[发明专利]一种同频共振极化同步磁场测量装置

说明书

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。

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^-4数量级才能保证测量精度，这就需要超高精度频率测量，且需保证频率测量晶体的温度稳定性与准确性。磁场测量为输出模拟微小信号，经过放大与整形后，其频率势必会产生相位抖动造成不稳定现象，这对后续的测量频率，不仅需要保证频率的高精确，同时也需要保证频率的稳定性，这在硬件和软件算法上提出了较高的要求。

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：