ZNC型智能質子磁力儀

摘要：介紹ZNC型智能質子磁力儀的用途及工作原理，詳述了質子旋進信號處理流程，給出了單片機系統的硬件結構與軟件設計框圖，同時分析了儀器的測量誤差及儀器的創新特點。

關鍵詞：質子 地磁場 單片機 分頻法

ZNC型智能質子磁力儀是用于測量地球總磁場強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、詳查和地質填圖。另外，它亦可用于航空海洋地面日變站，進行磁力測量；用于地震預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子，在地磁場的作用下，會產生一個以地磁場方向為軸的拉莫爾旋進，其旋進頻率與地磁場強度的關系為：

F=23.487215fp

式中：F為地磁場強度，單位為nT；

fp為質子旋進頻率，單位為Hz。

（1994年國際科聯科技委員會推薦）

由此可見：地磁場強度與旋進頻率成正比關系，因而地磁場強度的測量即轉化為質子旋進頻率的測量。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相同、反相串聯的線圈組成，線圈內充滿高純度的煤油。由于兩個線圈反相串聯，其磁通方向相反。當外來干擾磁場同時作用于兩個線圈時，干擾感應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只大功率天關晶體管組成，單片機系統控制其通斷。前置放大電路由三片運算放大器OP07組成具有低噪聲、高輸入阻抗和較強抗共模干擾能力的測量放大器。選頻放大電路由配諧電容、電感與運放LM324組成。整形電路由CD4069組成，將選頻放大電路輸出的旋進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、帶有掉電保護電路的數據存儲器62256、兩片81C55、一片82C55、一片雙積分A/D轉換器MC14433、溫補型晶振、RS232串行口、恒流源以及鍵盤、顯示、繪圖打印機PP40等組成。

儀器測量過程由單片機系統控制。首先對探頭進行磁化，即有1安培的磁化電流流經探頭，探頭線圈產生磁化磁場，經4秒后磁化系統判斷，人工磁化磁場消失。由于質子旋進切割線圈，在線圈中感應出隨時間按指數衰減的旋進信號，其幅度為數微伏，衰減時間約2秒。探頭線圈與單片機系統選擇適當的配諧電容組成諧振回路，對信號進行選頻。選頻后的信號進行前置放大，放大后的信號分兩路，一路送DY180與12位LEDX二極管，用于觀測信號強度及衰減時間；另一路經過CD4069整形成方波信號，由CD4066（2）控制送入8155(2)TI端，按鍵盤輸入的強度進行分頻，再經過GAL16V8送到80C32進行脈寬測量，將脈寬換算成頻率，再將頻率換算成磁場強度。測總場的水平分量時，接通恒流源在補償線圈中產生一個垂直磁場，抵消地磁場的垂直分量。

2 系統軟件的設計思想

智能質子磁力儀的系統軟件是系統的靈魂。軟件共16K，用MCS-51匯編語言寫成，程序流圖圖如圖2、圖3、圖4所示。根據儀器的主要功能，系統軟件必須完成以下任務：

（1）可對以下參數進行輸入、修改和查詢：年月日、時分少、打印數據間隔、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快速分辨率的自動測量。

（3）運行過程中能手動測量分量、總場，提供偏轉電流以及完成系統的時鐘校準。

（4）自動完成測量數據的處理與存儲，按鍵完成測量數據的顯示查詢、測量數據下上位計算機的串行通訊和打印給圖輸出等。

（5）提供標準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：

（1）氫質子旋磁比vp=（2.67513±0.00002）/10 4弧度/高斯秒，它本身的誤差在計算中引起的磁場強度誤差為：

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）本儀器計數誤差與最小讀數接近，為0.1nF。

（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）由于采用溫補型晶體，其走時誤差可做到小于0.1秒/天，相對誤差為±0.1/24×60×60=±1.16×10 -6，即晶振的精度可達到±1.16×10 -6。在20000nT處造成的誤差為20000×（±1.16×10 -6）=±0.12nT。

（5）偏轉電流變化對分量測量引起的誤差約為0.2nF。

（6）其它誤差約為0.2nT。

在上述各項誤差中，不計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時需再加上偏轉電流引起的0.2nT誤差，為0.7nT。

4 儀器特點

（1）測量系統與計時系統使用同一晶振，利用計時的準確性來判斷晶振頻率的穩定性。若計時準確穩定，則可判斷晶振頻率穩定，并可由時間的偏差，求出由晶振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，只要計時誤差不超過某一標準，就可確定儀器測量精度不低于某一標準，并可認為此時儀器的測量值即為該精度下的標準值。在使用正常的情況下，無需再用其它同類的儀器進行比測來確定本儀器測量結果的準確性。

（2）采用數字輸入法實現探頭及放大器的配諧，并隨磁場變化實現配諧自動跟蹤。

以往的儀器探頭及放大器的配諧都采用波段開關轉換的方式，該方式的缺點是由于檔次有限，不易把測程做得很寬，而且不易到準確配諧。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，配諧不好就會影響測量的重復性而使儀器的精度下降。本儀器采用數字輸入的方式，即把要測的磁場強度值從鍵盤輸入，儀器就可使探頭回路及放大器回路在該磁場強度所對應的頻率處諧振。采用此法后，可使信號強度接近最大狀態，從而要提高測量重復性，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，根據電感電容并聯回路諧振公式f=1/[2π(LC)1/2]

可得：C=1/(2πf)2L。

將磁場強度所對應的頻率fp及放大器回路的電感L2代入上式，可求得C2：

C2=1/[2πfp]2L2

又由于fp=T/(23.487215)（T為磁場強度）

則得：

將所要測量的地磁場T代入上述，就可求得C2及C1。

由于一個16進制的數可用若干個四位輸出口的高低電平來表示，因此將C1、C2的數值轉換成16進制數后，則可用若干組四位輸出口的電平來表示C1、C2的數值。然后再用輸出口的高低電平帶動繼電器，使繼電器的開關接通所帶的內容，使回路在所測的磁場強度上產生諧振，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～10000nT范圍內變化的地磁場實現自動跟蹤測量，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，通過計數周期為1μs的方波個數來求得此脈沖的寬度。本儀器采用80C32單片機測脈寬的方法，選晶振頻率為12MHz，其機器周期為1μs，通過測量該脈寬期間通過的機器周期來求得脈寬。

設探頭磁化后質子旋進信號的頻率為fp，其周期為1/fp，此信號經放大整形后變為方波信號，經K分頻后方波周期為K·1/fp，正向脈寬（半周期）為N（單位為μs）。它們符合下列關系式：

1/2·K·1/fp=N×10 -6(K為分頻系數)

由于fp=T/23.487215,將fp代入上式整理得：

T=[(K×23.487215×10 -6)/2N ]·(nT)

(4)在測量09點和21點的分量及總場時具有模擬人工取數的功能。它能選取三個相互不超過2nT的數取平均作為測量結果，當測量七個仍取不到三個相互不超過2nT的數時，則將此七個數按大小排序，取其中三個的平均值作為測量結果。

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

（6）由于采用單片計算機技術，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。