摘  要: 介绍ZNC型智能质子磁力仪的用途及工作原理,详述了质子旋进信号处理流程,给出了单片机系统的硬件结构与软件设计框图,同时分析了仪器的测量误差及仪器的创新特点。 

    关键词: 质子  地磁场  单片机  分频法

    ZNC型智能质子磁力仪是用于测量地球总磁场强度绝对值与垂直分量的高精度磁测仪器,主要用于铁矿及其它金属矿床的普查、详查和地质填图。另外,它亦可用于航空海洋地面日变站,进行磁力测量;用于地震预报工作中地磁台站的磁变观测等。 

1 工作原理 

    具有自旋磁矩和自旋角动量的质子,在地磁场的作用下,会产生一个以地磁场方向为轴的拉莫尔旋进,其旋进频率与地磁场强度的关系为: 

    F=23.487215f_p 

    式中:F为地磁场强度,单位为nT; 

    fp为质子旋进频率,单位为Hz。 

    (1994年国际科联科技委员会推荐) 

    由此可见:地磁场强度与旋进频率成正比关系,因而地磁场强度的测量即转化为质子旋进频率的测量。仪器的原理框图见图1。本仪器的探头由无磁性外壳和两个参数相同、反相串联的线圈组成,线圈内充满高纯度的煤油。由于两个线圈反相串联,其磁通方向相反。当外来干扰磁场同时作用于两个线圈时,干扰感应电动势在总输出端刚好抵消,从而提高了探头的抗干扰能力。磁化电路由4只大功率开关晶体管组成,单片机系统控制其通断。前置放大电路由三片运算放大器OP07组成具有低噪声、高输入阻抗和较强抗共模干扰能力的测量放大器。选频放大电路由配谐电容、电感与运放LM324组成。整形电路由CD4069组成,将选频放大电路输出的旋进信号整形为具有固定幅度的矩形脉冲。仪器硬件由CPU80C32、地址锁存器74HC373、地址译码器GAL16V8、程序存储器27C128、带有掉电保护电路的数据存储器62256、两片81C55、一片82C55、一片双积分A/D转换器MC14433、温补型晶振、RS232串行口、恒流源以及键盘、显示、绘图打印机PP40等组成。 

    仪器测量过程由单片机系统控制。首先对探头进行磁化,即有1安培的磁化电流流经探头,探头线圈产生磁化磁场,经4秒后磁化系统关断,人工磁化磁场消失。由于质子旋进切割线圈,在线圈中感应出随时间按指数衰减的旋进信号,其幅度为数微伏,衰减时间约2秒。探头线圈与单片机系统选择适当的配谐电容组成谐振回路,对信号进行选频。选频后的信号进入前置放大,放大后的信号分两路,一路送RY180与12位LED二极管,用于观测信号强度及衰减时间;另一路经过CD4069整形成方波信号,由CD4066(2)控制送入8155(2)TI端,按键盘输入的强度进行分频,再经过GAL16V8送到80C32进行脉宽测量,将脉宽换算成频率,再将频率换算成磁场强度。测总场的水平分量时,接通恒流源在补偿线圈中产生一个垂直磁场,抵消地磁场的垂直分量。 

2 系统软件的设计思路 

    智能质子磁力仪的系统软件是系统的灵魂。软件共16K,用MCS-51汇编语言写成,程序流程图如图2、图3、图4所示。根据仪器的主要功能,系统软件必须完成以下任务: 

    (1)可对以下参数进行输入、修改和查询:年月日、时分秒、打印数据间隔、测量分量的基线值、测量总场值、测量分量值、测量总场的修正值、测量分量的修正值。 

    (2)定时完成分量与总场的快速等分辨率的自动测量。 

    (3)运行过程中能手动测量分量、总场,提供偏转电流以及完成系统的时钟校准。 

    (4)自动完成测量数据的处理与存储,按键完成测量数据的显示查询、测量数据与上位计算机的串行通讯和打印绘图输出等。 

    (5)提供标准时钟并按历法完成日期自动递增。 

3 测量误差分析 

    仪器测量误差包括以下几项: 

    (1)氢质子旋磁比v_p=(2.67513±0.00002)/10⁴弧度/高斯秒,它本身的误差在计算中引起的磁场强度误差为: 

    在20000nT处造成的误差为20000×(±2/267513)=±0.15nT 

    在100000nT处造成的误差为100000×(±2/267513)=±0.75nT。 

    (2)本仪器计数误差与最小读数接近,为0.1nT。 

    (3)分频脉冲上下沿一般为0.3μs,它造成的测量误差不超过±0.06nT。 

    (4)由于采用温补型晶体,其走时误差可做到小于0.l秒/天,相对误差为±0.l/24×60×60=±1.16×10^-6,即晶振的精度可达到±1.16×10^-6。在20000nT处造成的误差为20000×(±1.16×10^-6)=±0.023nT,在100000nT处造成的误差为100000×(±1.16×10^-6)=±0.12nT。 

    (5)偏转电流变化对分量测量引起的误差约为0.2nT。 

    (6)其它误差约为0.2nT。 

    在上述各项误差中,不计旋磁比引起的误差时,测总场F时最大误差为0.1+0.06+0.12+0.2=0.48≈0.5nT。测分量Z时需再加上偏转电流引起的 0.2nT误差,为0.7nT。 

4 仪器特点 

    (1)测量系统与计时系统使用同一晶振,利用计时的准确性来判断晶振频率的稳定性。若计时准确稳定,则可判断晶振频率稳定,并可由时间的偏差,求出由晶振频率的偏差引起的测量误差。由于其它测量误差基本上是固定的,在其它误差已知的情况下,则可求出仪器的测量总误差,从而可确定仪器的观测精度。换句话说,只要计时误差不超过某一标准,就可确定仪器测量精度不低于某一标准,并可认为此时仪器的测量值即为该精度下的标准值。在使用正常的情况下,无需再用其它同类的仪器进行比测来确定本仪器测量结果的准确性。 

    (2)采用数字输入法实现探头及放大器的配谐,并随磁场变化实现配谐自动跟踪。 

    以往的仪器探头及放大器的配谐都采用波段开关转换的方式,该方式的缺点是由于档次有限,不易把测程做得很宽,而且不易做到准确配谐。而仪器接收的测量信号大小及信噪比直接与配谐的好坏有关,配谐不好就会影响测量的重复性而使仪器的精度下降。本仪器采用数字输入的方式,即把要测的磁场强度值从键盘输入,仪器就可使探头回路及放大器回路在该磁场强度所对应的频率处谐振。采用此法后,可使信号强度接近最大状态,从而可提高测量重复性,减少测量误差。具体做法如下: 

    取探头电感L₁=34.2mH,放大器通路电感L₂=342mH,根据电感电容并联回路谐振公式可得:  

    将磁场强度所对应的频率f_p及放大器回路的电感L₂代入上式,可求得C₂: 

    将所要测量的地磁场T代入上式,就可求得C₂及C₁。 

    由于一个16进制的数可用若干个四位输出口的高低电平来表示,因此将C₁、C₂的数值转换成16进制数后,则可用若干组四位输出口的电平来表达C₁、C₂的数值。然后再用输出口的高低电平带动继电器,使继电器的开关接通所带的电容,使回路在所测的磁场强度上产生谐振,从而获得最佳的测量效果。 

    在测出第一个地磁场值T₁后,以T₁的值求出所需配谐的电容大小。由于在两次测量之间的地磁场变化一般不会超过±200nT,故以T₁值所配谐的电容来测下一个地磁场T₂,一般不会引起误差,即以本次测得的地磁场值来求得下次测量所需的配谐电容值。这样可对在 20000nT～100000nT范围内变化的地磁场实现自动跟踪测量,从而取得更好的测量效果。 

    (3)本仪器采用等分辨率的分频测量法。在测量一个正向脉冲宽度(即时间)时,可以以此脉冲作门控信号,通过计数周期为lμs的方波个数来求得此脉冲的宽度。本仪器采用80C32单片机测脉宽的方法,选晶振频率为12MHz,其机器周期为lμs,通过测量该脉宽期间通过的机器周期来求得脉宽。 

    设探头磁化后质子旋进信号的频率为f_p,其周期为1/f_p,此信号经放大整形后变为方波信号,经K分频后方波周期为K·1/f_p,正向脉宽(半周期)为N(单位为μs)。它们符合下列关系式: 

    (4)在测量09点和21点的分量及总场时具有模拟人工取数的功能。它能选取三个相互不超过2nT的数取平均作为测量结果,当测量七个仍取不到三个相互不超过2nT的数时,则将此七个数按大小排序,取其中三个的平均值作为测量结果。 

    (5)本仪器可方便地改为全部测总场,只要将分量线圈断开,从键盘输人的分量值改为总场值即可。 

    (6)由于采用单片计算机技术,在硬件不变的情况下,可通过修改软件满足用户的要求,按用户要求的工作方式工作。 

参考文献 

1 何立民.MCS-51单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1990 

2 唐耀华.智能核旋仪.电子技术应用,1991(8)