电子科技大学：《光电信息检测 Optical Information Detection》课程教学资源（课件讲稿）工程案例四：高灵敏度磁场传感器（高灵敏度磁场传感系统）

工程案例：高灵敏度磁场传感系统案例 内容提要 在光电信息检测课程中，为了对于光电信号检测模 块中的光电探测器、光波信号提取、锁相放大以及 光纤传感等一系列检测手段和检测器件进行更加深 入的说明，设置“高灵敏度弱磁传感器”项目工程 案例，以光纤为传输载体，完成极弱磁场的高灵敏 度探测。 6

6 在光电信息检测课程中，为了对于光电信号检测模 块中的光电探测器、光波信号提取、锁相放大以及 光纤传感等一系列检测手段和检测器件进行更加深 入的说明，设置“高灵敏度弱磁传感器”项目工程 案例，以光纤为传输载体，完成极弱磁场的高灵敏 度探测。 工程案例：高灵敏度磁场传感系统案例 内容提要

引言 通过项目背景需求，确立总体实现路线，主要针对 微型气室极化分析、超弱光信号提取与处理等关键 问题，研制出高灵敏度、低功耗、微体积的光学原 子磁传感系统。本案例首先从项目研究背景出发， 介绍磁传感器的主要特点、系统组成，然后从项目 实际角度出发，分析了关键技术的实现途径，最后 是项目的测试结果

7 引言 通过项目背景需求，确立总体实现路线，主要针对 微型气室极化分析、超弱光信号提取与处理等关键 问题，研制出高灵敏度、低功耗、微体积的光学原 子磁传感系统。本案例首先从项目研究背景出发， 介绍磁传感器的主要特点、系统组成，然后从项目 实际角度出发，分析了关键技术的实现途径，最后 是项目的测试结果

研究背景及意义 最大值 1 2 最小值 源定拉强度 3 4 538.19 53819

8 研究背景及意义 4 2 3 1 01 医学研究 脑磁图 心磁图 核磁共振 … 02 军事 探潜 制导 03 工业 无损探测 车辆检测 资源探测 04 生活 导航 地震预警

主体部分 主要从弱磁传感器的五个方面来阐述： >基本原理 >技术方案 >关键技术实现途径 >难点技术 >弱磁传感器测试方法 9

9 主体部分 ➢ 基本原理 ➢ 技术方案 ➢ 关键技术实现途径 ➢ 难点技术 ➢ 弱磁传感器测试方法 主要从弱磁传感器的五个方面来阐述：

基本原理 弱磁传感器基本工作原理 待测磁场 泵浦光 气室 (圆偏振光) 原子极他 激光器 0=0 光功率 信号 探测 处理 起偏器波片 (椭圆偏振光) 亥姆赫兹线圈 偏置、调制磁场 10

10 弱磁传感器基本工作原理 激光器 起偏器 ¼波片 (椭圆偏振光) 泵浦光 (圆偏振光) 光功率 探测 信号 处理 气室 亥姆赫兹线圈 偏置、调制磁场 待测磁场 基本原理

技术方案 >原子磁力计原理+光纤传感技术 结构：单传感光源、双气室结构，双光路 信号检测：锁相放大、差分探测 11

11 ➢原子磁力计原理+光纤传感技术 结构：单传感光源、双气室结构，双光路 信号检测：锁相放大、差分探测 技术方案

技术方案 >双气室原理结构 亥姆霍兹线圈 光电二极管 参考气室 传感气室 TIA TIA 锁相放大器 锁相放大器 起偏器 1/4波片 激光器 MI M2 准直器 加法器 加法器 信号处理和分析 光源 微型传感头 信号检测与处理 12

12 ➢ 双气室原理结构 技术方案

技术方案 亥姆霍兹线圈 光电二极管 参考气室 传感气室 TIA TIA 锁相放大器 锁相放大器 起偏器 1/4波片 激光器厂 MI M2 准直器 加法器 加法器 信号处理和分析 光源 微型传感头 信号检测与处理 >两路输出信号进行差分处理： 消除激光噪声、光路噪声、电路噪声及磁场噪声、地 13 磁本底的影响

13 ➢ 两路输出信号进行差分处理： 消除激光噪声、光路噪声、电路噪声及磁场噪声、地 磁本底的影响 技术方案

技术方案 亥姆霍兹线圈 光电二极管 参考气室 传感气室 TIA TIA 锁相放大器 锁相放大器 起偏器 1/4波片 激光器 MI M2 准直器 加法器 加法器 信号处理和分析 光源 微型传感头 信号检测与处理 >为验证传感头对弱磁场的高灵敏响应特性： 双气室集成在同一传感头的结构设计 14

14 ➢ 为验证传感头对弱磁场的高灵敏响应特性： 双气室集成在同一传感头的结构设计 技术方案

技术方案 光电转换与放大 9 Ucc WI=R*G 02 PD 浓 Zurich Instruments 光电二极管的零偏与反偏 信号的主放大电路原理图 大面积硅光探测器：增加接收效率 光电转换与放大：零偏置互阻放大+主放大电路，降 15 低暗电流

15 光电转换与放大 ⚫ 大面积硅光探测器：增加接收效率 ⚫ 光电转换与放大：零偏置互阻放大+主放大电路，降 低暗电流 光电二极管的零偏与反偏 信号的主放大电路原理图 U0 U0 Ucc 技术方案