芯片级原子器件系统集成封装及数据处理

论文总字数：21311字

摘 要

本文在自行研制的基于MEMS工艺的芯片级原子磁力计的基础上，实现了磁力计电压测量存储的自动化，并绘制出I—U曲线。

综合考虑了目前原子磁力计的一些工作原理，我们采用了光吸收法测磁场的方案。在该方案中，使用亥姆霍兹线圈产生磁场，磁场强度随通电电流的大小而发生变化，并将光强信号经过光电转换模块转化为电压信号，以便于测量。原先采用手动测量电压的方法，耗时且工作量大，本设计使用单片机实现了电压的自动化测量，大大减少了工作量，提高了系统的智能化水平。选用了高精度的ADC，并进行误差校准，提高了电压测量的精确度，从而提高原子磁力计的测量灵敏度，实现对微弱磁场的准确测量。绘制出I—U曲线，得到了磁场随光照强度变化的关系，所得曲线图与理论曲线基本吻合。根据这一关系，从理论上可以根据光照强度反推磁场强度。

最后，根据所得曲线，获得光强与磁场强度的对应关系，可以实现原子磁力计对微弱磁场的测量。

关键词：MEMS，原子磁力计，微弱磁场，电压测量，自动化，I—U曲线

DATA ACQUISITION AND PROCESSING OF CHIP-SCALE

ATOMIC MAGNETOMETER

Abstract

Based on technology developed by MEMS-based chip-scale atomic magnetometer on automated magnetometer voltage measurement memory and draws a I-U curve.

Considering the current atomic magnetometer some works, we used a method to measure the magnetic field of the light-absorbing solution. In this scenario, the use of Helmholtz coils to generate a magnetic field strength varies with the size of the electric current and the light intensity signal through photoelectric conversion module into a voltage signal in order to measure. Original manual voltage is measured, time-consuming and heavy workload, the design uses single chip to automate measuring voltage, greatly reducing the workload and improve the intelligence level of the system. Selection of high-precision ADC, and error correction, improve the accuracy of the voltage measurement, thereby improving measurement sensitivity atomic magnetometer for accurate measurement of weak magnetic fields. I-U curve plotted to obtain a magnetic relationship with the light intensity changes, the resulting graph consistent with the theoretical curve. Based on this relationship, can theoretically inverse magnetic field intensity based on light intensity.

Finally, the resulting curve, obtained correspondence between the intensity of the magnetic field strength can be achieved atomic magnetometer measurements of weak magnetic fields.

KEY WORDS: MEMS, atomic magnetometer, a weak magnetic field, voltage measurement, automation, I-U curve

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………… Ⅱ

1. 绪论 ………………………………………………………………………5

1.1 引言 ………………………………………………………………………5

1.2原子磁力计的理论基础 ………………………………………………5

1.3 原子磁力计的应用 …………………………………………………7

1.4 课题基本要求 ………………………………………8

第二章 数据采集处理系统方案设计 ………………………………………………8

2.1原子磁力计中的电压测量 ………………………………………………8

2.2 方案描述（amp;系统框图） …………………………………………………9

2.3 方案难点分析 ……………………………………………………………9

第三章 硬件平台及单片机编程 ……………………………………………………10

3.1 硬件平台 …………………………………………………………………10

3.2 模数转换部分 ……………………………………………………………10

3.3 串口通信部分 ……………………………………………………………12

3.4单片机控制部分 …………………………………………………………15

第四章 上位机设计 ……………………………………………………………17

4.1上位机软件LabVIEW ……………………………………………………17

4.2 功能实现 …………………………………………………………………20

第五章 系统调试 …………………………………………………………………21

5.1电子测量技术简介 ………………………………………………………21

5.2测量误差来源 ……………………………………………………………21

5.3误差校准的相关方法 ……………………………………………………23

5.4误差校准方案 ……………………………………………………………24

第六章 结论 ………………………………………………………………………26

致谢 …………………………………………………………………………………30

参考文献 ……………………………………………………………………………31

1. 绪 论

1.1 引言

实现对微弱磁场进行测量在许多领域都能起到十分重要的作用，如测量人体的微弱心磁脑磁信号，探测地质构造以及军事信息战争等等。

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