overhauser质子磁力仪激发接收系统设计Word格式.docx
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在最后进行了设计的总结与展望。
关键词:
Overhauser效应;
磁力仪;
ARM芯片;
探头激发;
放大滤波
OVERHAUSERmagnetometerexcitationandreceivingpartdesign
Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theprogressofthesociety,therequirementofmagneticmeasurementisbecominghigherandhigher.Itisdifficultfortheexistingprotonmagnetometertomeettheneedsofmodernmeasurement.Thisarticleisinviewoftheexistingdomesticinstrument’sproblems,suchasbigpowerconsumption,highmeasurementprecision,poorstability.Firstofall,onthebasisoftheintroductionofbasicprincipleofOverhausereffect,preliminarilydesignstheprotonmagnetometerbasedontheOverhausereffect.Itusesultra-lowpowerconsumptionARMchipasthemaster,whichcanimproveinstrumentperformanceandreducethepowerconsumption.ThefrequencymeasurementisdesignedtousenewCPLDdevice.Besides,thearticlegivesinstrumentdesignblockdiagram,andillustratesthemainpointsofthedesign.Afterthat,thisarticleintroducestheinstrumentofthereceivingsystem’sdesignscheme.TheschemeusesMSP430F149whichisasinglechipmicrocomputerasthemaincontrolboard.TheexcitationsystemusescontrollableRFpowersourceasthesignalexcitationunit.Itshowsamoredetailedintroductionofthecontrolledradiofrequencypowersource,givesthedesigndiagram,introducesthedesignandprincipleofeachmainpart,anddiscussesthethoughttodesignanti-interferencemeasures.Thereceivingsystemisdesignedtoo.Thesystemhasthefunctionsofsignalamplificationandfiltering.Itusesadedicatedinstrumentationamplifierforsignalamplification,anddesignsanalogsignalband-passfiltertoobtaintheusefulsignal.Atlast,itgivessummaryofthisdesignandtalksaboutsomeoutlooks.
Keywords:
Overhausereffect;
Magnetometer;
ARMchips;
excitationoftheprobe;
amplificationfilter
第一章绪论
1.1课题研究意义
随着科技的发展与进步,人们对磁场测量提出越来越高的要求,各种测磁仪
器也获得了极大的发展。
这些仪器被广泛的用于地面地磁场测量,航空地磁场测
量,海洋磁场测量,井中磁场测量,卫星磁测等各种平台。
总体而言这些应用
可以分为以下几个方面[1-5]:
1)测量局部地磁场的异常,为地质勘查,地质找矿提供依据。
这种探测主要是针对自然界中一些特殊的岩石或者是矿石。
岩石由于自身具有一定的磁性,因而会产生包含自身信息的磁场,这样就会使地磁场在局部发生变化,产生局部地磁异常。
利用这些局部异常就可以找到相应的矿体,同时还可以对这些矿体周围的地质构造进行研究。
直接利用磁法勘探也是常用的地球物理勘探方法之一,这种方法在寻找和勘探一些特殊矿产,如铁矿、铅锌矿、铜矿等的过程中效果显著,另外还可以进行地质填图。
通过测磁还可以对地震前兆、火山活动状态以及其它环境及灾害地质工作等进行监测与研究。
据调查,全世界60%的勘查工作都是由质子旋进磁力仪完成。
2)铁制军火侦测,铁桶、铁罐等铁制品埋藏物定位,管线探测。
一个非常典型的应用就是军事上的反潜,现在欧美很多国家在反潜机上都会配置磁异常检测系统,以检测潜艇在地磁场中产生的异常信号,P-3猎户反潜机安装在尾锥上的MAD磁异常侦测器。
3)人体磁场检测,主要是脑磁的测量。
脑磁测量是一种介于微观研究单神经元和宏观研究脑功能的一种新研究方法,这种方法利用脑磁成像技术,研究达到皮层内部神经群的活动。
由于这种方法对人体无害,因而发展非常有前途。
在测磁需求及其应用领域得了极大发展的同时,测磁技术也获得了飞速发展。
测磁技术在近一百年的时间里发生了巨大的变化,历经三代发展。
按照磁力仪的发展历史,以及应用的物理原理,可分为:
第一代磁力仪:
它是根据永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理,或利用感应线圈以及辅助机械装置制作的,这些磁力仪都是测量磁场相对量的仪器,并
不能测量磁场的绝对值。
第二代磁力仪:
它是根据核磁共振特征,利用高磁导率软磁合金或富含氢质子的溶液制成高灵敏度传感器进行磁场测量,如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。
第三代磁力仪:
它是根据低温量子效应原理制作的,如超导磁力仪。
本文中所研究的Overhauser磁力仪属于第二代磁力仪中的质子磁力仪,是这种磁力仪的一个分支,也是由普通的质子磁力仪改进而成。
与普通质子磁力仪相比,Overhauser磁力仪具有功耗低、精度高、稳定性能好、工作效率高等优点。
我国在能源、国家安全、医学研究方面的发展对测磁技术与测磁仪器的要求将越来越高,而目前使用最多的第二代测磁仪器中又以质子磁力仪应用最为广泛、技术最为成熟,因而研究Overhauser磁力仪对于提高我国质子磁力仪应用水平与技术实力具有相当的实际意义。
本文正是从这一角度出发,研究Overhauser磁力仪原理与关键技术。
1.2Overhauser质子磁力仪的发展与现状
帕卡德与瓦里安先后于1953年与1954年在实验室中观察到质子在地磁场中自由旋进的现象。
而布鲁姆、帕卡德与卡希尔、沃斯图等分别在1955年与1956年提出利用质子在地磁场中自由旋进现象制作磁力仪来检查地磁场。
1959年美国就已经在卫星上使用质子旋进磁力仪了[6-8]。
以Overhauser效应为基础制成的Overhauser磁力仪比普通磁力仪出现稍晚。
在欧弗豪泽(Overhauser)于1953年首次对这种效应进行研究的几年后,法国物理学家AbragamA.详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应。
之后,SolomonI.推导出了以他的姓氏命名的Solomon方程式,由这个方程式的解可以明显的看出Overhauser效应。
20世纪60年代初,AbragamA.和SolomonI.一同率先在加拿大和美国申请了关于利用Overhauser效应制造磁力仪的专利,之后的几十年中,Overhauser磁力仪得到了长足的发展。
20世纪60-70年代,法国、加拿大和苏联先后制造了Overhauser效应航空磁力仪并投入使用。
在不断的发展中OVM(Overhausereffectmagnetometer,欧弗豪泽效应磁力仪)也应用于军事方面,其中,法国反潜飞机和反潜直升机均采用OVM作为MAD(MagneticAnomalyDetection,磁异常探测)。
之前丹麦发射的Oersted磁测卫星和德国的CHAMP重、磁两用卫星,都采用了OVM测量地磁场标量,由法国LETI设计制造。
欧洲航天局(ESA)计划发射的AMPERE卫星也准备采用OVM测量地球磁场的标量。
现在市场上出现的Overhauser磁力仪主要是加拿大GEM公司生产的GSM-19系列Overhauser高精度磁力仪。
它具有小于0.022nT/√Hz的灵敏度,0.01nT的分辨率和±
0.1nT的绝对精度,它的动态范围可达20000nT至120000nT。
另外,俄罗斯生产的POS系列Overhauser磁力仪也已经投入市场,它可以达到0.001nT的分辨率。
质子磁力仪未来的发展有两个方向,其一是向着高精度、低功耗发展,如Overhauser磁力仪;
其二则是提高磁力仪的集成度,向便携式、多功能方向发展。
市场上在未来将会涌现出更多的Overhauser磁力仪产品。
1.3本文研究的主要内容与安排
Overhauser质子磁力仪的研究是一个大课题,其中包含了电路设计和探头设计等部分,本文主要研究的是Overhauser质子磁力仪的激发接收电路设计部分。
本文首先研究了Overhauser质子磁力仪的基本原理,研究了其基本电路结构,在了解其基本工作方式和工作参数的基础上设计了仪器的激发接收电路。
文章主要分为以下几个部分:
第二章,主要研究Overhauser质子磁力仪的基本原理,设计了磁力仪的基本结构。
第三章,主要研究了Overhauser质子磁力仪的总体设计方案,讲述了仪器主控系统的设计思路,确定了主控芯片的选型,简要提出了进行信号测量的方法,概述了其他部分的设计方法。
第四章,设计了探头信号的激发接收系统。
设计了可控射频功率信号源进行探头激发。
在接收系统中设计放大器和带通滤波器来进行信号处理,其中,通过带通滤波器
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