提高鎖相放大器測(cè)量交流磁化率精度的方法

裴 朝,崔益民,李 華,錢(qián)建強(qiáng)

(北京航空航天大學(xué)物理教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中心,北京100191)

提高鎖相放大器測(cè)量交流磁化率精度的方法

裴 朝,崔益民,李 華,錢(qián)建強(qiáng)

(北京航空航天大學(xué)物理教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中心,北京100191)

在交流磁化率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,互感法是常用方法,通常是利用線圈繞組和鎖相放大器組合來(lái)測(cè)量樣品在線圈中引起的電感變化.但這種方法其背景信號(hào)隨繞組的增加而增大.本文采用2對(duì)線圈繞組并把兩初級(jí)線圈反繞、兩次級(jí)線圈同向繞的設(shè)計(jì),減小背景信號(hào),實(shí)際使用證明,經(jīng)改進(jìn)后測(cè)量靈敏度和測(cè)試精度都有很大提高.

交流磁化率;互感法;線圈繞組

1 引 言

交流磁化率的測(cè)量對(duì)于研究磁性材料,尤其是具有鐵磁性或反鐵磁性轉(zhuǎn)變的材料具有重要意義.交流磁化率的測(cè)試方法主要有兩類:1)交流互感電橋,如哈特森(Hart-sho rn)[1-2]電橋;2)自感法[3],即測(cè)量樣品在線圈中引起的電感變化.常見(jiàn)的方法是將1對(duì)繞在同一空心軸上的線圈和鎖相放大器連接,線圈分為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈,初級(jí)線圈由鎖相放大器提供交變信號(hào),產(chǎn)生交變磁場(chǎng).樣品放置在線圈的中心,當(dāng)在初級(jí)線圈的交變磁場(chǎng)作用下,產(chǎn)生磁性改變時(shí)將引起次級(jí)線圈中的感生電流的變化而由鎖相放大器測(cè)出.為了增大次級(jí)線圈信號(hào),必須增加初級(jí)或次級(jí)線圈匝數(shù),但隨著匝數(shù)的增加,背景信號(hào)也隨之增大.盡管交流磁化率測(cè)量技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單和易于理解,但在實(shí)際測(cè)量中,往往由于樣品的體積小或者是本征信號(hào)較小導(dǎo)致信號(hào)微弱,而使待測(cè)信號(hào)淹沒(méi)在背景噪聲中.本文將介紹2對(duì)四線圈的設(shè)計(jì),利用串聯(lián)繞向相反的兩初級(jí)線圈產(chǎn)生反向的交變磁場(chǎng),在兩繞向相同的次級(jí)線圈中產(chǎn)生反向感生信號(hào)而使待測(cè)背景信號(hào)大大降低,從而達(dá)到提高信噪比的目的.

2 實(shí)驗(yàn)線圈改進(jìn)與測(cè)量

圖1是常用的互感式單對(duì)線圈測(cè)量交流磁化率的示意圖,線圈采用0.05～0.125 mm的紫銅漆包線繞制,一般初級(jí)線圈為 100匝,電阻約10Ω,次級(jí)線圈為250匝,電阻約為20Ω.有2種繞法:一是次級(jí)線圈繞制在初級(jí)線圈的外圍;另一種是初級(jí)和次級(jí)線圈由兩股線同時(shí)繞制,初級(jí)線圈繞好后,次級(jí)線圈接著繞完.前者加工方便,但在變溫測(cè)量時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)背景噪聲的升降,后者初級(jí)和次級(jí)線圈的整體性好,工藝上稍麻煩一些.采用這樣的線圈,在頻率1 k Hz、初級(jí)線圈上加0.5 V的電壓時(shí),次級(jí)線圈背景信號(hào)為180μV.圖2是這種線圈測(cè)出的具有鐵磁性轉(zhuǎn)變樣品的交流磁化率,當(dāng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí),曲線是較光滑的,但當(dāng)樣品較少時(shí),鐵磁轉(zhuǎn)變的信號(hào)便會(huì)淹沒(méi)在背景噪聲中,如圖3所示.

圖1 常用互感式單對(duì)線圈測(cè)量交流磁化率的示意圖

圖4是2對(duì)四線圈設(shè)計(jì)的示意圖,這種設(shè)計(jì)中的兩初級(jí)線圈是反向繞制的,其他參量相同,而兩次級(jí)線圈是同向繞制的,也就是在這2個(gè)次級(jí)線圈中的感生電勢(shì)反向,當(dāng)它們串聯(lián)時(shí),信號(hào)相互抵消,從而降低了背景信號(hào).背景信號(hào)降低的程度與線圈制造工藝密切相關(guān).實(shí)際中采用四線圈結(jié)構(gòu),只要其中任一線圈的某圈有所松動(dòng),背景信號(hào)就會(huì)以μV量級(jí)增加.要使信號(hào)理想抵消,必須要求4個(gè)線圈在使用中穩(wěn)定可靠,這就需要利用能在液氮甚至液氦溫區(qū)工作的膠粘劑來(lái)保證.我們選用單組份低溫環(huán)氧膠RAL 231作為膠粘劑,同時(shí)采用二次固化工藝,也就是按上述方法繞制好2對(duì)線圈,浸漬低溫膠,待其固化后測(cè)量背景信號(hào),如信號(hào)偏大,則采取二次纏繞來(lái)降低背景信號(hào),并進(jìn)行再次涂膠固化的工藝.這樣制好的線圈在使用前還需要進(jìn)行多次升降溫實(shí)驗(yàn)鍛煉,以消除膠粘劑固化線圈的鍛煉效應(yīng),從而得到期望穩(wěn)定的極小測(cè)量背景信號(hào).經(jīng)過(guò)改進(jìn)后,在頻率為1 k Hz,初級(jí)線圈上加0.5 V的電壓時(shí),次級(jí)線圈背景信號(hào)為0.5～1.0μV.圖5是當(dāng)樣品較少時(shí),此種線圈測(cè)出的具有鐵磁性轉(zhuǎn)變樣品交流磁化率,對(duì)比圖3鐵磁轉(zhuǎn)變的信號(hào)有了顯著的改善.實(shí)際測(cè)量精度的改善程度可以從曲線的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較得出,如表1所示.當(dāng)背景信號(hào)壓低以后,2對(duì)四線圈的設(shè)計(jì)中鎖相放大器的測(cè)量精度為0.000 1μV,對(duì)比圖3中單對(duì)線圈的精度0.01μV,改進(jìn)后的精度提高近2個(gè)量級(jí).

圖2 單對(duì)線圈測(cè)出的具有鐵磁性轉(zhuǎn)變LaM nO3+δ樣品交流磁化率隨溫度變化曲線

圖3 當(dāng)樣品LaMnO3+δ較少時(shí)的單對(duì)線圈測(cè)出交流磁化率隨溫度變化曲線

圖4 2對(duì)四線圈設(shè)計(jì)的示意圖

圖5 由2對(duì)線圈測(cè)量出的樣品LaMnO3+δ較少時(shí)的交流磁化率隨溫度變化曲線

表1 圖3和圖5曲線的部分原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

在不改變測(cè)量靈敏度的情況下,通過(guò)2對(duì)四線圈設(shè)計(jì)以及繞制過(guò)程中的工藝保證,顯著降低了背景信號(hào),提高了互感法測(cè)量交流磁化率的微弱信號(hào)測(cè)量能力.實(shí)際使用證明,這一改進(jìn)能夠有效提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度近2個(gè)量級(jí),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍.

[1]詹文山.交流磁化率的測(cè)量[J].物理,1982,(12):732-736.

[2]美國(guó)Lake Shore公司新產(chǎn)品[J].國(guó)外科學(xué)儀器,1989,(2):45-46.

[3]磁性材料、超導(dǎo)材料和器件[J].中國(guó)無(wú)線電電子學(xué)文摘,1997,(6):3-8.

[責(zé)任編輯:郭 偉]

Improving accuracy of AC susceptibility measurement with lock-in amplifier

PEIZhao,CU I Yi-min,L IHua,Q IAN Jian-qiang
(Physics Education and Experiment Center,Beihang University,Beijing 100191,China)

M utual inductance method is w idely used in measuring ac suscep tibility.A commonly used way is to use coil w inding and lock-in amp lifier together to measure the inductance changes caused by samp les in the coils.However,in this method,background signals increase w ith the increasing num ber of w indings.In this paper,by using two pairs of coil w indings,including two reverse-w inding p rimary coils and two coherent-w inding secondary coils,background signals are decreased distinctly.The experiment also p roves that the change largely imp roves the measuring sensitivity and testing accuracy.

AC suscep tibility;mutual inductancemethod;coil w inding

O441.2

A

1005-4642(2010)11-0038-03

2010-03-31;修改日期:2010-05-31

裴 朝(1983-),男,湖北宜昌人,北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)師,碩士,從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.