质子旋进磁力仪原理、结构与使用

质子旋进式磁力仪的原理与结构
磁敏传感器是对磁场敏感的元器件，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。

它在地学领域中主要是用来测量地磁参量，供地球物理研究和找矿勘探使用。

目前，常用与地学领域中的磁敏传感器主要有质子旋进式磁敏传感器，光泵式磁敏传感器，SQUID （超导量子干涉器）磁敏传感器，磁通门式磁敏传感器，感应式磁敏传感器，半导体磁敏传感器。

机械式磁敏传感器等。

本章主要介绍几种常见磁敏传感器的原理及其在地学领域中的应用。

3.1 质子旋进式磁敏传感器
质子旋进式磁敏传感器是利用质子在地磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。

用这种传感器制作的测磁仪器，在国内外均得到广泛应用。

3.1.1质子旋进式磁敏传感器的测磁原理
物理学业已证明物质是具有磁性的。

若以水分子（H 2O ）而言，从其分子结构、原子排列和化合价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在磁场作用下绕地磁场旋进，如图2.1——1所示。

它的旋进频率f 服从公式f=γp T/2π的[式中γp 为质子旋磁比；T 为地磁场强]。

不管从经典力学观点，还是从量子力学观点，此公式的来源均能得以论证。

为方便起见，本文采用经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。

设质子磁矩M 在地磁场T 作用下有一力矩M ×T ，于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即
dt p
d ⨯=
P γ=
[]p dt p d p dt M d ⨯==γγ=z y x z y x T T T M M M
磁矩的三个分量为：
[][][]
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-=-=-=x y y x p dt dM z x x z p dt
dM y z z y p dt
dM T M T M T M T M T M T M z
y
x
γγγ
为分析方便，设T z =T(地磁场)；Tx=0;Ty=0.将此条件代入式（2.1——4），便得:
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬⎫=-==0dt dM x p dt
dM y p dt
dM z
y
x
T M T M γγ
对于（2.1——5）中的第一微分，得
x P dt dM p dt M d M T y
x
222γγ-==
即
02222=+x p dt M d M T x
γ
显然，式（2.1——6）为简谐运动方程，其解为：
⎪⎭
⎪⎬⎫=+-=+=常数Z t p y t p X M T A M T A M )sin()cos(ϕγϕγ
同理：
常数==+=A M M M y x 22
从式（2.1——7）可看出，M Z 是常数，磁矩M 在z 轴上的投影是不变的；磁矩M 在x 轴的投影是按余弦规律变化的；磁矩M 在y 轴是按正弦规律变化的。

由图2.1——2可以看出：磁矩M 在xy 平面
上的绝对值是一个常数，并且在xy 平面上旋进。

综合起来看，质子磁矩M 在地磁场T 的作用下，绕地磁场T 旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为ω，称为拉莫尔频率（Larmor frequency ）。

根据简谐运动方程，可得到：ω=γp T;ω=2πf ，即：
f=T p πγ2
式中 γp =（2.67513_+0.00002）S -1T -1。

将此值代入上式，便得：
⎭
⎬⎫==Hz T f nT f
T 8.42574874.23 （2.1——10） 由上式可看出，频率f 与地磁场成正比，只要能测出频率f ，即可间接求出地磁场T 的大小，从而达到测量地磁场的目的，需要指出的是：这里没有考虑驰豫时间。

但是，在实际工作中是有驰豫时间的，信号也是衰减的，那么如何在信号衰减的情况下测量地磁场呢？下面就来介绍这个问题。

二． 地磁场的测量与旋进信号 在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场23
T 成正比。

当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减，对地磁场这样微弱的磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的，为了测得质子磁矩绕地磁场的旋进频率f 信号，必须采取特殊方法：使沿地磁场方向排列的质子磁矩，在激化场的激励下，建立质子宏观磁矩，并使其方向垂直（或接近垂直）于地磁场方向。

通常采用预极化方法（或辅助磁场方法）来建立质子宏观磁矩。

以增强信号幅度的。

具体作法是：用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，作为灵敏元件，在容器周围绕上极化线圈和测量线圈（或共用一个线圈），使线圈轴向垂直于地磁场T 方向。

在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观磁矩，如图2.1—3所示。

一旦去掉极化场，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕地磁场旋进，当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应电动势，如图2.1—4所示。

若量测感应电压的频率，就可测量出地磁场的大小。

因为极化场H 大于地磁场，
H倍，设地磁场为0.5×10－4T，极化场H为100×10－4T，则可故此法可使信噪比增大
T
使信噪比增大200倍。

在自由旋进的过程中，磁矩的横向分量以T2（横向驰豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量线圈中所接收的感应信号，也是以T2为时间常数按指数规律衰减的。

这一现象由图2.1—4和图2.1—5不难说明。

图 2.1—6所示为质子旋进式磁敏传感器的示意图.传感器的核心部分是一个容积为500cc左右的有机玻璃容器（内装蒸馏水），在容器外面绕以数百匝的导线，使线圈轴向与地磁场方向大致垂直。

线圈通以1～3A的电流，而形成约0.01T的极化场，使水中质子磁矩指向极化场H的方向。

若迅速撤去极化磁场，则的数值与方向均来不及变化，驰豫过程来不及影响的行为，此时，质子磁矩在自旋和地磁场的作用下以角速度w绕地磁场旋进。

在旋进的过程中，周期地切割外绕的线圈。

杂一测量线圈中产生出的感
应信号。

由于驰豫过程的作用，其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减，其表达式：
20T t e V V t -=
式中 T 2——横向驰豫时间；
V 0——信号初始幅度；
如果接收线圈共有w 匝，所包围的面积为S ，充填因子为a ，则质子旋进信号强度的表达式为：
t wSM V ωπαωsin 410080-=
式中 M 0——磁化强度。

在实际工作时，线圈轴向与地磁场的夹角θ不正好保持900，并由实测得知：总磁矩量与sin θ成正比例，所以，自由旋进感应信号的电压幅度值和sin2θ成正比例。

又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点，其感应信号完整表达式为： 2sin sin 410208T t te wSM V t --=ωθπαω
由于（2.1—13）可知，θ角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响质子旋
进频率，故在实际测量中，探头无需严格定向。

θ=900时，信号最大。

由实验得知，对于几百立方厘米的样本，线圈为数百匝的传感器，在较好的情况下，质子感应信号仅为0.5mV 左右。

感应信号的衰减还和地磁场梯度的大小有关。

理论分析和实验表面：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁距的旋进频率，这和以前所述的T f p
πγ=公式是一致的。

用这种质子旋进式磁敏传感器测量地磁场的主要优点是：精度高，一般在（0.1～10）nT 范围内；稳定性好（因γp 是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关）；工作速度快，可直读地磁场nT 值；绝对值测量等。

其缺点是：极化功率大，只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大。

三． 质子旋进式磁敏传感器的设计
设计某传感器时，首先要知道它应具有何种功能，所测的量又具有什么特点后，才能着手设计。

按此原则。

我们分析一下质子旋进式磁敏传感器设计的几个有关问题：
(一) 利用质子旋进原理测量地磁场的特点
首先是测量精度高，由均方误差公式计算得到极限精度为0.02T 。

这说明如何设计合理，若采用更先进测试技术，精度还是可以提高的。

其次是稳定性好，这是因为旋磁比γp 只是与质子本身有关的物理量有关，而与温度、压力、湿度等因素无关。

另从公式T f p
πγ2=可
以看出，测量参数是频率f ，若采用先进的测频技术（若采用取倍频措施），则可达到提高精度的目的。

再有，相对磁秤测量地磁场而言，它可以不调水平，不严格定向，因而可快速测定，提高工作效率。

但是应该注意：测量参数虽然是频率。

必须借助别的办法来直接显示地磁场nT 值；必须考虑到极化功率大（十瓦至数使瓦），极化周期长；不能连续测量；受磁场梯度影响大等不里因素。

因此，设计时应想办法充分发挥有利特点，应尽量避免或减少不利因素的影响。

(二) 样品选择
选择样本一定要选择水或含有质子的液体，如酒精、煤油、甘油等。

几种溶液的驰豫时间
T1、T2数值见下表。

如果设计的传感器系由于磁测作业，因水的纵向驰豫时间T1和横向驰豫时间T2较长，故适合地面操作；如果有自动化程度的测频装置，则可选用T1、T2时间短的样本，如果在空中磁测，由于飞机航速快，选择没有作样本则是合适的；如果在低温工作区，除考虑T1、T2外，还应考虑选择冰点低（如甘油）的样本
(三) 容器的选择
考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的。

由实验和理论计算结果认为：容器的直径和长之比应为1：1.2（1.3）的圆柱为宜。

(四) 激发与接收
据前述知：极化场方向应垂直于地磁场，极化场的大小应大于被测磁场（如地磁场）200倍，因为地磁场按0.5×10－4T计算，根据实测经验，应选择对于100×10－4T的极化场进行激发较妥，为得到大的感应信号，接收线圈的轴向应垂直于地磁场。

有因为地磁场太弱，必须采用预极化方式才能接受到旋进的感应信号。

接收线圈的种类很多，有地面传感器用的单线圈，空中用的磁测双线圈，地震台用的的环行线圈，适合海洋用的三轴式线圈，如图2.1—（a）、（b）、（c）、（d）所示。

质子旋进磁力仪方框图
质子旋进磁力仪主要由采集磁感应信号的探头、放大部分和频率测量等部分构成。

信号的采集和放大是磁力仪准确测量的基础。

探头磁感应信号的幅度只在μV量级，因此必须采取有效的放大和防干扰措施来保证磁感应信号的准确获得。

探头磁感应信号的采集、放大部分直接影响整个仪器的勘探效果和工作效率。

分离元件搭建的采样放大电路体积庞大，可靠性差，其电路参数不易调整，且由于器件参数离散造成电路功能存在差异。

随着集成电路制造工艺的提高，其在低噪声方面的控制水平也在逐步提高，采用集成工艺制造的低噪声放大器，并进行适当的设计实现磁感应信号的采集和放大。

频率测量部分是质子旋进磁力仪的核心。

通常测频较为广泛采用的方法是锁相倍频计数的方法。

将信号整形后倍频，再通过有门控的计数器计数，
通过数字电路控制门控时间使计数值正好是地磁场值。

这种方法的优点是不需要复杂计算就能实现频率到地磁场的转换，但是由于信号频率范围较宽（1300Hz—3100Hz），且信号幅度
是衰减的，锁相环很难实现在整个频带内精确倍频，因此这种方法精度较低，且电路复杂，可靠性差。

随着CPLD技术的成熟和发展，分频测脉宽的方法实现起来变得很容易,采用CPLD方法测频具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简便的优点。

单片机是系统的控制核心。

根据仪器功能要求，单片机除实现基本的测量和控制功能外，还要实现以下功能：①可以查询测量数据；②保存仪器测量时的日期和时间；③可以定时完成磁场的自动测量；④自动完成数据的处理与保存；⑤按键完成数据显示、测量曲线显示、与上位计算机的串行通讯和打印绘图输出等；⑥由看门狗防止程序跑飞；⑦具有温度监测功能，对仪器进行温度校正；⑧检测电池电量。

另外单片机应低功耗，以适于野外作业。

信号采集放大电路以低噪声、低失调放大器为主组成前置放大部分，经开关电容滤波器进行选频放大，再经压控增益放大电路完成磁感应信号的后级放大。

频率测量模块使用CPLD器件，其最大特点是可通过软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构[10]，能随时进行设计调整而满足产品升级。

具有可靠的性能与完善的配套软件，片上程序用Verilog HDL语言编写。

拉莫尔信号采集与放大的关键技术
1磁化控制技术
质子旋进磁力仪的探头基本结构是一个充满了水或煤油的螺线管形线圈，使线圈垂直于地磁场。

磁化时线圈中通以直流电流产生磁化磁场，使探头中质子磁矩的合成向量取向趋于磁化磁场方向，经过一段时间，断开磁化电流，去掉磁化磁场，则质子旋进切割线圈，在线圈中感应出随时间按指数衰减的旋进信号来。

其幅度最弱为数微伏，衰减时间约为2秒。

为获得磁感应信号，必须对探头磁化时间进行控制，同时需要对电路进行切换以形成磁感应信号的有效传输线路。

2 前置放大电路
前置放大电路若选用一般的低噪声放大器,如NE5534。

此类运放价格较低，但容易自激,并且易受外界干扰影响，故不采用。

使用低噪声仪用放大器则只需用一个外接电阻控制放大倍数，外围电路简单；噪声比一般的放大器低一个数量级；单位增益带宽低，不容易自激；抗干扰性强。

选用此方案。

可以使用的是INA217低噪声、低失真仪用放大器。

INA217是一种性能优越，应用方便，用途广泛的低失调、低噪声、宽带宽集成仪表放大器。

具有较宽的带宽和较宽增益范围内的动态响应，另外，INA217还具有较宽的电源电压范围，较好的输出电压摆幅以及较高的输出电流特性，因此可用于低频信号采集系统的前置放大器。

3拉莫尔信号采集与放大技术
探头输出的信号仅数微伏，必须放大到“伏”数量级才能供测量电路进行数字频率测量。

因此对放大器的要求是低噪声、高增益。

为提高输出信号的信噪比，设计放大器应具有选频特性。

通常用改变配谐电容的方法来改变放大器的中心频率以实现选频要求，但这种方法随之而来的是需要配以大量不同容值的电容，在切换时只能采用波段开关或是以继电器切换，电路容易自激、不易调节、工作可靠性较低，且体积偏大。

开关电容滤波器具有处理速度快，整体结构简单的优点，且随着集成制造技术的发展，可选择的开关电容滤波器种类很多，故此我们采用开关电容滤波的方法来实现。

为保证足够的放大倍数，放大系统中加入一级增益可调的后级放大。

放大器的各项指标设计要求分别为：工作频率范围1300～3100Hz，最大增益＞118dB，输入阻抗＞10kΩ，选频通带△f=40～100Hz。

3.2系统总体设计方案
图1是本设计的系统原理图,由CPU 提供脉冲极化探头,由探头输出的微弱的质子旋进信号经调谐后,送入选频放大电路,信号放大后整形输出为TTL标准
方波,此信号送入测量部分测量。

通过分析质子磁力仪的工作原理,并对几种型号质子磁力仪内部结构分析得知:质子磁力仪的测量部分主要由高精度的频率计完成。

所以测量部分通过设计高精度的频率计来实现。

频率计采用新型的CPLD 器件来设计。

键盘采用5×4矩阵键盘,CPLD 部分还实现了键盘扫描功能。

质子旋进磁力仪配置了GPS 模块,用来获取测量点的经纬度及测量时的时间,GPS 发送的时间非常精准,故在GPS 有效定位时可以对系统的日历时钟校准。

该系统配置了容量达2 MB 的FLASH 的存储器,240 ×128 的单色大LCD 显示屏,RS232 接口和USB 接口。

USB 接口支持主机模式和从机模式,在主机模式下,可接USB 存储器、USB 外设(鼠标、键盘和打印机等) ;在从机模式下,可接PC 机进行数据交换。

3.2.1探头配谐原理
探头是感性元件,所测量的信号是频率信号。

质子磁力仪利LC 并联谐振回路进行选频测量,根据谐振公式:
f =1/2π( LC )1/2 (1)
式中, f 为LC 谐振回路的中心频率; L 为探头的电感量; C 为仪器中配谐的电容值。

只要使探头的电感L 和仪器中配谐电容C 较准确地配谐,就会使回路的谐振频率f 谐振在探头中质子旋进频率的附近。

地磁场在短时间内变化较小,质子磁力仪利用这一特性实现了仪器选频测量的自动跟踪功能,利用上一次测量的频率值f (磁场值T) , 根据下式计算出下一次选频测量的配谐电容值C :
L f C 2)2(12
⨯=π 谐振回路的品质因数:
Q =WL/R (3)
为了在全测量范围内都能谐振于旋进频率,要把电容C 换成可调的,简单实用的办法是用多档开关来换接若干个电容。

由于探头配谐电路工作在极弱的信号下,本系统选用低导通电阻的模拟开关ADG706[7 ]来切换谐配电容。

电容配谐系统示意图如图2 所示。

该模拟开关为16 :1 模式。

2. 3 信号放大原理
整个信号放大部分整体流程框图如图3 所示。

探头接收到的信号十分微弱,需要逐级进行放大。

对放大电路的要求是低噪声、高阻抗、低失调电流。

前置放大器的作用是为整个系统提供较高的共模抑制比,将探头输出的差分信号转换为单端信号。

前置放大器输出的信号经50 Hz 陷波器以消除工频干扰,经滤波后进入一次程控放大器,再经滤波(二阶带通) ,此时波形已比较接近正弦波了,再进入二次程控放大器,此为主放大器,倍数比较大,信号完成放大。

为进一步保证滤除信号中的高低频干扰,在二次程控放大后,再接入一级二阶带通滤波器。

经滤波后的信号还是正负电压范围,故需要将其截取只保留正电压部分,在信号截取后将其通过比较器,可进一步滤除干扰,以完成整形,干净的波形即可送入数字测频部分进行频率测量。

3.2.2信号频率测量
目前通用的频率测量方法有测频和测周。

测频就是直接测量频率,通过记录单位时间内通过闸门的脉冲个数,来计算测量信号的频率。

测周通过记录被测周期单位周期内通过的标准信号频率,计算出被测信号的频率。

两种方法各有优点。

对于高频信号,选用测频,可以减少±1 测量误差,得到较高的测量精度,但在低频测量时, ±1 误差相对测量结果偏大,测量精度较低,此时测量周期的方法可以减少±1 误差。

3.2.3北京地质仪器厂CZM- 4 型质子磁力仪
CZM - 4 型质子磁力仪是利用氢质子磁矩在地磁场中自由旋进的原理研制成的高灵敏度弱磁测量装置,其磁场测量精度为±1n T ,分辨率高达0.1n T ,完全符合原地矿部发布的《地面高精度磁测工作规程》要求。

其特有的大存储容量、高分辨率和灵活性可广泛用作便携式、移动式和基站式磁力仪。

1 主要特点
地磁场总场绝对值测量范围达20000 ～100000n T ,可用于全球任一地域;既可全量程自动配谐,也可人工配谐;自动测量地磁场值,对于不清楚当地正常地磁场值的用户,尤为方便。

中文操作界面,数据自动记录和存储,并可实时显示磁测剖面曲线,操作简单;随机所配专用软件可对野外实测数据进行平滑去噪、日变改正、绘制剖面曲线等相关预处理, 方便用户对当天工作效果进行室内评估;USB210 通讯接口,使仪器向电脑传输数据更快捷;可用于磁性标本参数测定;可选配1GB 或2GB 数据存贮器及一组备份电池,实现长时间磁测工作需求;可应用户要求外接GPS 接收机,存储测点坐标值;可为用户选配专业磁法数据处理软件绘制等值线图、平面剖面图、作正反演解释等。

2 主要技术指标
(1) 测程范围:20000～100000n T ;
(2) 分辨率:0.1n T ;
(3 ) 测程精度: 总场绝对强度50000n T 时±1n T ;
(4) 梯度容限: ≤5000nT/ m ;
(5) 液晶点阵:192 ×64 ;
(6) 数据存储量:不小于8000 个测点数据(选配大容量存贮器时存贮量超过500 万读数) ;
(7) 工作环境温度: - 15～ + 50 ℃;
(8) 工作环境湿度: ≤95 %(25 ℃) ;
(9) 电源: 锂离子电池,1218～1618V/ 5Ah ,连续工作不少于17 小时(日变方式下,典型读数间隔为10 秒时) ;
(10) 主机外形尺寸(L ×W ×H) : 220 ×90 ×200mm ;
(11) 主机重量:2kg ;
(12) 探头外形尺寸:φ74 ×150mm ;
(13) 探头重量:018kg。

3 应用领域
由于CZM - 4 质子磁力仪具有磁测精度高,便携等优点,可广泛应用于以下领域:
(1) 磁性矿产勘查,特别适用于具有弱磁性的多金属矿产;
(2) 油气田、盐丘地质构造、磁性岩体圈定,地质填图;
(3) 航空、海洋磁测的地面日变站;
(4) 地磁台站的长期与定期观测;
(5) 地震预报研究;
(6) 磁测设备(如大型螺线管或亥姆霍兹线圈)的校准;
(7) 物性(磁化率) 测量;
(8) 环境及军事地球物理工作:油气管线、地下未爆炸弹等的探测;
(9) 考古:古墓、古城堡的探测。