质子磁力仪测地磁场强度
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y V p- p e
t T
noise
图3 质子旋进衰减信号示意图
T(驰豫时间)：指系统从原有平衡部位变化到其平衡值的1/e(e为 自然对数的底:2.718 )所需的时间。
质子旋进磁力仪测量原理
理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角 频率ω与地磁场T大小成正比
pT
式中： p 为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫 做质子旋磁比（或回旋磁比率）。它是一个常 数。根据我国国家标准局 1982年颁布的质子磁 旋比数值是 2.6751987±0.0000075（S-1T-1）
c c Uc (S)
Vp - p ( V )
V
i 1
N
(p -p)
i
N
U Vp-p
N 1 2 ( Vp-p Vp- p ) i N ( N 1) i 1
Vp - p(V) Vp - p UVp-（ p V）
点击显示图像的放大图标，放大程序自 动获得的图像，直至屏幕上横作标能显 示0.01S间隔为止，数出0.01S数据的周 期数算出旋进频率，计算地磁场大小并 与程序计算出的地磁场大小进行比较， 求百分比误差。并存储此图像为JPG格 式。
开关
SD卡
打开磁力仪开关，磁力仪初始化成功后，按采集按键进行 采集数据，在磁力仪屏幕上显示采集到的质子旋进的衰减图像， 如数据异常则检查附件是否有金属（或测量人员人身上是否有钥 匙、手机等物品），如数据正常则按存储键进行数据存储。
质子旋进磁力仪实测信号
3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200
图 6 | 1
数 据 结 果 1 各 参 数 统 计 结 果
图 6 | 2
数 据 结 果 2 最 后 一 组 数 据
实 测 质 子 进 动 在 线 圈 中 的 感 应 电 压
图 6 | 3
数 据 结 果 3
数 据 存 储 文 件
放大图
图 12 | 4
数 据 结 果 4
数 据
数据处理 平均值：
f ( Hz来自百度文库
f
1 1
N
i
N
B(nT ) 23.4872f ( Hz)
算术平均值标准偏差：
Uf
U B 23.4872 Uf
N 1 2 ( f f ) i N ( N 1) i 1
B B U B (nT )
c (S )
c
1 1
N
i
N
Uc
N 1 2 ( c c ) i N ( N 1) i 1
质子磁力仪 测定地磁强度
吉林大学物理学院 公共物理教学与研究中心 王志军
质子磁化
如果对氢质子外加一个远远大于地磁场（100倍 以上）的强磁场Bp，则合磁场方向与强磁场方向一 致。经过一段时间，质子将在强场中获得新的平衡。 打破原有质子在只存在地磁场状态下的平衡。
T M M Bp
图1 外部强场作用下质子的极化
质子的进动（拉莫尔旋进）
当以极快的速度将外加的强磁场撤走，此时质子磁矩 的状态还没有来得及改变。而外场只有地磁场。因此质子 为了回复到原来的只有地磁场下的平衡，而产生质子进动 现象，又称拉莫尔旋进。质子磁矩M将绕着地磁场的方向做 旋进运动，它好像地面上倾斜旋转的陀螺，在重力作用下 并不立刻倒下，而绕着铅垂方向作旋进运动的情景一样。
0
0.5
1
1.5
2
2.5 x 10
5
图6 质子旋进电压衰减信号
实验内容
1. 用指南针找到地磁场磁南、北极方向，首先将质子磁力仪探 头与磁南北极方向垂直（夹角900探头东西朝向），保持磁力仪 探头方向不变，打开磁力仪开关，磁力仪初始化后，按采集按键 进行采集数据，在磁力仪屏幕上显示出质子放进的指数衰减图像， 如数据异常则检查附件是否有金属（或测量人员人身上是否有钥 匙、手机等物品），如数据正常则按存储键进行数据存储。重复 测量20次。注意记录存储数据文件名。 2.保持磁力探头与磁南北极方向相同，使磁力仪探杆沿探杆与 探头所在平面向南旋转找到磁信号最大位置，估算出此时的θ （探杆所指方向即为地磁场真正方向，与地面夹角约为60 º ）， 此时磁力探头与地磁方向夹角θ为90 º ，测量地磁场一次并存储。 使磁力仪探头与地磁场方向平行（夹角0º ，此时磁信号最小）测 量地磁场一次并存储。注意记录存储数据文件名。
数据读取与处理
数据读取程序是基于matlab平台下的可执行程序。
图 7 M A T L A B 命 令 窗 口 放 大
数据所在文件夹 绝对路径\
在Command Window(命令窗口)下调用程序读取数据在命 令提示符“>>”下输入
PPM_test(’E:\DATA\’)
回车。程序会自动按顺序读取文件夹内的数据。结果如下：
B(nT ) 23.4872f ( Hz)
| B- B | E 100% B
而又
2 f
2
| T | (nT )
p
| f | ( Hz ) 23.4874 | f | ( Hz)
由此可见，只要能够准确测量出质子旋进频率， 乘以常数，就能得到地磁场T的值。
磁化电路
探头部分
信号处理
采集与计算
线圈
数据采集
富含氢质子溶液
图4 质子旋进磁力仪结构图
图 5 质 子 旋 进 磁 力 仪 面 板
地磁场T
磁矩方向
质子磁矩
图2 质子绕地磁场做
拉莫尔旋进运动示意图
质子进动的自由衰减
外场消失后，质子由非平衡状态恢复到平衡状态的过程称为弛 豫过程。该过程遵循指数衰减。同时，质子的拉莫尔旋进运动，使 线圈内磁通量周期性变化，进而在线圈两端产生周期性电压信号。 此电压信号称为质子旋进电压信号。由于质子旋进运动遵循指数衰 减，因此质子旋进电压信号同样也遵循指数衰减规律。质子旋进磁 力仪正是利用这个原理，检测并放大质子旋进电压信号。
t T
noise
图3 质子旋进衰减信号示意图
T(驰豫时间)：指系统从原有平衡部位变化到其平衡值的1/e(e为 自然对数的底:2.718 )所需的时间。
质子旋进磁力仪测量原理
理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角 频率ω与地磁场T大小成正比
pT
式中： p 为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫 做质子旋磁比（或回旋磁比率）。它是一个常 数。根据我国国家标准局 1982年颁布的质子磁 旋比数值是 2.6751987±0.0000075（S-1T-1）
c c Uc (S)
Vp - p ( V )
V
i 1
N
(p -p)
i
N
U Vp-p
N 1 2 ( Vp-p Vp- p ) i N ( N 1) i 1
Vp - p(V) Vp - p UVp-（ p V）
点击显示图像的放大图标，放大程序自 动获得的图像，直至屏幕上横作标能显 示0.01S间隔为止，数出0.01S数据的周 期数算出旋进频率，计算地磁场大小并 与程序计算出的地磁场大小进行比较， 求百分比误差。并存储此图像为JPG格 式。
开关
SD卡
打开磁力仪开关，磁力仪初始化成功后，按采集按键进行 采集数据，在磁力仪屏幕上显示采集到的质子旋进的衰减图像， 如数据异常则检查附件是否有金属（或测量人员人身上是否有钥 匙、手机等物品），如数据正常则按存储键进行数据存储。
质子旋进磁力仪实测信号
3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200
图 6 | 1
数 据 结 果 1 各 参 数 统 计 结 果
图 6 | 2
数 据 结 果 2 最 后 一 组 数 据
实 测 质 子 进 动 在 线 圈 中 的 感 应 电 压
图 6 | 3
数 据 结 果 3
数 据 存 储 文 件
放大图
图 12 | 4
数 据 结 果 4
数 据
数据处理 平均值：
f ( Hz来自百度文库
f
1 1
N
i
N
B(nT ) 23.4872f ( Hz)
算术平均值标准偏差：
Uf
U B 23.4872 Uf
N 1 2 ( f f ) i N ( N 1) i 1
B B U B (nT )
c (S )
c
1 1
N
i
N
Uc
N 1 2 ( c c ) i N ( N 1) i 1
质子磁力仪 测定地磁强度
吉林大学物理学院 公共物理教学与研究中心 王志军
质子磁化
如果对氢质子外加一个远远大于地磁场（100倍 以上）的强磁场Bp，则合磁场方向与强磁场方向一 致。经过一段时间，质子将在强场中获得新的平衡。 打破原有质子在只存在地磁场状态下的平衡。
T M M Bp
图1 外部强场作用下质子的极化
质子的进动（拉莫尔旋进）
当以极快的速度将外加的强磁场撤走，此时质子磁矩 的状态还没有来得及改变。而外场只有地磁场。因此质子 为了回复到原来的只有地磁场下的平衡，而产生质子进动 现象，又称拉莫尔旋进。质子磁矩M将绕着地磁场的方向做 旋进运动，它好像地面上倾斜旋转的陀螺，在重力作用下 并不立刻倒下，而绕着铅垂方向作旋进运动的情景一样。
0
0.5
1
1.5
2
2.5 x 10
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图6 质子旋进电压衰减信号
实验内容
1. 用指南针找到地磁场磁南、北极方向，首先将质子磁力仪探 头与磁南北极方向垂直（夹角900探头东西朝向），保持磁力仪 探头方向不变，打开磁力仪开关，磁力仪初始化后，按采集按键 进行采集数据，在磁力仪屏幕上显示出质子放进的指数衰减图像， 如数据异常则检查附件是否有金属（或测量人员人身上是否有钥 匙、手机等物品），如数据正常则按存储键进行数据存储。重复 测量20次。注意记录存储数据文件名。 2.保持磁力探头与磁南北极方向相同，使磁力仪探杆沿探杆与 探头所在平面向南旋转找到磁信号最大位置，估算出此时的θ （探杆所指方向即为地磁场真正方向，与地面夹角约为60 º ）， 此时磁力探头与地磁方向夹角θ为90 º ，测量地磁场一次并存储。 使磁力仪探头与地磁场方向平行（夹角0º ，此时磁信号最小）测 量地磁场一次并存储。注意记录存储数据文件名。
数据读取与处理
数据读取程序是基于matlab平台下的可执行程序。
图 7 M A T L A B 命 令 窗 口 放 大
数据所在文件夹 绝对路径\
在Command Window(命令窗口)下调用程序读取数据在命 令提示符“>>”下输入
PPM_test(’E:\DATA\’)
回车。程序会自动按顺序读取文件夹内的数据。结果如下：
B(nT ) 23.4872f ( Hz)
| B- B | E 100% B
而又
2 f
2
| T | (nT )
p
| f | ( Hz ) 23.4874 | f | ( Hz)
由此可见，只要能够准确测量出质子旋进频率， 乘以常数，就能得到地磁场T的值。
磁化电路
探头部分
信号处理
采集与计算
线圈
数据采集
富含氢质子溶液
图4 质子旋进磁力仪结构图
图 5 质 子 旋 进 磁 力 仪 面 板
地磁场T
磁矩方向
质子磁矩
图2 质子绕地磁场做
拉莫尔旋进运动示意图
质子进动的自由衰减
外场消失后，质子由非平衡状态恢复到平衡状态的过程称为弛 豫过程。该过程遵循指数衰减。同时，质子的拉莫尔旋进运动，使 线圈内磁通量周期性变化，进而在线圈两端产生周期性电压信号。 此电压信号称为质子旋进电压信号。由于质子旋进运动遵循指数衰 减，因此质子旋进电压信号同样也遵循指数衰减规律。质子旋进磁 力仪正是利用这个原理，检测并放大质子旋进电压信号。