ZNC型智能質(zhì)子磁力儀

摘要：介紹ZNC型智能質(zhì)子磁力儀的用途及工作原理，詳述了質(zhì)子旋進(jìn)信號(hào)處理流程，給出了單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)框圖，同時(shí)分析了儀器的測(cè)量誤差及儀器的創(chuàng)新特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子 地磁場(chǎng) 單片機(jī) 分頻法

ZNC型智能質(zhì)子磁力儀是用于測(cè)量地球總磁場(chǎng)強(qiáng)度絕對(duì)值與垂直分量的高精度磁測(cè)儀器，主要用于鐵礦及其它金屬礦床的普查、詳查和地質(zhì)填圖。另外，它亦可用于航空海洋地面日變站，進(jìn)行磁力測(cè)量；用于地震預(yù)報(bào)工作中地磁臺(tái)站的磁變觀測(cè)等。

1 工作原理

具有自旋磁矩和自旋角動(dòng)量的質(zhì)子，在地磁場(chǎng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以地磁場(chǎng)方向?yàn)檩S的拉莫爾旋進(jìn)，其旋進(jìn)頻率與地磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系為：

F=23.487215fp

式中：F為地磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位為nT；

fp為質(zhì)子旋進(jìn)頻率，單位為Hz。

（1994年國(guó)際科聯(lián)科技委員會(huì)推薦）

由此可見(jiàn)：地磁場(chǎng)強(qiáng)度與旋進(jìn)頻率成正比關(guān)系，因而地磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量即轉(zhuǎn)化為質(zhì)子旋進(jìn)頻率的測(cè)量。儀器的原理框圖見(jiàn)圖1。本儀器的探頭由無(wú)磁性外殼和兩個(gè)參數(shù)相同、反相串聯(lián)的線圈組成，線圈內(nèi)充滿高純度的煤油。由于兩個(gè)線圈反相串聯(lián)，其磁通方向相反。當(dāng)外來(lái)干擾磁場(chǎng)同時(shí)作用于兩個(gè)線圈時(shí)，干擾感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在總輸出端剛好抵消，從而提高了探頭的抗干擾能力。磁化電路由4只大功率天關(guān)晶體管組成，單片機(jī)系統(tǒng)控制其通斷。前置放大電路由三片運(yùn)算放大器OP07組成具有低噪聲、高輸入阻抗和較強(qiáng)抗共模干擾能力的測(cè)量放大器。選頻放大電路由配諧電容、電感與運(yùn)放LM324組成。整形電路由CD4069組成，將選頻放大電路輸出的旋進(jìn)信號(hào)整形為具有固定幅度的矩形脈沖。儀器硬件由CPU80C32、地址鎖存器74HC373、地址譯碼器GAL16V8、程序存儲(chǔ)器27C128、帶有掉電保護(hù)電路的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256、兩片81C55、一片82C55、一片雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、溫補(bǔ)型晶振、RS232串行口、恒流源以及鍵盤、顯示、繪圖打印機(jī)PP40等組成。

儀器測(cè)量過(guò)程由單片機(jī)系統(tǒng)控制。首先對(duì)探頭進(jìn)行磁化，即有1安培的磁化電流流經(jīng)探頭，探頭線圈產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)，經(jīng)4秒后磁化系統(tǒng)判斷，人工磁化磁場(chǎng)消失。由于質(zhì)子旋進(jìn)切割線圈，在線圈中感應(yīng)出隨時(shí)間按指數(shù)衰減的旋進(jìn)信號(hào)，其幅度為數(shù)微伏，衰減時(shí)間約2秒。探頭線圈與單片機(jī)系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)呐渲C電容組成諧振回路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行選頻。選頻后的信號(hào)進(jìn)行前置放大，放大后的信號(hào)分兩路，一路送DY180與12位LEDX二極管，用于觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度及衰減時(shí)間；另一路經(jīng)過(guò)CD4069整形成方波信號(hào)，由CD4066（2）控制送入8155(2)TI端，按鍵盤輸入的強(qiáng)度進(jìn)行分頻，再經(jīng)過(guò)GAL16V8送到80C32進(jìn)行脈寬測(cè)量，將脈寬換算成頻率，再將頻率換算成磁場(chǎng)強(qiáng)度。測(cè)總場(chǎng)的水平分量時(shí)，接通恒流源在補(bǔ)償線圈中產(chǎn)生一個(gè)垂直磁場(chǎng)，抵消地磁場(chǎng)的垂直分量。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想

智能質(zhì)子磁力儀的系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)的靈魂。軟件共16K，用MCS-51匯編語(yǔ)言寫成，程序流圖圖如圖2、圖3、圖4所示。根據(jù)儀器的主要功能，系統(tǒng)軟件必須完成以下任務(wù)：

（1）可對(duì)以下參數(shù)進(jìn)行輸入、修改和查詢：年月日、時(shí)分少、打印數(shù)據(jù)間隔、測(cè)量分量的基線值、測(cè)量總場(chǎng)值、測(cè)量分量值、測(cè)量總場(chǎng)的修正值、測(cè)量分量的修正值。

（2）定時(shí)完成分量與總場(chǎng)快速分辨率的自動(dòng)測(cè)量。

（3）運(yùn)行過(guò)程中能手動(dòng)測(cè)量分量、總場(chǎng)，提供偏轉(zhuǎn)電流以及完成系統(tǒng)的時(shí)鐘校準(zhǔn)。

（4）自動(dòng)完成測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ)，按鍵完成測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示查詢、測(cè)量數(shù)據(jù)下上位計(jì)算機(jī)的串行通訊和打印給圖輸出等。

（5）提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘并按歷法完成日期自動(dòng)遞增。

3 測(cè)量誤差分析

儀器測(cè)量誤差包括以下幾項(xiàng)：

（1）氫質(zhì)子旋磁比vp=（2.67513±0.00002）/10 4弧度/高斯秒，它本身的誤差在計(jì)算中引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度誤差為：

在20000nT處造成的誤差為20000×（±2/267513）=±0.15nT

在100000nT處造成的誤差為100000×（±2/267513）=±0.75nT。

（2）本儀器計(jì)數(shù)誤差與最小讀數(shù)接近，為0.1nF。

（3）分頻脈沖上下沿一般為0.3μs，它造成的測(cè)量誤差不超過(guò)±0.06nT。

（4）由于采用溫補(bǔ)型晶體，其走時(shí)誤差可做到小于0.1秒/天，相對(duì)誤差為±0.1/24×60×60=±1.16×10 -6，即晶振的精度可達(dá)到±1.16×10 -6。在20000nT處造成的誤差為20000×（±1.16×10 -6）=±0.12nT。

（5）偏轉(zhuǎn)電流變化對(duì)分量測(cè)量引起的誤差約為0.2nF。

（6）其它誤差約為0.2nT。

在上述各項(xiàng)誤差中，不計(jì)旋磁比引起的誤差時(shí)，測(cè)總場(chǎng)F時(shí)最大誤差為0.1+0.06+0.12+0.2=0.48≈0.5nT。測(cè)分量Z時(shí)需再加上偏轉(zhuǎn)電流引起的0.2nT誤差，為0.7nT。

4 儀器特點(diǎn)

（1）測(cè)量系統(tǒng)與計(jì)時(shí)系統(tǒng)使用同一晶振，利用計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性來(lái)判斷晶振頻率的穩(wěn)定性。若計(jì)時(shí)準(zhǔn)確穩(wěn)定，則可判斷晶振頻率穩(wěn)定，并可由時(shí)間的偏差，求出由晶振偏差引起的測(cè)量誤差。由于其它測(cè)量誤差基本上是固定的，在其它誤差已知的情況下，則可求出儀器的測(cè)量總誤差，從而可確定儀器的觀測(cè)精度。換句話說(shuō)，只要計(jì)時(shí)誤差不超過(guò)某一標(biāo)準(zhǔn)，就可確定儀器測(cè)量精度不低于某一標(biāo)準(zhǔn)，并可認(rèn)為此時(shí)儀器的測(cè)量值即為該精度下的標(biāo)準(zhǔn)值。在使用正常的情況下，無(wú)需再用其它同類的儀器進(jìn)行比測(cè)來(lái)確定本儀器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）采用數(shù)字輸入法實(shí)現(xiàn)探頭及放大器的配諧，并隨磁場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)配諧自動(dòng)跟蹤。

以往的儀器探頭及放大器的配諧都采用波段開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的方式，該方式的缺點(diǎn)是由于檔次有限，不易把測(cè)程做得很寬，而且不易到準(zhǔn)確配諧。而儀器接收的測(cè)量信號(hào)大小及信噪比直接與配諧的好壞有關(guān)，配諧不好就會(huì)影響測(cè)量的重復(fù)性而使儀器的精度下降。本儀器采用數(shù)字輸入的方式，即把要測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度值從鍵盤輸入，儀器就可使探頭回路及放大器回路在該磁場(chǎng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的頻率處諧振。采用此法后，可使信號(hào)強(qiáng)度接近最大狀態(tài)，從而要提高測(cè)量重復(fù)性，減少測(cè)量誤差。具體做法如下：

取探頭電感L1=34.2mH，放大器通路電感L2=342mH，根據(jù)電感電容并聯(lián)回路諧振公式f=1/[2π(LC)1/2]

可得：C=1/(2πf)2L。

將磁場(chǎng)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的頻率fp及放大器回路的電感L2代入上式，可求得C2：

C2=1/[2πfp]2L2

又由于fp=T/(23.487215)（T為磁場(chǎng)強(qiáng)度）

則得：

將所要測(cè)量的地磁場(chǎng)T代入上述，就可求得C2及C1。

由于一個(gè)16進(jìn)制的數(shù)可用若干個(gè)四位輸出口的高低電平來(lái)表示，因此將C1、C2的數(shù)值轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)后，則可用若干組四位輸出口的電平來(lái)表示C1、C2的數(shù)值。然后再用輸出口的高低電平帶動(dòng)繼電器，使繼電器的開(kāi)關(guān)接通所帶的內(nèi)容，使回路在所測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度上產(chǎn)生諧振，從而獲得最佳的測(cè)量效果。

在測(cè)出第一個(gè)地磁場(chǎng)值T1后，以T1的值求出所需配諧的電容大小。由于在兩次測(cè)量之間的地磁場(chǎng)變化一般不會(huì)超過(guò)±200nT，故以T1值所配諧的電容來(lái)測(cè)下一個(gè)地磁場(chǎng)T2，一般不會(huì)引起誤差，即以本次測(cè)得的地磁場(chǎng)值來(lái)求得下次測(cè)量所需的配諧電容值。這樣可對(duì)在20000nT～10000nT范圍內(nèi)變化的地磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤測(cè)量，從而取得更好的測(cè)量效果。

（3）本儀器采用等分辨率的分頻測(cè)量法。在測(cè)量一個(gè)正向脈沖寬度（即時(shí)間）時(shí)，可以以此脈沖作門控信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)周期為1μs的方波個(gè)數(shù)來(lái)求得此脈沖的寬度。本儀器采用80C32單片機(jī)測(cè)脈寬的方法，選晶振頻率為12MHz，其機(jī)器周期為1μs，通過(guò)測(cè)量該脈寬期間通過(guò)的機(jī)器周期來(lái)求得脈寬。

設(shè)探頭磁化后質(zhì)子旋進(jìn)信號(hào)的頻率為fp，其周期為1/fp，此信號(hào)經(jīng)放大整形后變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，經(jīng)K分頻后方波周期為K·1/fp，正向脈寬（半周期）為N（單位為μs）。它們符合下列關(guān)系式：

1/2·K·1/fp=N×10 -6(K為分頻系數(shù))

由于fp=T/23.487215,將fp代入上式整理得：

T=[(K×23.487215×10 -6)/2N ]·(nT)

(4)在測(cè)量09點(diǎn)和21點(diǎn)的分量及總場(chǎng)時(shí)具有模擬人工取數(shù)的功能。它能選取三個(gè)相互不超過(guò)2nT的數(shù)取平均作為測(cè)量結(jié)果，當(dāng)測(cè)量七個(gè)仍取不到三個(gè)相互不超過(guò)2nT的數(shù)時(shí)，則將此七個(gè)數(shù)按大小排序，取其中三個(gè)的平均值作為測(cè)量結(jié)果。

（5）本儀器可方便地改為全部測(cè)總場(chǎng)，只要將分量線圈斷開(kāi)，從鍵盤輸入的分量值改為總場(chǎng)值即可。

（6）由于采用單片計(jì)算機(jī)技術(shù)，在硬件不變的情況下，可通過(guò)修改軟件滿足用戶的要求，按用戶要求的工作方式工作。