低功耗高精度质子旋进式磁力仪的设计

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1、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)02-0013-030引言属层,屏蔽掉环境中的电磁干扰,

2、以达到提高灵敏度的[1、2]目的。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

3、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

4、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

5、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石油仪器·14·PETROLEUMINSTRUMENTS2007年04月方波,此信号送入测量部分测量。1C=2(2)通过分析质子

6、磁力仪的工作原理,并对几种型号(2πf)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WL分主要由高精度的频率计完成。所以测量部分通过设Q=(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

7、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

8、我们使用的探头电感量为20mH,直流电阻10信号处理器(MSPMixedSignalProcessor)。其主要特Ψ。测量范围20000nT～80000nT,相应的频率范围点有:超低功耗;处理