段金松，梁樹紅，齊寧，朱兆優(yōu)，李金鳳，徐健

（1.東華理工大學(xué)，江西南昌 330013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

HD-2010質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的研制與應(yīng)用

段金松1，梁樹紅2，齊寧2，朱兆優(yōu)1，李金鳳2，徐健2

（1.東華理工大學(xué)，江西南昌 330013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

簡單闡述了HD-2010質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀測(cè)量地磁場(chǎng)的原理、介紹了新一代質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的電路和程序設(shè)計(jì)，通過中國計(jì)量科學(xué)研究院的計(jì)量測(cè)試及野外實(shí)際應(yīng)用證明HD-2010質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)、外同類儀器水平，驗(yàn)證了儀器設(shè)計(jì)的可靠性和先進(jìn)性。

質(zhì)子旋進(jìn)；磁力儀；鑒相器

質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀是依據(jù)氫原子磁矩一定條件下在地磁場(chǎng)中旋進(jìn)的原理制成的，是目前世界上廣泛應(yīng)用的測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的儀器。主要用來尋找和勘探磁性礦產(chǎn)（如鐵礦、銅礦等）、進(jìn)行地質(zhì)填圖以及地震前兆信息的捕捉等［1］。與國外同期產(chǎn)品相比國產(chǎn)磁力儀的測(cè)量精度不高，功能不夠完善。在吸取國外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)依據(jù)現(xiàn)實(shí)需求介紹了一款存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大、能夠自動(dòng)記錄GPS信息、人機(jī)界面靈活且便于攜帶的新型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，重點(diǎn)講述了該儀器的設(shè)計(jì)思路及弱信號(hào)提取的關(guān)鍵技術(shù)。

1 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的設(shè)計(jì)

1.1 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的設(shè)計(jì)原理

理論物理分析研究表明，氫質(zhì)子旋進(jìn)的角速度ω與地磁場(chǎng)T的大小成正比，其關(guān)系為：

式中：γp為質(zhì)子磁旋比，即質(zhì)子自旋磁矩與角動(dòng)量之比，是一個(gè)常數(shù)。又因?yàn)棣兀?π×f，f稱為旋進(jìn)（或拉莫爾）頻率，則有：

式中：T以納特（nT）為單位；根據(jù)2π/γp＝23.487 4 s·nT，可推導(dǎo)出

因此，只要能準(zhǔn)確測(cè)量出質(zhì)子旋進(jìn)頻率f，即可得出地磁場(chǎng)T的值。這樣則把對(duì)地磁場(chǎng)的測(cè)量變成對(duì)旋進(jìn)頻率f的測(cè)定［2］。

測(cè)定地磁場(chǎng)T的量值，須使質(zhì)子作自由旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，為此要將質(zhì)子磁矩極化，使之偏離T的方向一個(gè)角度。通常采用的極化方法是：在密封探頭裝有（水、煤油和癸烷等）含氫液體，其中的氫原子核（質(zhì)子）由自旋產(chǎn)生的磁矩?zé)o規(guī)則地任意指向，不顯宏觀磁矩［3-4］。若在垂直地磁場(chǎng)方向加上較強(qiáng)的人工磁場(chǎng)，探頭中含氫液體的質(zhì)子磁矩將按人工磁場(chǎng)方向排列，使之極化。迅速切斷外加的人工磁場(chǎng)，由于質(zhì)子自旋將繞著地磁場(chǎng)方向作質(zhì)子旋進(jìn)（拉莫爾旋進(jìn)），則地磁場(chǎng)將質(zhì)子拉回地磁場(chǎng)方向，質(zhì)子磁矩的旋進(jìn)將在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào)。

在接收線圈內(nèi)，感應(yīng)訊號(hào)的電壓為

式中：C是與線圈截面積、匝數(shù)及探頭的充填因子有關(guān)的系數(shù)；kp是質(zhì)子磁化率；HO是極化磁場(chǎng)強(qiáng)度；θ是線圈軸線與T的夾角；t1是切斷極化時(shí)刻的起算時(shí)間；1/T′2是衰減常數(shù)。接收線圈獲取質(zhì)子旋進(jìn)感應(yīng)信號(hào)如圖1所示。

HD-2010質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀包含操作臺(tái)、探頭、探桿、藍(lán)牙打印機(jī)及梯度探頭等附件。每次測(cè)量過程為：①主控單片機(jī)發(fā)出一系列控制信號(hào)，先極化探頭里富氫液體的質(zhì)子，切斷極化后從接受線圈得到質(zhì)子旋進(jìn)感應(yīng)信號(hào)fp；②經(jīng)選頻輸入、低噪聲前放、主放得到信號(hào)如圖2A；③再由“頻/?！彪娐穼⑿M(jìn)信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電壓如圖2B；④該電壓加入VCO進(jìn)行倍頻nfp，再分頻后得到fp′；⑤最終將分頻后的信號(hào)加入到鑒相器，和鑒相器另一端fp進(jìn)行相位比較，相位差調(diào)制“頻/?！?，使其達(dá)到鎖相跟蹤測(cè)頻；⑥另一方面CPU通過數(shù)據(jù)線采集倍頻后的數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理并給出磁場(chǎng)強(qiáng)度值。儀器原理方框圖如圖3所示。

1.2 電路設(shè)計(jì)

1.2.1輸入選頻電路

依據(jù)地磁場(chǎng)的分布，質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的測(cè)量范圍為：20 000～100 000 nT，相當(dāng)旋進(jìn)頻率：851.52～4 257.60 Hz，輸入選頻電路頻率特性需涵蓋該頻率范圍，并能隨輸入旋進(jìn)頻率及時(shí)調(diào)節(jié)電路諧振頻率使其接近被測(cè)磁場(chǎng)的fp［3］。為此輸入選擇使用LC電路，線圈電感L固定，電容C可變，由CPU每次測(cè)量并發(fā)送調(diào)諧數(shù)據(jù)加以改變。選頻電路如圖4所示。

1.2.2倍頻電路

儀器按照二進(jìn)制精度選擇256倍頻，倍頻操作如下：先將圖2A的信號(hào)整形，成方波后輸入“頻/?！彪娐?，將質(zhì)子旋進(jìn)頻率轉(zhuǎn)換成電壓。為實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)得到穩(wěn)定的直流電壓，“頻/模”中的低通濾波有兩個(gè)充電時(shí)間常數(shù)τ1和τ2，τ1＜＜τ2即先快速充電如圖2B，再立刻轉(zhuǎn)入慢速充電。VCO選擇PLL器件（如CD4446）中的電路，倍頻值n可參考PLL器件資料選擇相應(yīng)的R和C數(shù)值得到。倍頻電路如圖5所示。

1.2.3鑒相器

為了提高快速跟蹤fp，儀器使用了高速CMOS異或門構(gòu)成快速鑒相器。其一個(gè)輸入端是質(zhì)子旋進(jìn)信號(hào)fp′；另一個(gè)輸入端是nfp的1/n信號(hào)fp，輸出端Δφ＝φp－φp′。再經(jīng)低通濾波器輸出電壓Uφ，加入“頻/模”調(diào)整端。此外鑒相器還起到測(cè)量質(zhì)量的報(bào)警作用，即如果fp′偏離fp較大，經(jīng)鑒相后輸出電壓Uφ達(dá)到報(bào)警電平，CPU采集到該信號(hào)將發(fā)出警告。

1.3 控制程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用多級(jí)中斷及子程序嵌套的模塊化結(jié)構(gòu)。全部軟件包括主程序，定時(shí)器中斷服務(wù)子程序PAC0處理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，外部中斷服務(wù)子程序Ex0處理各級(jí)外部中斷和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序等。由于儀器一直處于待測(cè)和硬件喚醒狀態(tài)，所以控制程序?qū)㈦S時(shí)保存運(yùn)行參數(shù)，測(cè)量程序控制轉(zhuǎn)換圖如圖6。

2 儀器整機(jī)性能測(cè)試與野外應(yīng)用

2.1 性能測(cè)試

HD-2010質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀（圖7）送中國計(jì)量科學(xué)研究院弱磁實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定并取得有效證書，準(zhǔn)確度為0.3 nT（k＝3），修正值基本上小于1 nT。標(biāo)定數(shù)據(jù)整理見表1。

2.2 儀器野外應(yīng)用

儀器在內(nèi)蒙古、江西等地區(qū)進(jìn)行了野外磁法測(cè)量（含高精度磁測(cè)）應(yīng)用。圖8為在內(nèi)蒙古地區(qū)所作的11條剖面（點(diǎn)距5 m）的地面高精度磁測(cè)情況，取得了較好的地質(zhì)效果。

圖8中磁測(cè)曲線的包絡(luò)線，藍(lán)色為負(fù)異常，杏黃色為正異常。綜觀全圖可以看出：

1）磁異常總體呈近NEE向的正負(fù)相間的條帶狀分布。在圖幅的西北部和中部明顯分布有兩條NEE走向的負(fù)異常帶，在圖幅的東南角分布有一條NEE走向的負(fù)異常帶。與此相對(duì)應(yīng)的，在圖幅的南東部、中部以及西北角分布有3條NEE走向的與負(fù)異常相伴的正異常帶。

2）結(jié)合構(gòu)造走勢(shì)與磁測(cè)量值ΔT的分布特征，ΔT＝0與已知構(gòu)造有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)論

HD-2010質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀小批量生產(chǎn)后，一些單位近幾年在江西、內(nèi)蒙古地區(qū)作了野外勘查任務(wù)，取得了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料，技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到了高精度磁測(cè)的要求。通過野外磁測(cè)的大量應(yīng)用，肯定了該儀器的質(zhì)量，為今后的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

［1］管志寧.地磁場(chǎng)與磁力勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005:54-87.

［2］譚承澤，郭紹雍.磁法勘探教程［M］.北京：地質(zhì)出版社，1984:22-90.

［3］吳天彪.磁法儀器便攜式質(zhì)子磁力儀［M］.北京：地質(zhì)出版社，1992:37-99.

［4］趙志鵬，董浩斌.低功耗高精度質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的設(shè)計(jì)［J］.石油儀器，2007，21（2）:13-15.

［5］嚴(yán)興，柴劍勇，黃暉.新型質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.華南地震，2009，29（4）:95-97.

The development and app lication of HD-2010 proton precession magnetometer

DUAN Jin-song1，LIANG Shu-hong2，QINing2，ZHU Zhao-you1，LIJin-feng2，XU Jian2

（1.East China Institute of Technology，Nanchang，Jiangxi330013，China；2.Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

This paper ela borates the proton precession magnetometer’s principle of measuring geomagnetic field，and introduces the circuit and program design of a new generation of proton precession magnetometer.It proves that HD-2010 proton precession magnetometer’s technical indicators have reached the level of similar instruments at home and abroad，and the reliability and advancement of instrument design have been verified through metrology test and practical application by National Institute of Metrology，China.

proton precession；magnetometer；phase discriminator

TH762.3

A

1672-0636（2014）02-0115-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.02.009

2014-04-21

段金松（1986—），男，河南鄭州人，在讀碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

E-mail:dodo9883@163.com