So erhöhen Sie die Empfindlichkeit der Tonfrequenz-Aufnehmerspule

Ich baue ein Instrument, das schwache (~ 100 Picotesla) 25 kHz oszillierende Magnetfelder mit Faraday-Induktion aufnehmen soll.

Wie auf dem Foto zu sehen, habe ich eine 4-lagige Magnetspule für den Tonabnehmer, gefolgt von einem zweistufigen Vorverstärker, der für Frequenzen über 10 kHz ~1000x verstärkt. Die Tonabnehmerspule ist nicht abgestimmt und die Schaltung sieht wie folgt aus:

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Signal/Rauschen nach Fourier-Transformation des Zeitsignals, 1500-nT-Feld bei 26 kHz. 500 ms Erfassungszeit.

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Derzeit kann der Aufbau oszillierende Felder bis zu 2 Nanotesla erkennen. Es gibt eine signifikante Änderung des Grundrauschens, wenn ich die Pickup-Magnetspule anschließe/trenne, was darauf hindeutet, dass die Empfindlichkeit verbessert werden kann. Eine mögliche Lösung besteht darin, den Induktor auf die interessierende Frequenz abzustimmen. Meine Frage ist, wie man das am besten angeht, und allgemeine Kommentare zur Verbesserung der Empfindlichkeit sind ebenfalls willkommen.

EDIT Vorschlag von Henry Crun: Stimmen Sie eine LC-Schaltung auf 25 kHz ab und verwenden Sie sie als Tonabnehmerspule. Ich bin auf einen Luftkerninduktor für den Tonabnehmer beschränkt. Also versuchte ich dies mit der folgenden Schaltung

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Und das war das Ergebnis: eine auf 24 kHz abgestimmte Tonabnehmerspule. Die Frage ist nun also - wie kann der Q-Faktor der Spule am besten erhöht werden, was die Empfindlichkeit erhöhen würde. Ich habe eine Nachweisgrenze von ~100 pT/Hz^1/2 und möchte diese um einen weiteren Faktor von 10 bis 100 verbessern.

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Suchen Sie nur Nah- 25 kHz ? Oder brauchen Sie wirklich all diese große Bandbreite (und Phasenverschiebung), die ich in Ihrem Bode-Diagramm sehe?
25-30 kHz ist der interessierende Frequenzbereich, also nein, ich brauche nicht die ganze Bandbreite.
Rauschen hängt mit der Bandbreite zusammen. Je schmaler also Ihre Akzeptanzbandbreite (1. Stufe), desto besser. Ihre Spule kann auch in diese Richtung optimiert werden. Es gibt ganze Bücher über Wicklung, Kapazität zwischen Wicklungen usw. Die Kapazität in der Spule selbst kann als Rauschintegrator fungieren und für Sie arbeiten, bevor sie in die Elektronik gelangt, wo sie schwerer zu entfernen ist. Viel Gain bei so viel Phasenverschiebung klingt sowieso nicht gut. Sie sollten sich also darum kümmern, den Gain wieder nach unten zu fahren – Bandpass statt Hochpass? Benötigen Sie 60 dB pro Dekade am unteren Ende?
Ihre neue Anordnung L2 / C9 wird als L-Anpassung bezeichnet, bei der es sich um ein spitzen Tiefpass-Impedanzerhöhungsnetzwerk handelt. R1/R12 verliert 95 % Ihres Signals. Ein SMD-Induktor hat jedoch kein Q - sein R ist zu hoch, um verwendet zu werden. BTW ADA4528 ist nicht rauscharm.
OK, jetzt werde ich es mit nur einem 10-15-uF-Kondensator parallel zur Pickup-Magnetspule versuchen. Ein ~10uF MLCC-Keramikkondensator sollte in Ordnung funktionieren? Im Moment möchte ich eine Verbesserung des SNR sehen - danach kann ich die Resonanzfrequenz auf die einstellen, an der ich interessiert bin.
Wenn Sie mir Ihr Skype/Viber/WhatsApp geben, kann ich Sie anrufen und dies ausführlich besprechen. Ich denke, Ihnen fehlen einige der wichtigen Konzepte der Geräuscharmut, und Ihre wichtigsten Anforderungen werden uns nicht mitgeteilt, sodass wir Ihnen keine wirklich richtige Lösung bieten können. Es wäre einfacher zu diskutieren und Sie in die richtige Richtung zu weisen.
Nun, Sie brauchen eine Kappe, die Ihr L widerspiegelt - diese beiden Schemata haben unterschiedliche Werte von L. Ist einer von ihnen der tatsächlich gemessene Wert?. Hochwertige MLCC sind nicht wirklich geeignet - sie haben eine sehr große Toleranz und Temperaturinstabilität (NPO-Typ ist das, was benötigt wird). Mylar / Plastikkappen sind das, was Sie wollen. Wenn es nicht mitschwingt, macht es das Signal schwächer und nicht stärker. Sie müssen es testen und einstellen. Das Werfen von Komponenten darauf führt zu keinem Ergebnis.
Beachten Sie auch, dass aufgrund der grundlegenden Impedanzfehlanpassungen bei dem, was Sie tun, Ihr bestmögliches Ergebnis so wie es ist, etwa 40 dB schlechter ist als das Grundrauschen. Ein paar bedeutende, aber nicht sehr komplizierte Änderungen sind erforderlich, um näher heranzukommen.
Danke für die Vorschläge. Bis jetzt komme ich auch mit C0G-Keramikkondensatoren und Erhöhung der Spuleninduktivität durch Hinzufügen weiterer Windungen nicht wirklich voran. Können Sie irgendwelche Kappen vorschlagen, die funktionieren könnten, ohne dass sie zu groß sind? Wie Sie auf dem Foto sehen können, versuche ich, Teile mit einem kleinen PCB-Footprint zu verwenden.
@MichaelT Sie können Komponenten nicht einfach auf ein geräuscharmes Design werfen. Ihr Schema ist etwa 40 dB / 100x von "guter" Rauschleistung entfernt. Sie müssen dies durchsprechen, damit Sie verstehen, was Sie zu tun versuchen. Kennen Sie die berechnete Signalspannung?
Ich stimme zu, ein kalkulierter Ansatz ist erforderlich. Allerdings habe ich jetzt einige Fortschritte gemacht, es geschafft, die Spule mit ein paar Kondensatoren abzustimmen. Dies hat mir eine Verbesserung des tatsächlichen Setups um den Faktor ~ 10 gebracht, aber Sie haben wahrscheinlich Recht, es gibt noch mehr.
Ergebnisse, die in der ursprünglichen Frage gepostet wurden

Antworten (2)

Ich habe mich gerade mit Ihrem Nachweisgrenzenproblem für magnetische Wechselfelder im höheren Audiofrequenzbereich beschäftigt. Ich wäre sehr daran interessiert, vielleicht ein paar nützliche Vorschläge hinzuzufügen, aber bevor ich das tue (und nur dumme Dinge sage), darf ich ein paar kurze Fragen stellen.

  1. Sehe ich aus dem Bild, das Ihre Spule mit zusätzlichen Zahlen von 2,8 Ohm und 290 uH zeigt, richtig, dass sich das zugrunde liegende Papier auf NMR-Experimente bezieht?
  2. Warum sind Sie so daran interessiert, einen Opamp mit sehr niedrigem DC (!) Drift wie den ADA4528 zu verwenden? Für mich zählen hier "nur" AC-Eigenschaften.
  3. Hinzu kommt: Der ADA4528 weist eine so geringe DC-Drift auf, weil er ein Chopper-Stabilisierungsschema verwendet, das auf einem internen ~200-kHz-Oszillator läuft. Dies ist ungefähr das Schlimmste, was man wählen kann, wenn die AC-Erkennung primär ist, da viele Interferenzprodukte wie Nxf_chop -/+ Mxf_sign auftauchen.

Bitte schlagen Sie den Anwendungshinweis des Operationsverstärkers mit der Bezeichnung AN-1114 nach: Dies könnte sehr hilfreich sein.

Danke für Ihre Antwort.

  1. Bitte teilen Sie mir meine Besorgnis über den im ADA4528 enthaltenen Zerhacker-Klapper mit und beseitigen Sie ihn so schnell wie möglich. In diesem Zusammenhang habe ich vergessen, Ihren schönen Hinweis auf das Interferenzproblem zu erwähnen: das FFT-Spektrum zwischen 26020 und 26060, das eine schöne regelmäßige Schwebung von zeigt ~2Hz. Ich wette, das ist Chopper-induziert! Mein erster Vorschlag ist also, zu einem Operationsverstärker wie LT1115 (betrieben von zwei 9-V-Batterien) mit < 2 nV / sqrtHz und < 1 pA / sqrtHz zu wechseln, ausgehend von dem angepassten Schema, das Ihnen 24 kHz Auflösung gab. und 100 pT/sqrtHz Empfindlichkeit.

  2. Zweitens fügen Sie bitte auch (wie von anderen erwähnt) einen nicht kurzschließenden Cu-Folien-Blechschirm hinzu.

  3. Außerdem können Sie im neuesten Schema einige Komponenten entfernen, dh R3 und R4 sowie R9 und R10, da die Vorspannung über die Rückkopplungswiderstände R7 und R11 bereitgestellt wird. Auch der Kondensator C1 kann entfernt werden, da C7 und C9 die DC-Trennung gewährleisten. All dies sollte Ihr System erheblich verbessern.

Grüße und hoffen, von Ihnen zu hören.

Danke für die interessante Frage. Ja, die Hardware betrifft letztendlich NMR-Experimente, bei denen der Operationsverstärker dazu dient, das Wechselstromsignal vorzuverstärken, bevor es digitalisiert wird. Ich habe mich für diesen Operationsverstärker entschieden, da er kostengünstig und rauscharm ist und eine einzige Spannungsversorgung benötigt.

Reduzieren Sie die Bandbreite Ihres Verstärkers. Caps über R7,11 rollen die Verstärkung bei >30kHz ab. Wählen Sie C1, C5, um die Verstärkung unter 20 kHz abzusenken.

Sie haben eine sehr niedrige Quellenimpedanz von dieser Spule (0,42 Ohm bei 2,8 uH bei 25 kHz). Dies bedeutet eine niedrige Ausgangsspannung und eine schlechte Rauschzahl, wenn Sie versuchen, sich dem Grundrauschen zu nähern

Ein Ferritkern in der Spule erhöht L und damit Z und damit die Signalspannung. Wenn L um das 100-fache steigt, steigt V um das 100-fache. (es sei denn, es ist ein starkes Magnetfeld vorhanden, hohe Temperatur usw.)

Wenn Sie die Spule zu einem Resonanzkreis (C über L2) machen, wird die Ausgangsspannung auf Kosten der Bandbreite stark erhöht - Sie müssen möglicherweise einen Shunt R setzen, um Q und Bandbreite zu verringern. Für eine Bandbreite von +/-10 % können Sie ein Q von 10 haben, dh die Signalspannung wird um das 10-fache erhöht. Sie möchten mehr L (Ferritkern), um den C-Wert praktikabler zu machen (anstelle von 15 uF)

Wenn Sie bei einer Luftspule bleiben, senkt eine rauscharme bipolare Leistungstransistor-Eingangsstufe das Rauschen (ztx951). Dies spielt nur eine Rolle, wenn Sie versuchen, sich dem Grundrauschen zu nähern - Sie haben noch fast genug Verstärkung.

Stromversorgung mit Batterien oder linearen Netzteilen. Schaltmodi arbeiten in dem Bereich, den Ihr Gerät erkennt.

Möglicherweise benötigen Sie eine Faraday-Abschirmung um Ihre Tonabnehmerspule und ein symmetrisches abgeschirmtes Kabel zum Verstärker.

Sie können auch einen Ferrit-Topfkern-Mikrofontransformator verwenden, um die Eingangsimpedanz und das Signal zu erhöhen. Das ist wahrscheinlich auch gut für eine 30-fache Signalsteigerung. Wenn Sie eine Sensorspule mit Luftkern haben, ist dies die einzige Möglichkeit, nahe an das Grundrauschen heranzukommen, da kein Transistorverstärker einen ausreichend niedrigen Eingangsrauschwiderstand hat. (Wenn Sie eine Resonanzspule mit Ferritkern verwenden, brauchen Sie sie wahrscheinlich nicht). Sie können die Sensorspule mit einem kleinen C auf der Sekundärseite des Transformators in Resonanz bringen.

Ich denke, ein Resonanzkreis ist die beste Idee, danke, ich muss eine Luftkern-Tonabnehmerspule verwenden, nicht Ferrit. Ich muss also herausfinden, welche Art von Schaltung verwendet werden soll - meinen Sie mit "Kondensator über L2" parallel zu L2? Der Ferrit-Mikrofontransformator klingt nach einer guten Idee, aber wie vorsichtig muss man mit der magnetischen Abschirmung sein?
Der Vorverstärker ist bereits batteriebetrieben.
Mikrofontransformatoren haben bereits sehr gute Abschirmsysteme, die für sie entwickelt wurden, daher ist dies ein gelöstes Problem. Sie können Ihren eigenen mit einem Ferrit-Topfkern wickeln - diese haben eine sehr geringe Leckage und eine passende Abschirmung kann. Möglicherweise können Sie eines verwenden, das für ein Bändchenmikrofon entwickelt wurde. Ich weiß nicht, ob die Frequenz hoch genug ist. Möglicherweise können Sie eines für Ultraschall-Sonarmikrofone erhalten.
Die Abschirmung ist wichtiger, wenn In-Band-Felder vorhanden sind. Wenn Sie es resonant machen, werden Sie nicht viel 50 Hz aufnehmen. Da die meisten SMPS ungefähr diese Frequenz haben, könnten Sie einen Transformator aus einem Laptop-Versorgungsmaterial zurückspulen. EI-Transformatoren haben ein schlechtes Streufeld, aber es würde funktionieren, wenn nicht sogar ideal.
Transformatoren geben Ihnen auch einen symmetrischen Eingang, und das ist eine sehr gute Sache.
Erzeugen Sie auch das 25-kHz-Anregungssignal. dh steht es Ihnen als starkes Signal zur Verfügung? Müssen Sie wirklich auf den Grundrauschen kommen? Gibt es Störungen? (Magnete, Energiesysteme usw.)? Wenn Sie darüber sprechen möchten, können Sie mich per Viber/WhatsApp/Telefon anrufen, und ich würde mich freuen, darüber zu sprechen.
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