??? 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,同時分析了儀器的測量誤差及儀器的創(chuàng)新特點(diǎn),。?

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

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??? ZNC型智能質(zhì)子磁力儀是用于測量地球總磁場強(qiáng)度絕對值與垂直分量的高精度磁測儀器,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)行磁力測量;用于地震預(yù)報工作中地磁臺站的磁變觀測等,。?

1 工作原理?

??? 具有自旋磁矩和自旋角動量的質(zhì)子,在地磁場的作用下,會產(chǎn)生一個以地磁場方向?yàn)檩S的拉莫爾旋進(jìn),其旋進(jìn)頻率與地磁場強(qiáng)度的關(guān)系為:?

??? F=23.487215f_p?

??? 式中:F為地磁場強(qiáng)度,單位為nT;?

??? fp為質(zhì)子旋進(jìn)頻率,單位為Hz,。?

??? (1994年國際科聯(lián)科技委員會推薦)?

??? 由此可見:地磁場強(qiáng)度與旋進(jìn)頻率成正比關(guān)系,因而地磁場強(qiáng)度的測量即轉(zhuǎn)化為質(zhì)子旋進(jìn)頻率的測量。儀器的原理框圖見圖1。本儀器的探頭由無磁性外殼和兩個參數(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,。由于兩個線圈反相串聯(lián),其磁通方向相反。當(dāng)外來干擾磁場同時作用于兩個線圈時,干擾感應(yīng)電動勢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只大功率開關(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,、程序存儲器27C128,、帶有掉電保護(hù)電路的數(shù)據(jù)存儲器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,。?

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??? 儀器測量過程由單片機(jī)系統(tǒng)控制。首先對探頭進(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,經(jīng)4秒后磁化系統(tǒng)關(guān)斷,人工磁化磁場消失,。由于質(zhì)子旋進(jìn)切割線圈,在線圈中感應(yīng)出隨時間按指數(shù)衰減的旋進(jìn)信號,其幅度為數(shù)微伏,衰減時間約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,對信號進(jìn)行選頻。選頻后的信號進(jìn)入前置放大,放大后的信號分兩路,一路送RY180與12位LED二極管,用于觀測信號強(qiáng)度及衰減時間;另一路經(jīng)過CD4069整形成方波信號,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GAL16V8送到80C32進(jìn)行脈寬測量,將脈寬換算成頻率,再將頻率換算成磁場強(qiáng)度,。測總場的水平分量時,接通恒流源在補(bǔ)償線圈中產(chǎn)生一個垂直磁場,抵消地磁場的垂直分量,。?

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路?

??? 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匯編語言寫成,程序流程圖如圖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):?

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??? (1)可對以下參數(shù)進(jìn)行輸入,、修改和查詢:年月日,、時分秒、打印數(shù)據(jù)間隔,、測量分量的基線值,、測量總場值,、測量分量值、測量總場的修正值,、測量分量的修正值,。?

??? (2)定時完成分量與總場的快速等分辨率的自動測量。?

??? (3)運(yùn)行過程中能手動測量分量,、總場,提供偏轉(zhuǎn)電流以及完成系統(tǒng)的時鐘校準(zhǔn),。?

??? (4)自動完成測量數(shù)據(jù)的處理與存儲,按鍵完成測量數(shù)據(jù)的顯示查詢、測量數(shù)據(jù)與上位計(jì)算機(jī)的串行通訊和打印繪圖輸出等,。?

??? (5)提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘并按歷法完成日期自動遞增,。?

3 測量誤差分析?

??? 儀器測量誤差包括以下幾項(xiàng):?

??? (1)氫質(zhì)子旋磁比v_p=(2.67513±0.00002)/10⁴弧度/高斯秒,它本身的誤差在計(jì)算中引起的磁場強(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0.1nT,。?

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

??? (4)由于采用溫補(bǔ)型晶體,其走時誤差可做到小于0.l秒/天,相對誤差為±0.l/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)=±0.023nT,在100000nT處造成的誤差為100000×(±1.16×10^-6)=±0.12nT,。?

??? (5)偏轉(zhuǎn)電流變化對分量測量引起的誤差約為0.2nT,。?

??? (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,測總場F時最大誤差為0.1+0.06+0.12+0.2=0.48≈0.5nT,。測分量Z時需再加上偏轉(zhuǎn)電流引起的 0.2nT誤差,為0.7nT,。?

4 儀器特點(diǎn)?

??? (1)測量系統(tǒng)與計(jì)時系統(tǒng)使用同一晶振,利用計(jì)時的準(zhǔn)確性來判斷晶振頻率的穩(wěn)定性。若計(jì)時準(zhǔn)確穩(wěn)定,則可判斷晶振頻率穩(wěn)定,并可由時間的偏差,求出由晶振頻率的偏差引起的測量誤差,。由于其它測量誤差基本上是固定的,在其它誤差已知的情況下,則可求出儀器的測量總誤差,從而可確定儀器的觀測精度,。換句話說,只要計(jì)時誤差不超過某一標(biāo)準(zhǔn),就可確定儀器測量精度不低于某一標(biāo)準(zhǔn),并可認(rèn)為此時儀器的測量值即為該精度下的標(biāo)準(zhǔn)值。在使用正常的情況下,無需再用其它同類的儀器進(jìn)行比測來確定本儀器測量結(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,并隨磁場變化實(shí)現(xiàn)配諧自動跟蹤,。?

??? 以往的儀器探頭及放大器的配諧都采用波段開關(guān)轉(zhuǎn)換的方式,該方式的缺點(diǎn)是由于檔次有限,不易把測程做得很寬,而且不易做到準(zhǔn)確配諧。而儀器接收的測量信號大小及信噪比直接與配諧的好壞有關(guān),配諧不好就會影響測量的重復(fù)性而使儀器的精度下降,。本儀器采用數(shù)字輸入的方式,即把要測的磁場強(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強(qiáng)度所對應(yīng)的頻率處諧振,。采用此法后,可使信號強(qiáng)度接近最大狀態(tài),從而可提高測量重復(fù)性,減少測量誤差。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)回路諧振公式可得:??

??? 將磁場強(qiáng)度所對應(yīng)的頻率f_p及放大器回路的電感L₂代入上式,可求得C₂:?

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??? 將所要測量的地磁場T代入上式,就可求得C₂及C₁,。?

??? 由于一個16進(jìn)制的數(shù)可用若干個四位輸出口的高低電平來表示,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表達(dá)C₁、C₂的數(shù)值,。然后再用輸出口的高低電平帶動繼電器,使繼電器的開關(guān)接通所帶的電容,使回路在所測的磁場強(qiáng)度上產(chǎn)生諧振,從而獲得最佳的測量效果,。?

??? 在測出第一個地磁場值T₁后,以T₁的值求出所需配諧的電容大小,。由于在兩次測量之間的地磁場變化一般不會超過±200nT,故以T₁值所配諧的電容來測下一個地磁場T₂,一般不會引起誤差,即以本次測得的地磁場值來求得下次測量所需的配諧電容值,。這樣可對在 20000nT～100000nT范圍內(nèi)變化的地磁場實(shí)現(xiàn)自動跟蹤測量,從而取得更好的測量效果。?

??? (3)本儀器采用等分辨率的分頻測量法,。在測量一個正向脈沖寬度(即時間)時,可以以此脈沖作門控信號,通過計(jì)數(shù)周期為lμs的方波個數(shù)來求得此脈沖的寬度,。本儀器采用80C32單片機(jī)測脈寬的方法,選晶振頻率為12MHz,其機(jī)器周期為lμs,通過測量該脈寬期間通過的機(jī)器周期來求得脈寬,。?

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

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

??? (5)本儀器可方便地改為全部測總場,只要將分量線圈斷開,從鍵盤輸人的分量值改為總場值即可。?

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

參考文獻(xiàn)?

1 何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990?

2 唐耀華.智能核旋儀.電子技術(shù)應(yīng)用,1991(8)