基于光杠杆放大的
微弱电信号测量系统 Design & Implementation of a Weak Electrical Signal Measurement System Based on Optical Lever Amplification

微安乃至更低量级的电信号容易被环境噪声淹没；单纯提高电子增益也会同步放大前端噪声。该系统先以电磁、机械与光学链路完成物理转换，再进行高精度数字采集：它并非直接放大电信号，而是把微小电流造成的偏转转化为更易检测的光斑位移。

论文随后依次说明总体结构、各模块实现、标定与线性度验证、误差分析、应用边界和未来优化方向。

系统以长方体框架作为机械支撑，采用模块化设计将装置划分为四大功能模块。框架左侧安装悬吊式偏转结构，右侧布置激光发射、光斑检测及数据处理电路。信号接收模块与偏转模块采用由同一根连续铜线绕制的一体化线圈结构，减少连接损耗。装置整体采用电磁屏蔽结构，数据处理部分以金属屏蔽罩隔离，提高系统稳定性。

发生模块由计算机音频输出接口、Arduino 控制单元以及Si4713 射频发射芯片组成。计算机生成幅值和频率可控的低频调制信号，经 3.5mm 音频接口输入 Si4713 的 LIN 与 RIN 输入端；Arduino 通过 I2C 接口对 Si4713 进行初始化与参数配置。Si4713 内部集成频率合成、调制控制及射频输出功能，将音频信号调制到指定射频载波并通过天线输出。

低频调制信号由计算机 Python 脚本生成（100Hz 正弦波），Arduino 负责 Si4713 通信控制。相较于传统数字波形生成方式，该方案利用计算机音频输出实现高稳定性调制信号产生，提高了频率和幅值控制精度。

接收模块采用轻量化、可移动式结构，由多匝绕制接收线圈与两侧磁极相对的钕铁硼强磁铁组成。线圈所在区域形成方向稳定的磁场环境。当外部微弱交变电流信号通过空间传播形成变化磁场时，线圈中磁通量变化，根据法拉第电磁感应定律产生感应电动势与感应电流。感应电流经闭合回路传输至偏转线圈，为后续磁电转换提供驱动电流。

接收线圈与偏转线圈采用一体化线圈结构（同一根连续铜线绕制），直接连接方式避免了传统分离式连接中接触电阻与连接稳定性对微弱信号传输的影响，显著提高系统灵敏度。

偏转模块由悬吊式偏转线圈、永磁体、反射镜及机械支撑结构组成。偏转线圈通过两根细铜丝悬挂于框架上，反射镜固定于线圈并同步转动。来自右侧的准直激光射向反射镜，反射回右侧的一维 PSD 感光面上。

当感应电流 I 流经偏转线圈时，载流线圈在恒定磁场 B 中受安培力作用产生转动力矩，悬丝同时产生恢复力矩。平衡时反射镜偏转 θ，反射激光产生 2θ 角偏转，经距离 D 照射至 PSD。在小角度条件下（θ ≤ 5°），光斑位置 x 与电流 I 满足近似线性关系：

其中 k 为悬丝等效扭转劲度系数，N 为线圈匝数。偏转模块实现了微弱电流到可观测光学位置信号的转换，为后续数字化检测奠定基础。

归一化位置算子 P — PSD 双端输出 I_a、I_b。为消除激光功率波动与环境光影响，引入归一化算子：

在系统工作范围内，P 与感应电流 I 满足线性关系，C 为转换系数（标定获得）：

信号频率 f — 连续采集 PSD 输出，过零检测确定周期：

电动势幅值 U — 接收与偏转线圈串联，LCR 电桥实测等效阻抗参数：

数据处理模块由 PSD 传感器、AD8628 低噪声调理电路、ADS1115 16位 ADC 及 Arduino 组成。PSD 利用横向光电效应产生两路差分光电流；AD8628 构成跨阻放大电路进行 I-V 转换（低输入偏置电流、低失调电压）；ADS1115 通过 I2C 与 Arduino 通信，完成高精度数字采样。

程序采用模块化设计：环境光补偿降低背景光影响，滑动平均滤波（窗口 N=16）抑制随机噪声，过零检测计算信号频率。滤波后的数据用于光斑位置、电流、电压及频率参数的综合计算与串口输出。

偏转线圈回路中串联精密采样电阻 R_s = 220Ω，通过测量其两端电压获得实际电流 I = V_R / R_s。Arduino 输出不同占空比的 PWM 驱动信号，使线圈电流分 6 级逐步变化，每级采集 17 组 (I_i, P_i) 数据。累计 100 组后通过最小二乘拟合求解转换系数 C 与零点偏移量 b，并输出 R² 相关系数评估拟合质量。

标定模块由电流输出部分（PWM 驱动 + 采样电阻）和转换系数计算部分（复用数据处理硬件）组成。标定过程无需改变硬件连接，仅需切换 Arduino 运行程序即可在标定与测量模式间转换，保证信号传输路径一致性，避免额外设备引入系统误差。

精度提升策略

硬件：增加防风结构、优化支撑方式、缩短模拟信号路径、加强屏蔽措施。软件：滑动平均滤波、异常值剔除、合理匹配采样参数。流程：实验前完成光路调整与零点校准，长时间测量中定期检查系统基准状态。

系统以接收线圈、偏转线圈、光杠杆与 PSD 构成完整的“电 - 机 - 光 - 数”测量链路，并通过标定建立输入电流与 PSD 输出的量化关系。模块化实现与数字滤波使其适合作为微弱信号测量和物理实验的可复现实验平台。