而本发明中***带宽可自由调节的特性可以保证实际测量所需频率区间灵敏度达到最高。
请参阅图2，对于现有开环SERF原子磁力计与本发明提供的PID闭环SERF原子磁力计的带宽和灵敏度的比较曲线图，对于开环原子磁力计，-3dB带宽只有16Hz，而PID闭环原子磁力计带宽可以达到1131Hz，将近70倍的提升。开环原子磁力计灵敏度从100Hz开始逐渐降低，到1000Hz时灵敏度已经下降到60fT/Hz1/2左右；而PID闭环原子磁力计灵敏度在50-700Hz范围内始终保持在15fT/Hz1/2附近，到1000Hz时灵敏度也就下降到20fT/Hz1/2左右。因此，实验证明PID闭环SERF原子磁力计可大幅度提升带宽和高频灵敏度。
请参阅图3，为开环SERF原子磁力计及PID闭环原子磁力计响应线性区间即动态范围的比较，对于开环原子磁力计，***线性区间只有[-1 1]nT，而对于PID闭环原子磁力计***在整个[-15 15]nT区间都是线性的。因此，实验证明PID闭环SERF原子磁力计可大幅度提升测量动态范围。
本发明提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过引入PID形成闭环控制，大幅提高了***频率响应-3dB带宽，可以达到kHz级别，提高了高频探测灵敏度。
此外，本发明提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过调节P，I，D三个参数来精确控制原子磁力计带宽大小，从而保证实际测量所需频率范围频率响应传递函数幅值趋近于1，相位趋近于0，避免了***频率响应的幅值衰减和相位偏差，保证了原子磁力计的性能一致性；且通过调节P，I，D三个参数可自由且精确控制原子磁力计带宽大小和灵敏度曲线，从而保证实际测量所需频率范围灵敏度达到最高。
此外，本发明提供的高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，通过PID控制实时补偿测量磁场，将探测轴方向磁场始终锁定在零点位置，从而大幅提高了装置响应线性区间和磁场测量动态范围，减弱了对外界环境的屏蔽要求。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高带宽高灵敏闭环SERF原子磁力计装置，其特征在于，包括：泵浦激光二极管(1)、第一平凸准直透镜(2)、第一1/2波片(3)、第一激光隔离器(4)、扩束透镜(5)、第一反射镜(6)、第一偏振片(7)、1/4波片(8)、探测激光二极管(9)、第二平凸准直透镜(10)、第二1/2波片(11)、第二激光隔离器(12)、第二反射镜(13)、第二偏振片(14)、第三1/2波片(15)、偏振分光棱镜PBS和反射镜组合(16)、平衡探测器(17)、碱金属原子气室(18)、加热箱(19)、三轴亥姆霍兹线圈(20)、磁屏蔽桶(21)、PID控制器(22)、加法器(23)、串联电阻(24)、数据采集卡(25)、控制电脑(26)，所述碱金属原子气室(18)位于所述磁屏蔽桶(21)的中心位置，并依次被所述加热箱(19)和所述三轴亥姆霍兹线圈(20)包围，所述加热箱(19)和所述三轴亥姆霍兹线圈(20)位于所述磁屏蔽桶(21)内；其中：
所述泵浦激光二极管(1)发出的泵浦激光依次经过所述第一平凸准直透镜(2)、所述第一1/2波片(3)、所述第一激光隔离器(4)、所述扩束透镜(5)、所述第一反射镜(6)、所述第一偏振片(7)和所述1/4波片(8)后形成圆偏振光沿Y轴方向穿过所述碱金属原子气室(18)；
探测激光二极管(9)发出的探测激光依次经过所述第二平凸准直透镜(10)、所述第二1/2波片(11)、所述第二激光隔离器(12)、所述第二反射镜(13)、所述第二偏振片(14)和所述第三1/2波片(15)后形成线偏振光沿Z轴方向穿过所述碱金属原子气室(18)后，由所述PBS和反射镜组合(16)分成两束偏振方向垂直的光被所述平衡探测器(17)差分放大并输出到所述PID控制器(22)；PID反馈信号经过所述加法器(23)和所述串联电阻(24)后施加到所述亥姆霍兹线圈(20)X轴方向形成闭环，使得所述碱金属原子气室(18)周围X轴方向磁场锁零；PID反馈信号由所述数据采集卡(25)接收并最终由控制电脑(26)输出测量结果；
形成闭环控制，当所述PID控制器锁定以后，气室周围X轴方向磁场锁零，X轴方向测量磁场Bx即可表示为：
式中，Vfb为PID反馈电压；R为串联电阻阻值；
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所述PID反馈电压Vfb的数学模型可表示为：
式中，KP，KI和KD分别为比例、积分和微分增益系数；Vmeasure为所述平衡探测器(17)的输出电压；Vsetpoint为PID设置点；ε为误差信号；
所述闭环SERF原子磁力计装置的频率响应传递函数可表示为：
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