基于核磁共振方法的磁场测量仪——控制与显示部分

摘要

核磁共振理论诞生于1946年，经过60多年的发展已经相当成熟，用于建立以原子常数为尺度的磁场参量自然基准，具有测量精度高、受外界干扰小、信号稳定清晰等其它方法无法比拟的优势。本文介绍了核磁共振理论原理，以及基于核磁共振方法的数字化标准磁场测量仪系统的设计与开发，深入阐述了系统控制与显示部分的软硬件设计方案。
　　 本系统以边缘振荡器的设计以及核磁共振信号的提取为核心，从节约测量时间的角度出发，首先利用霍尔效应器件粗略测量磁感应强度，根据核磁共振理论选择仪器档位。进而使用单片机控制D/A转换器输出，通过改变变容二极管反向偏压调整边缘振荡器的振荡频率，实现共振信号的自动搜索和跟踪。最后采用CPLD和单片机测量边缘振荡器的振荡频率，根据拉莫尔进动公式转换成待测磁场的磁感应强度，由液晶显示器输出测量结果和核磁共振信号的示意图。
　　 本设计从电源、电路设计和印刷电路板制作三个角度保证设计的可靠性，使量程达到0.1T～2T，精度为10-5～10-6，并以实验事实为依据，对边缘振荡器的原理做了进一步探讨。
　　 实验证明，本仪器体积小、重量轻、成本低、操作简便、测量精度高且速度快，适合用作标准磁场测量仪。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1磁场测量技术的研究背景

1.2磁场测量技术的研究意义

1.3磁场测量技术的国内外研究动态

1.4磁场测量技术的发展趋势

1.5本论文主要内容及章节安排

第2章核磁共振原理及系统设计方案

2.1核磁共振的产生与发展

2.2核磁共振的应用

2.3核磁共振理论原理

2.3.1原子核的自旋与磁矩

2.3.2自旋核在静磁场中的行为

2.3.3核磁共振现象和共振条件

2.4影响核磁共振信号的因素

2.4.1温度和外磁场对NMR信号的影响

2.4.2外磁场均匀性对核磁共振信号的影响

2.5磁场测量仪的实现方法

2.5.1核磁共振仪整体结构

2.5.2检测共振信号的方法

2.5.3搜索核磁共振信号的方法

2.5.4磁场测量仪的整体设计方案

第3章共振信号产生部分设计实现

3.1边缘振荡器

3.1.1边缘振荡器的概述

3.1.2边缘振荡器的经典实现方案

3.1.3变容二极管的选择

3.1.4边缘振荡器的设计

3.2探头

3.3磁场调制

3.3.1调制磁场的意义

3.3.2调制磁场的实现

3.4信号调理

3.5关于边缘振荡器原理的探讨

第4章共振信号的自动搜索和跟踪部分设计实现

4.1霍尔器件粗略测量磁场

4.1.1实现方案

4.1.2测量电路设计

4.1.3粗测结果的数字化

4.2共振信号的自动搜索和跟踪部分实现方案

4.2.1常用实现方案

4.2.2实现方案的比较与选取

4.3共振—脉冲产生电路

4.4 D/A转换器的选取

4.5计时与振荡频率调整部分设计实现

4.5.1单片机程序设计

4.5.2共振信号波形

第5章频率测量及磁感应强度的转化与显示部分设计实现

5.1设计方案

5.2振荡频率预处理

5.3 CPLD部分程序设计

5.3.1测量状态机模块(control state)

5.3.2 1KHz信号的产生

5.3.3闸门信号产生模块(devide)

5.3.4计数模块(count)

5.3.5传送模块(transmission)

5.3.6顶层模块

5.3.7测频仿真

5.4液晶显示器件的选取与连接

5.5单片机部分程序设计

5.5.1系统主程序

5.5.2液晶显示控制器初始化

5.5.3液晶显示器清屏

5.5.4字符串显示

5.5.5频率及磁感应强度的计算

5.5.6 NMR波形显示程序设计

5.6显示界面

第6章磁场测量仪可靠性设计

6.1直流稳压电源

6.1.1设计直流稳压电源的意义

6.1.2直流稳压电源的设计

6.2电路可靠性设计

6.2.1提高单片机抗干扰性能

6.2.2温度保证

6.3印刷电路板的制作

6.3.1印刷电路板的设计

6.3.2电源与集成芯片去耦

6.3.3隔离与屏蔽技术

第7章结束语

7.1测量结果及技术特性

7.2不确定度分析

7.2.1频率测量的不确定度

7.2.2旋磁比的不确定度

7.2.3探头附加磁化引起的不确定度

7.2.4自动跟踪的不确定度

7.2.5射频场异向分量微扰引起的不确定度

7.2.6核磁共振现象的不确定度

7.2.7合成不确定度

7.3关键技术及创新点

7.4改进思想

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

附录

致谢