基于原子磁力仪的高精度电流传感器

王维东，李国祝，梁尚清，辛 青，杨国卿，王曰海，李绍良，赵万良

(1.浙江大学，浙江杭州 310027；2.杭州电子科技大学，浙江杭州 310018；3.上海航天控制技术研究所，上海 201109)

0 引言

核磁共振陀螺通过对磁场中核自旋进动频率的精密测量实现角速度精密测量，因此磁场的精度和稳定性对核磁共振陀螺而言极其重要。电流源通常通过反馈控制实现高精度，则高精度电流测量对电流的精确控制具有重要意义。此外，电流传感器在其他行业中同样有着重要的应用，比如：汽车电源管理、太阳能电池系统、智能电网以及其他需要非接触式精确的电流测量的应用行业等[1]。电流传感器在国内外有着不同程度的发展，其种类繁多，非接触式的电流传感器包括罗氏线圈电流传感器、霍尔效应电流传感器、光纤电流传感器、磁致电阻(AMR、GMR、TMR、CMR等)电流传感器等，在各方面都有着各自的优点与不足。

罗氏线圈电流传感器和霍尔电流传感器属于比较传统的电流传感器，它们的灵敏度普遍较低，线性度在0.05%～1%之间[2-3]，新型的电流传感器包括基于法拉第磁光效应的光纤电流传感器以及基于巨磁阻效应的GMR电流传感器，它们具有非常高的灵敏度，光纤式的线性度为0.2%，GMR电流传感器线性度在0.001%～0.05%之间[4-7]。

从以上可以看出，对于精密探测领域，现存电流传感器都有着共同的缺点就是线性度不够高，另外，光纤电流传感器还有着易老化的现象存在。对此而言，基于光泵原子磁力仪的电流传感器很好地解决了这些问题，它不仅有非常高的线性度和灵敏度，并且还具有抗电磁干扰能力强、运行能耗小、成本低的优点。目前，国内外基于光学原子方面的电流传感器发展空间很大，所以在精密测量领域，它有着非常广阔的应用前景。

1 电流传感器的设计与分析

原子在没有受到激发的正常状态下处于最低能级，电子也在离核最近的轨道上运动，这是最稳定的基态。当处于基态的粒子受到激光的激发，如果激光的频率能量恰好等于原子的能级差产生共振吸收，部分原子获得能量从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级。而受到激发处于高能级的粒子，会释放能量，自发跃迁回到最稳定的基态。

实验的整体结构如图1所示，包括激光器、磁屏蔽筒、铯原子气室、光电探测器、精密电流源和螺线管，光路部分没有进行展示。本节将对实验结构中各个部分的作用以及工作流程进行介绍，并对电流传感器的核心部分光泵原子磁力仪的工作原理进行概述，阐述一些关键技术和设计参数。

图1 实验结构设计图

光泵原子磁力仪的测量原理是以塞曼效应为基础，结合光泵浦作用和磁共振技术使其可以对磁场精确测量。本文的磁力仪就是利用激光泵浦，铯原子气室放置于激光的传播方向上，同时加入垂直于该方向的射频场，从而实现磁共振作用[8-11]。整个磁力仪系统如图2所示。

图2 光泵原子磁力仪系统框图

当原子处于不同的跃迁状态时，对泵浦光的吸收状态不同，则探测到的透射光强也不同，当射频场的频率完全等于塞曼子能级差时，对泵浦光的吸收最强，透过的光最弱。因此通过透射光强就可以确定射频场频率，根据公式ω=γ·B可以测出引起亚稳态塞曼能级频移的磁场值[12]。其中，ω为旋进频率，γ为旋磁比(常数)，B为磁场值。因为原子能级跃迁受温度等其他因素的影响比较小，所以原子磁力仪可以精确地测量磁场值B。

在磁屏蔽筒内线圈产生的磁场与流过的电流成正比关系，从磁场的精确测量值，就可以得到相应的电流精确值。

2 实验设计

电流传感器的磁场产生设备为直径15 cm，长50 cm，匝数43匝的螺线管，理论产生磁场的精度为108 nT/mA，并使用ANSYS有限元仿真软件对螺线管的内部磁场进行建模仿真分析，结果如图3所示。

图3 螺线管仿真内部磁场分布云图

从其仿真结果中可以看出，螺线管的磁场均匀区位于螺线管的中心部位，所以将磁敏感器件铯原子气室放置于螺线管的中心部位，为降低外界的干扰，把两者均放置于磁屏蔽筒中。

另外，光泵原子磁力仪的磁场测量范围为100 μT以内，根据螺线管的磁场产生情况选择0.5～750 mA的电流测量范围，电源提供设备选择精密电流源B2962A，这是一款6.5位电压/电流源，分辨率可达100 nV/10 fA，噪声低至10 μV，基本满足实验所需[13]。光电探测器用来探测激光的透射光强，通过磁场与原子的作用规律，从而可以计算出螺线管产生的磁场值。

3 实验结果与分析

本次实验对测量范围内的19组电流数据进行测量，试验测量参数包括：电流实际值、电流计算值、误差率、线性度。电流测量设备为一款8.5位的电流表，电流计算值与磁感应强度计算值结果如图4所示。

图4 电流计算值与磁感应强度曲线

对基于光泵原子磁力仪的电流传感器的测量数据进行线性计算[14]，得到的线性度曲线如图5所示，线性度变化曲线如图6所示，可以得到基于光泵原子磁力仪的电流传感器的最高线性度为0.000 010 657 8%，最低线性度为0.003 740 219 3%。相对误差和绝对误差变化曲线如图7、图8所示，完全符合测量系统的的误差变化规律。

图5 实验数据曲线

图6 线性度变化曲线

图7 相对误差变化曲线

图8 绝对误差变化曲线

通过实验数据可以看出，基于光泵原子磁力仪的电流传感器的线性度对比其他电流传感器非常突出。另外，实验所用的精密电流源B2962A存在一定程度的漂移现象，所以会对实验数据的精确度造成一定的影响。

4 结束语

本文对基于光泵原子磁力仪的电流传感器进行了研究，这种新型的电流传感器，具有极高的线性度，实验中测量到的线性度最高可达到0.000 01%。并且实验过程中还存在其他干扰影响，比如温度、湿度、电流源设备的漂移现象等都会对实验数据产生一定的影响，能达到这样高的测量线性度已足以可见其突出的性能。基于光泵原子磁力仪的电流传感器相对于其他电流传感器有着突出的优点，在精密测量领域将有非常广泛的应用前景。