一种同频共振极化同步磁场测量装置

摘要

本发明公开了一种同频共振极化同步磁场测量装置，所述磁场测量装置包括探头、极化电路、高精度的频率发生电路、高分辨率的ADC采集电路和MCU处理器；所述探头内包括极化线圈和接收线圈，所述极化电路，使用线性稳压源进行恒压驱动，并通过控制开关电路产生一定极化频率的方波信号，以对探头内的质子进行极化，MCU处理器通过所述频率发生电路发送所需的对质子进行极化的频率信号，以驱动极化电路发送方波至所述探头内的极化线圈，在发送频率的同时进行ADC数据采集和积分计算，以达到同步整周期采集，计算出有效幅值，最终通过对应最大幅值的极化频率确定磁场频率。该测量装置精度高、硬件成本低、体积小且支持同步测量，测量效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁勘探设备领域，尤其涉及一种同频共振极化同步磁场测量装置。

背景技术

质子磁力仪是通过磁场测量探头对内部质子进行电场极化，停止极化后，则所有质子按照电场方向，进行拉莫尔旋进，拉莫尔旋进的频率根据磁场不同成对应比例关系，磁场与频率的关系比为B＝23.4874*f，磁场测量探头所产生的频率信号幅度与质子旋进数量多少成正比，即质子旋进数量越多，信号幅值越大，且随着时间的增加，所有质子旋进方向由于同性排斥，最终趋于平衡，最终磁场测量探头输出信号将按照环境磁场对应频率，幅度按照指数衰减形态输出，因此，质子磁力仪测量大地磁场一般转换为测量频率。传统的质子磁力仪测量方式为，给磁场测量探头以一定电压极化，极化后产生拉莫尔旋进信号，旋进信号经过谐振电路、放大电路、频率测量电路，最终计算出频率，通过磁场与频率的关系式计算出实际磁场值。

然而，由于大地磁场信号非常弱，磁场测量探头所产生信号非常小，一般在几个uV，因此对整个硬件电路，特别是放大电路要求噪声非常小，否则噪声将掩盖有效信号，使之无法测量，且放大电路最小需放大100000倍，整个系统其自噪声需控制在10nV级，由于相同元器件的微小差异性将使不同仪器具备较大差异，因此这对硬件设计上来讲具备很高难度。质子磁力仪一般的精度要求为0.01nT，转换为频率为最小分辨率约为0.000426Hz，因此测量频率精度需达到10

例如专利申请“CN201010147845-一种OVERHAUSER磁力仪”中就公开了一种磁力仪，通过射频激励信号使氮氧自由基溶液产生电子与核双共振现象(Overhauser效应)，增强氢质子沿地磁场方向的磁化强度，解决质子磁力仪传感中氢质子旋进信号过弱的问题，从而提高传感器的测磁精度，然而，其极化对象是电子，振荡高频信号需要上MHZ频率以上，需要额外安装丙类高频功放8才能够对其进行放大，此外接收信号时还必须在放大器内安装谐振放大电路12才能放大接收信号，且其探头结构复杂精密，由高频谐振腔9、内有自由基溶液的密封玻璃瓶10和绕在玻璃瓶外的低频接收线圈11构成，另外还需安装直流脉冲发生器3给探头产生一直流脉冲，且其频率计5的频率测量方式是间歇性的测量方式(即探头极化的同时不能同步确定测量频率，两者分开进行)，因此该磁力仪为了实现Overhauser效应以完成磁场频率的高精度测量，需要相当高的硬件成本和较复杂的测量程序，且测量效率不够高。

因此，急需设计一种磁场测量装置来对地质磁场频率进行准确测量，同时减小硬件的开发和生产成本，并简化测量方式，提高测量效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，针对现有技术的不足，本发明提供一种同频共振极化同步磁场测量装置，其不仅能够实现磁场频率的高精度测量，还降低了硬件成本，并简化测量程序，自动化程度高，同时通过探头内的双线圈实现了在持续极化质子时的磁场频率的同步在线测量，提高了测量速度和效率。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的主要技术方案包括：

一种同频共振极化同步磁场测量装置，所述磁场测量装置包括探头、极化电路、高精度的频率发生电路、高分辨率的ADC采集电路和MCU处理器；

所述探头，为质子磁场测量探头，探头内包括极化线圈和接收线圈，所述极化线圈连接极化电路，所述接收线圈连接ADC采集电路；

所述极化电路，使用线性稳压源进行恒压驱动，并通过控制开关电路产生所需极化频率的方波信号，以通过极化线圈对探头内的质子进行极化；

所述频率发生电路，产生的信号发生频率在800HZ～4000HZ之间；

所述ADC采集电路，对接收线圈的接收信号进行ADC数据采集；

所述MCU处理器，分别与所述频率发生电路和ADC采集电路连接，通过所述频率发生电路发送所需的对质子进行极化的频率信号，以驱动极化电路发送方波至所述探头内的极化线圈，在发送频率信号的同时进行ADC数据采集和积分计算，以达到同步整周期采集，计算出有效幅值，最终通过对应最大幅值的极化频率确定磁场频率。

进一步的，所述接收线圈与极化线圈参数相同，且呈“8”字形反向绕制，优选地，所述极化线圈参数内阻为10Ω，电感量为30mH，以1A左右的电流对极化线圈进行恒压极化。

进一步的，所述极化线圈与接收线圈密封在探头内部的煤油介质中。

进一步的，所述频率发生电路中使用DDS发生器或CPLD作为频率发生电路，所述MCU处理器为STM32F4系列单片机，所述线性稳压源的电压为12V。

进一步的，所述ADC采集电路中具体使用ADS1271对信号进行采集。

进一步的，所述MCU处理器通过对接收信号的整周期进行积分，每次频率扫描频率步进依次按照20Hz，0.1Hz，0.0001Hz进行扫描时，每个频率5个周期，对5个整周期进行积分采集，并做归一化处理。

进一步的，所述接收线圈和ADC采集电路之间没有设置信号放大器。

进一步的，在测量极化频率时，采用二分法快速扫描方式，即在全球磁场范围内选择相应频率进行极化，同时记录幅值，且先进行粗略的频率扫描，在先确定的粗略的频率区间内，再进行精细的频率扫描，从而获得对应最大幅值的极化频率。

进一步的，所述极化电路的方波信号替换为正弦波信号。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的同频共振极化同步磁场测量装置具有如下有益效果：.

1.本发明使用高精度频率发生电路产生针对质子的极化频率，有效提高磁场测量精度，其极化线圈以相同电压方式进行方波极化(当然也可用控制更为复杂的正弦波)，通过接收不同频率所产生的信号积分电压来判别外界磁场频率的对应值，以一定频率极化线圈，使当前频率与外部磁场所产生的频率形成共振，以使探头内质子以最大幅值输出信号，并使用高分辨率ADC，对感应所产生的幅值进行精确的采集，使后续积分运算时，提供有效精度保障，对极化频率所产生感应信号，进行整周期积分采集，且对所采集周期时间积分值进行归一化处理，以保证能够清晰分辨各频率所产生幅值的差异化，由以上可知，本发明能够充分利用各个模块硬件优势来保证磁场测量的精度。

2.本发明的磁场测量装置不需要调谐电路进行信号选频和放大，无需锁相放大电路和高增益放大电路对微弱的拉莫尔信号进行放大，无需高精度测频电路对拉莫尔信号频率进行测量，相对于专利申请CN201010147845，本申请无需丙类功率放大器、谐振放大电路(因为本发明由于是基于质子的极化共振，其极化质子的振荡高频信号只需几KHZ频率左右即可，故无需在频率发生电路中设置丙类功率放大器，其探头的信号接收端也可无需设置放大电路)、直流脉冲发生器、频率计等，且探头构成更加简单，大大降低了硬件成本且体积小，测量方式简易。

3.本发明的测量装置通过信号发送和信号接收双线圈磁场测量探头，可在对极化线圈的同时接收感应信号，达到同步采集方式且降低了探头的成本和复杂度，实现了磁场频率的同步快速的高精度测量(即一边极化一边同时确定频率)；另外，还在磁场频率快速确定方面，确定磁场频率时，可优先使用多次由粗到细的扫频方式，以进一步减少测量时间，快速定位所测量的磁场频率，在磁场频率同步在线测量的基础上进一步提高了测量效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明中同频共振极化同步磁场测量装置的系统结构框图。

图2为本发明磁场测量装置中探头的内部线圈绕制图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

现有技术中，由于磁场测量探头中的质子，在外部环境的磁场作用下，进行拉莫尔旋进，其旋进频率与磁场成对应比例关系，而通过对内部线圈的极化，产生磁场，则会作用于质子上，使质子旋进时产生磁矩。

传统方式为直流电源极化，而本发明的测量装置使用一定频率的方波极化，其测量装置的工作原理为：质子在外部磁场作用下，产生核磁共振，由于为频率极化，探头将持续对质子极化，且在驰豫过程中可再次极化，同时频率极化可在线圈中产生交变磁场，具有较强电动势，双方面增加其信号幅度，减少微小信号测量难度。且经发明人实验验证，在外界磁场对质子产生的旋进频率与极化频率相同时，外界磁场强度与内部极化磁场共振叠加，极大的提高内部质子极化比例，使质子旋进切割线圈所产生的信号幅度最大，且驰豫时间最长，基于此现象，即可通过识别信号幅值大小，提取对应极化频率，最终对外界磁场进行测量。

如图1-2所示，本发明的磁场测量装置主要包括双线圈磁场测量探头、极化电路、高精度的频率发生电路、高分辨率的ADC采集电路、MCU处理器等部分，各个部件的工作方式说明如下：

1)探头：探头使用特制质子磁场测量探头，探头内包括极化线圈和接收线圈，极化电路连接极化线圈，接收线圈连接ADC采集电路，其极化线圈参数内阻为10Ω，电感量为30mH，进行感应的接收线圈与极化线圈参数相同，以1A左右的电流对极化线圈进行恒压极化，同时对接收线圈所产生的感应电动势进行信号采集。

如图2所示，双线圈磁场测量探头中极化线圈与接收线圈完全隔离，极化线圈与接收线圈组成双线圈密封在煤油中，可同步进行质子极化与感应电动势信号采集，其无需分别在双线圈探头的输入输出端安装额外的丙类功率放大器和谐振放大电路。

2)极化电路：使用12V线性稳压源作为极化电路进行恒压驱动，通过控制开关电路产生所需频率，且使频率极化时具有相同电压峰峰值流经极化线圈，并消除电压不稳所带来的差异化，以适应磁场频率的测量。此外，极化信号优选为方波信号，从而降低信号控制的难度。

极化电路为给探头极化提供驱动能力，且线圈在不同电压极化情况下，所产生磁场强度不相同，这就造成后续接收信号幅度采集本身存在差异化，因此需以恒压驱动极化，极化线圈供电电压需保持恒定，以消除驱动源所造成测量误差。

3)频率发生电路：高精度频率发生电路为极化电路提供频率源，由于本发明是对质子进行极化的，故其信号发生频率在800HZ～4000HZ之间，测量磁场分辨率需达到0.01nT，对应频率精度需达到10

4)ADC采集电路：使用ADS1271对接收信号进行采集，此ADC为24位分辨率，最高采样率为128ksps，可对接收信号进行高精度采集。高分辨率ADC采集电路能对探头接收线圈接收谐振后的信号使用ADC进行采集，由于整个系统是对所接收信号积分幅值进行频率判断，因此ADC需具备高分辨率，以有效分辨幅值变化的微小差异化。其可无需前置安装信号放大器。

进一步的，为提高测量精度，可通过对接收信号的整周期积分，每个频率发送5个周期，对其5个整周期进行积分采集，并做归一化处理，能有效提高抗干扰能力，同时能够清晰分辨各频率归一化值的大小，提取最大对应频率值。每次频率扫描频率步进依次按照20Hz，0.1Hz，0.0001Hz进行扫描时，每个频率5个周期，每次完整测量时间约为1.85s，从而可快速的获知磁场值。

5)MCU处理器：MCU处理器采用STM32F4系列单片机，对所有电路部分进行控制，同时对ADC采集数据进行积分与归一化、控制极化频率的二分法逐级进行粗细方式的扫描，以能快速有效的提取对应磁场频率，同时对ADC转化输出的信号进行积分计算，判别实际磁场频率。

综上可知，以上实施例经过试验，在不同地域不同磁场环境下，通过不同极化频率的积分采集，当外界磁场频率与极化频率相同时，具有最大信号幅值，在频率不相同时，幅值有明显的减少，因此能够有效的清晰分辨信号幅值大小，从而获取外部环境磁场值，达到快速准确测量磁场的目的。

为进一步说明本发明磁场测量装置的优点，以下对本发明的主要工作流程进行详细说明：MCU处理器通过频率发生电路发送所需的对质子进行极化的频率信号，此频率驱动极化电路发送方波至探头极化线圈，在发送频率的同时进行ADC数据采集，以达到同步整周期采集。MCU处理器接收ADC采集数据进行积分，计算出最终有效幅值。为了快速定位磁场频率，因此需采用逐频扫描方式，即在全球磁场范围内逐个频率极化，同时记录幅值，且先粗略频率扫描，再精细频率扫描。在高分辨率ADC采集后，由于整周期采集，且频率不一样，因此所积分的值本身存在差异化，为能消除此差异化提高准确性，需对各频率产生的信号积分值进行时间归一化，即将积分值对所采集时间求平均，再对归一化值大小作比较，最终确定粗略的频率区间。

在MCU处理器控制精细频率和粗略频率的极化频率进行逐个极化时，其精细频率扫描与粗略频率扫描测量方式相同，只是扫描频率是在已确定粗略频率区域进行再次精细测量(例如常规的二分法测量方式)，最终确定最后对应频率值，即为外界环境磁场对应频率值。由于最终频率精度较高，如按最小精度从小到大逐个频率扫描时，则需耗费大量时间才能对最终频率进行确认(但每个频率所发送周期不宜过大)，因此本发明在基于双线圈探头的同步在线测量方式下通过配合使用多次由粗到细的分级式自动扫频方式，从而快速的自动确定磁场频率。

图2所示为探头线圈绕制内部绕制图，探头内部的介质可为含有大量质子的煤油(也可为其它含大量质子的常规介质)，极化线圈与接收线圈完全相同，且优选地，每个线圈呈“8”字形反向绕制，一方面能减少极化线圈自身极化时所产生的感应电压，同时对接收线圈在磁场作用下所产生的感应电动势能够叠加，增强接收信号，从而进行地质磁场频率的测量。

通过上述本发明的同步磁场测量装置，可采用同频共振极化同步采集的测量方式进行高精度测量，在硬件上高精度频率发生电路与高分辨率ADC电路均较容易实现，且无需电容谐振电路，无需对传统方式中的频率漂移进行锁相，由于是对幅值积分的采集，只需增加积分时间，也无需锁相放大电路和高增益放大电路对微弱的拉莫尔信号进行放大和高精度测频电路对拉莫尔信号频率进行测量，因此可有效减少硬件设计的复杂性，减少仪器之间测量的差异性；在数据处理与频率测量上，由于为积分幅值测量，可有效消除外接干扰，提高信噪比与动态范围，增加测量的精度；故本发明在使用基于质子的共振频率极化方式，可有效提高在磁场较弱区域的识别度，使在磁场变化较小区域能准确测量变化磁场值，其硬件成本低、体积小，且测量效率高。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。