提高鎖相放大器測量交流磁化率精度的方法

裴 朝,崔益民,李 華,錢建強

(北京航空航天大學物理教學與實驗中心,北京100191)

提高鎖相放大器測量交流磁化率精度的方法

裴 朝,崔益民,李 華,錢建強

(北京航空航天大學物理教學與實驗中心,北京100191)

在交流磁化率的測量實驗中,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測量樣品在線圈中引起的電感變化.但這種方法其背景信號隨繞組的增加而增大.本文采用2對線圈繞組并把兩初級線圈反繞、兩次級線圈同向繞的設計,減小背景信號,實際使用證明,經改進后測量靈敏度和測試精度都有很大提高.

交流磁化率;互感法;線圈繞組

1 引 言

交流磁化率的測量對于研究磁性材料,尤其是具有鐵磁性或反鐵磁性轉變的材料具有重要意義.交流磁化率的測試方法主要有兩類:1)交流互感電橋,如哈特森(Hart-sho rn)[1-2]電橋;2)自感法[3],即測量樣品在線圈中引起的電感變化.常見的方法是將1對繞在同一空心軸上的線圈和鎖相放大器連接,線圈分為初級線圈和次級線圈,初級線圈由鎖相放大器提供交變信號,產生交變磁場.樣品放置在線圈的中心,當在初級線圈的交變磁場作用下,產生磁性改變時將引起次級線圈中的感生電流的變化而由鎖相放大器測出.為了增大次級線圈信號,必須增加初級或次級線圈匝數,但隨著匝數的增加,背景信號也隨之增大.盡管交流磁化率測量技術相對簡單和易于理解,但在實際測量中,往往由于樣品的體積小或者是本征信號較小導致信號微弱,而使待測信號淹沒在背景噪聲中.本文將介紹2對四線圈的設計,利用串聯繞向相反的兩初級線圈產生反向的交變磁場,在兩繞向相同的次級線圈中產生反向感生信號而使待測背景信號大大降低,從而達到提高信噪比的目的.

2 實驗線圈改進與測量

圖1是常用的互感式單對線圈測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,一般初級線圈為 100匝,電阻約10Ω,次級線圈為250匝,電阻約為20Ω.有2種繞法:一是次級線圈繞制在初級線圈的外圍;另一種是初級和次級線圈由兩股線同時繞制,初級線圈繞好后,次級線圈接著繞完.前者加工方便,但在變溫測量時偶爾會出現背景噪聲的升降,后者初級和次級線圈的整體性好,工藝上稍麻煩一些.采用這樣的線圈,在頻率1 k Hz、初級線圈上加0.5 V的電壓時,次級線圈背景信號為180μV.圖2是這種線圈測出的具有鐵磁性轉變樣品的交流磁化率,當信號較強時,曲線是較光滑的,但當樣品較少時,鐵磁轉變的信號便會淹沒在背景噪聲中,如圖3所示.

圖1 常用互感式單對線圈測量交流磁化率的示意圖

圖4是2對四線圈設計的示意圖,這種設計中的兩初級線圈是反向繞制的,其他參量相同,而兩次級線圈是同向繞制的,也就是在這2個次級線圈中的感生電勢反向,當它們串聯時,信號相互抵消,從而降低了背景信號.背景信號降低的程度與線圈制造工藝密切相關.實際中采用四線圈結構,只要其中任一線圈的某圈有所松動,背景信號就會以μV量級增加.要使信號理想抵消,必須要求4個線圈在使用中穩定可靠,這就需要利用能在液氮甚至液氦溫區工作的膠粘劑來保證.我們選用單組份低溫環氧膠RAL 231作為膠粘劑,同時采用二次固化工藝,也就是按上述方法繞制好2對線圈,浸漬低溫膠,待其固化后測量背景信號,如信號偏大,則采取二次纏繞來降低背景信號,并進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行多次升降溫實驗鍛煉,以消除膠粘劑固化線圈的鍛煉效應,從而得到期望穩定的極小測量背景信號.經過改進后,在頻率為1 k Hz,初級線圈上加0.5 V的電壓時,次級線圈背景信號為0.5～1.0μV.圖5是當樣品較少時,此種線圈測出的具有鐵磁性轉變樣品交流磁化率,對比圖3鐵磁轉變的信號有了顯著的改善.實際測量精度的改善程度可以從曲線的原始實驗數據比較得出,如表1所示.當背景信號壓低以后,2對四線圈的設計中鎖相放大器的測量精度為0.000 1μV,對比圖3中單對線圈的精度0.01μV,改進后的精度提高近2個量級.

圖2 單對線圈測出的具有鐵磁性轉變LaM nO3+δ樣品交流磁化率隨溫度變化曲線

圖3 當樣品LaMnO3+δ較少時的單對線圈測出交流磁化率隨溫度變化曲線

圖4 2對四線圈設計的示意圖

圖5 由2對線圈測量出的樣品LaMnO3+δ較少時的交流磁化率隨溫度變化曲線

表1 圖3和圖5曲線的部分原始實驗數據

3 結束語

在不改變測量靈敏度的情況下,通過2對四線圈設計以及繞制過程中的工藝保證,顯著降低了背景信號,提高了互感法測量交流磁化率的微弱信號測量能力.實際使用證明,這一改進能夠有效提高實驗測量精度近2個量級,擴大其應用范圍.

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

[2]美國Lake Shore公司新產品[J].國外科學儀器,1989,(2):45-46.

[3]磁性材料、超導材料和器件[J].中國無線電電子學文摘,1997,(6):3-8.

[責任編輯: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,北京航空航天大學物理學院助理實驗師,碩士,從事物理實驗教學工作.