Cómo aumentar la sensibilidad de la bobina de captación de audiofrecuencia

Question

Estoy construyendo un instrumento destinado a detectar campos magnéticos oscilantes débiles (~100 picotesla) a 25 kHz con inducción Faraday.

Como se muestra en la foto, tengo una bobina solenoide de 4 capas para la detección seguida de un preamplificador de dos etapas que amplifica ~1000 veces para frecuencias por encima de 10 kHz. La bobina de detección no está ajustada y el circuito se ve así:

Relación señal/ruido después de la transformada de Fourier de la señal en el dominio del tiempo, campo de 1500 nT a 26 kHz. Tiempo de adquisición de 500 ms.

Actualmente, la configuración puede detectar campos oscilantes hasta 2 nanotesla. Hay un cambio significativo en el nivel de ruido cuando conecto/desconecto la bobina solenoide de detección, lo que sugiere que la sensibilidad puede mejorar. Una posible solución es ajustar el inductor a la frecuencia de interés. Mi pregunta es cuál es la mejor manera de abordar esto, y los comentarios generales sobre cómo mejorar la sensibilidad también son bienvenidos.

EDITAR Sugerencia de Henry Crun: ajustar un circuito LC a 25 kHz y usarlo como bobina de detección. Estoy limitado a un inductor de núcleo de aire para la detección. Entonces intenté esto con el siguiente circuito

Y este fue el resultado: una bobina de detección ajustada a 24 kHz. Entonces, la pregunta ahora es - ¿cuál es la mejor manera de aumentar el factor Q de la bobina, lo que aumentaría la sensibilidad? Tengo un límite de detección de ~100 pT/Hz^1/2 y quiero mejorar eso en otro factor de 10 a 100.

Answer 1

Acabo de centrarme en su problema de límite de detección para campos magnéticos de CA en el rango de frecuencia de audio superior. Estaría muy interesado en tal vez agregar algunas sugerencias útiles, pero antes de hacerlo (y decir tonterías) ¿puedo hacer algunas preguntas cortas?

1. ¿Estoy en lo correcto al ver en la imagen que muestra su bobina con números añadidos de 2.8 Ohm y 290 uH, que el documento subyacente se relaciona con experimentos tipo NMR?
2. ¿Por qué está tan interesado en usar un amplificador operacional de deriva muy baja en CD (!) como el ADA4528? Para mí, solo importan las propiedades de CA.
3. Añadido a eso: El ADA4528 tiene una tan baja deriva en CD porque emplea un esquema de estabilización de chopper, funcionando en un oscilador interno de ~200 kHz. Esto es aproximadamente lo peor que se puede elegir si la detección de CA es primordial, ya que muchos productos de interferencia aparecerán como Nxf_chop -/+ Mxf_sign.

Por favor consulte la nota de aplicación del amplificador operacional, denotada como AN-1114: esto podría ser muy útil.

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Gracias por responder.

1. Por favor tenga en cuenta mi preocupación por el 'traqueteo' del chopper contenido en el ADA4528, y deshágase de él lo antes posible. En ese sentido, olvidé mencionar su hermosa advertencia sobre el problema de interferencia: el espectro de FFT entre 26020 y 26060, mostrando un agradable ritmo regular de ~2Hz. ¡Apuesto a que esto es inducido por el chopper! Entonces, mi primera sugerencia es cambiar a un amplificador operacional como el LT1115 (alimentado por dos baterías de 9V), con < 2 nV/sqrtHz y < 1 pA/sqrtHz, comenzando desde el esquema adaptado que le dio una resolución de 24 kHz y una sensibilidad de 100 pT/sqrtHz.

2. En segundo lugar, por favor también añada (como mencionaron otros) una lámina de cobre no conductora.

3. Además, puede eliminar bastantes componentes en el esquema más reciente, es decir, R3 y R4, así como R9 y R10, ya que el sesgo se proporciona a través de los resistores de realimentación R7 y R11. También se puede eliminar el capacitor C1, ya que C7 y C9 aseguran el aislamiento de CD. Todo esto debería mejorar considerablemente su sistema.

Saludos y espero tener noticias suyas.

Answer 2

Reduzca el ancho de banda de su amplificador. Los capacitores a través de R7,11 reducirán la ganancia a >30kHz. Elija C1,C5 para reducir la ganancia por debajo de 20kHz.

Tiene una impedancia de fuente muy baja desde esta bobina (0.42 ohmios@2.8uH@25kHz). Esto significa baja tensión de salida y mala cifra de ruido si intenta acercarse al ruido de fondo

Un núcleo de ferrita en la bobina aumentará L y por lo tanto Z, y por lo tanto la tensión de señal. Si L aumenta 100 veces, V aumenta 100 veces. (a menos que haya un campo magnético fuerte presente, alta temperatura, etc.)

Hacer que la bobina sea un circuito resonante (C a través de L2) aumentará considerablemente la tensión de salida, a expensas del ancho de banda: puede que tenga que poner algo de resistencia de derivación para reducir la Q y el ancho de banda. Para un ancho de banda de +/-10%, puede tener una Q de 10, es decir, la tensión de señal aumentará 10 veces. Quiere más L (núcleo de ferrita) para hacer que el valor de C sea más viable (en lugar de 15uF).

Si está trabajando con una bobina de núcleo de aire, entonces una etapa de entrada de transistor de potencia bipolar de bajo ruido bajará el ruido (ztx951). Esto solo importa cuando intenta acercarse al ruido de fondo - aún no tiene casi suficiente ganancia.

Alimente con baterías, o fuentes de alimentación lineales. Los conmutadores operan en el rango que su equipo detecta.

Puede necesitar un blindaje de Faraday alrededor de su bobina de recolección, un cable apantallado equilibrado hacia el amplificador.

También puede utilizar un transformador de micrófono de núcleo de ferrita en maceta para aumentar la impedancia de entrada y la señal. Probablemente también sea bueno para un aumento de señal de 30 veces. Si tiene una bobina de sentido de núcleo de aire esta será la única forma de acercarse al ruido de fondo, ya que ningún amplificador de transistor tiene una resistencia de ruido de entrada lo suficientemente baja (si usa una bobina de sentido de núcleo de ferrita resonante, probablemente no lo necesitará). Puede resonar la bobina de sentido con un pequeño C en el secundario del transformador.