低功耗高精度质子旋进式磁力仪的设计.pdf

石油仪器

2007年第21卷第2期PETROLEUMINSTRUMENTS#13#

#开发设计#

低功耗高精度质子旋进式磁力仪的设计

赵志鹏董浩斌
(中国地质大学湖北武汉)

摘要:针对国产的磁力仪功耗大,稳定性较差,精度较低(?1nT)等问题,设计了新型质子磁力仪。新型质子磁
力仪具有精度高、存储数据量大、机载GPS接口、大LCD屏幕显示、整机低功耗工作、比较轻便的优点。

关键词:磁力仪;质子旋进;高精度测量;GPS

中图法分类号:P631.2+3文献标识码:B文章编号:1004-9134(2007)02-0013-03

属层,屏蔽掉环境中的电磁干扰,以达到提高灵敏度的
0引言
目的[1、2]。线圈骨架中充满富含氢质子的煤油或者
通过磁力仪可以测出微弱的地磁场强度,常常被
水。当仪器进行极化时,线圈通入约1A的直流电流。
用于考古、环境工程、气象、探矿、反潜等领域,因此受
在线圈内部会产生与地磁场方向垂直,大于地磁场几
到国内外科学家们广泛关注。质子磁力仪是一种质子
个数量级的极化磁场。极化3s~5s后质子磁矩就会
旋进式磁力仪,由于其原理简单,仪器体积小,精度高,
沿着垂直于地磁场的方向整齐排列,形成极化磁场。
在野外作业中很受欢迎。与国外同期产品相比,国内
然后切断电流,线圈产生的极化磁场消失,质子磁矩便
目前生产的质子磁力仪精度仍然不高功能不够完善。
,在地磁场的作用下以地磁场为轴处于旋进状态。在旋
国外生产的质子磁力仪精度可到0.01nT,国内生产的
进过程中,质子的磁矩会切割线圈而在线圈两端产生
质子磁力仪精度普遍为0.1nT。国外新型质子磁力仪
数微伏的感应电动势。此感应电动势经过约80万倍
功能强大,而国内质子磁力仪功能单一。国外很多仪
的选频放大及整形后,可测量出衰减频率。磁场强度
器都支持事后处理和全球定位系统而国内的产品通
,转化成频率并乘以归一化系数便可直读地磁场值。所
常只提供显示功能。
以磁场的测量就转换为频率的测量。频率测量的精度
根据现实需要和国内外现状,提出了设计新型质
也就决定了质子磁力仪的精度。
子磁力仪,拟达到精度高、存储数据量大、机载GPS接
口、自动记录测量时间和地理位置、大LCD屏幕显示、2系统总体设计方案
中文菜单、灵活的人机交互;整机低功耗、便于电池工
图1是本设计的系统原理图,由CPU提供脉冲极
作;整机轻便、便于携带等要求。
化探头,由探头输出的微弱的质子旋进信号经调谐后,
1质子旋进式磁力仪工作原理送入选频放大电路,信号放大后整形输出为TTL标准

质子旋进式磁力仪测量原理都利用质子在地磁场
内的拉莫尔进动效应,测量磁场。当质子在收到激励
场激励后,激励强磁场使水或碳氢化合物中的质子极
化,当强磁场突然去掉时,质子就以角速度绕地磁场旋
进,产生以地磁场方向的拉莫尔进动。
质子磁力仪探头由两个相同线圈反向串联而成,
放入柱型或球形容器内,以抑制外界干扰。国外的厂

商将探头做成球形,并在球壁外层涂上厚度均匀的金图1质子磁力仪系统组成单元

第一作者简介:赵志鹏,男,1976年生,1996年毕业于桂林电子科技大学,现为中国地质大学(武汉)检测与自动化装置专业在读硕士,研究方向:智
能仪器。邮编:430074
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#14#PETROLEUMINSTRUMENTS2007年04月

方波,此信号送入测量部分测量。1
C=2(2)
通过分析质子磁力仪的工作原理,并对几种型号(2Pf)L
谐振回路的品质因数:
质子磁力仪内部结构分析得知:质子磁力仪的测量部
分主要由高精度的频率计完成。所以测量部分通过设Q=WL(3)
R
计高精度的频率计来实现。频率计采用新型的CPLD为了在全测量范围内都能谐振于旋进频率,要把
器件来设计。键盘采用5@4矩阵键盘,CPLD部分还电容C换成可调的,简单实用的办法是用多档开关来
实现了键盘扫描功能。换接若干个电容。
质子旋进磁力仪配置了GPS模块,用来获取测量由于探头配谐电路工作在极弱的信号下,本系统
点的经纬度及测量时的时间,GPS发送的时间非常精选用低导通电阻的模拟开关ADG706[7]来切换谐配电
准,故在GPS有效定位时可以对系统的日历时钟校容。电容配谐系统示意图如图2所示。该模拟开关为
准。16:1模式。
该系统配置了容量达2MB的FLASH的存储器,
240@128的单色大LCD显示屏,RS232接口和USB
接口。USB接口支持主机模式和从机模式,在主机模
式下,可接USB存储器、USB外设(鼠标、键盘和打印
机等);在从机模式下,可接PC机进行数据交换。
2.1主控系统芯片的选用
MSP430[4~6]单片机是针对不同用途,把多个模拟图2电容配谐系统示意图
电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,即混合我们使用