HD-2010质子旋进磁力仪的研制与应用

段金松，梁树红，齐宁，朱兆优，李金凤，徐健

（1.东华理工大学，江西南昌 330013；2.核工业北京地质研究院，北京 100029）

HD-2010质子旋进磁力仪的研制与应用

段金松1，梁树红2，齐宁2，朱兆优1，李金凤2，徐健2

（1.东华理工大学，江西南昌 330013；2.核工业北京地质研究院，北京 100029）

简单阐述了HD-2010质子旋进磁力仪测量地磁场的原理、介绍了新一代质子旋进磁力仪的电路和程序设计，通过中国计量科学研究院的计量测试及野外实际应用证明HD-2010质子旋进磁力仪的技术指标达到了国内、外同类仪器水平，验证了仪器设计的可靠性和先进性。

质子旋进；磁力仪；鉴相器

质子旋进磁力仪是依据氢原子磁矩一定条件下在地磁场中旋进的原理制成的，是目前世界上广泛应用的测量磁场强度的仪器。主要用来寻找和勘探磁性矿产（如铁矿、铜矿等）、进行地质填图以及地震前兆信息的捕捉等［1］。与国外同期产品相比国产磁力仪的测量精度不高，功能不够完善。在吸取国外设计经验的同时依据现实需求介绍了一款存储数据量大、能够自动记录GPS信息、人机界面灵活且便于携带的新型质子旋进磁力仪，重点讲述了该仪器的设计思路及弱信号提取的关键技术。

1 质子旋进磁力仪的设计

1.1 质子旋进磁力仪的设计原理

理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角速度ω与地磁场T的大小成正比，其关系为：

式中：γp为质子磁旋比，即质子自旋磁矩与角动量之比，是一个常数。又因为ω＝2π×f，f称为旋进（或拉莫尔）频率，则有：

式中：T以纳特（nT）为单位；根据2π/γp＝23.487 4 s·nT，可推导出

因此，只要能准确测量出质子旋进频率f，即可得出地磁场T的值。这样则把对地磁场的测量变成对旋进频率f的测定［2］。

测定地磁场T的量值，须使质子作自由旋进运动，为此要将质子磁矩极化，使之偏离T的方向一个角度。通常采用的极化方法是：在密封探头装有（水、煤油和癸烷等）含氢液体，其中的氢原子核（质子）由自旋产生的磁矩无规则地任意指向，不显宏观磁矩［3-4］。若在垂直地磁场方向加上较强的人工磁场，探头中含氢液体的质子磁矩将按人工磁场方向排列，使之极化。迅速切断外加的人工磁场，由于质子自旋将绕着地磁场方向作质子旋进（拉莫尔旋进），则地磁场将质子拉回地磁场方向，质子磁矩的旋进将在接收线圈中产生感应电压信号。

在接收线圈内，感应讯号的电压为

式中：C是与线圈截面积、匝数及探头的充填因子有关的系数；kp是质子磁化率；HO是极化磁场强度；θ是线圈轴线与T的夹角；t1是切断极化时刻的起算时间；1/T′2是衰减常数。接收线圈获取质子旋进感应信号如图1所示。

HD-2010质子旋进磁力仪包含操作台、探头、探杆、蓝牙打印机及梯度探头等附件。每次测量过程为：①主控单片机发出一系列控制信号，先极化探头里富氢液体的质子，切断极化后从接受线圈得到质子旋进感应信号fp；②经选频输入、低噪声前放、主放得到信号如图2A；③再由“频/模”电路将旋进信号转换成对应的模拟电压如图2B；④该电压加入VCO进行倍频nfp，再分频后得到fp′；⑤最终将分频后的信号加入到鉴相器，和鉴相器另一端fp进行相位比较，相位差调制“频/模”，使其达到锁相跟踪测频；⑥另一方面CPU通过数据线采集倍频后的数据，进行计算处理并给出磁场强度值。仪器原理方框图如图3所示。

1.2 电路设计

1.2.1输入选频电路

依据地磁场的分布，质子旋进磁力仪的测量范围为：20 000～100 000 nT，相当旋进频率：851.52～4 257.60 Hz，输入选频电路频率特性需涵盖该频率范围，并能随输入旋进频率及时调节电路谐振频率使其接近被测磁场的fp［3］。为此输入选择使用LC电路，线圈电感L固定，电容C可变，由CPU每次测量并发送调谐数据加以改变。选频电路如图4所示。

1.2.2倍频电路

仪器按照二进制精度选择256倍频，倍频操作如下：先将图2A的信号整形，成方波后输入“频/模”电路，将质子旋进频率转换成电压。为实现短时间内得到稳定的直流电压，“频/模”中的低通滤波有两个充电时间常数τ1和τ2，τ1＜＜τ2即先快速充电如图2B，再立刻转入慢速充电。VCO选择PLL器件（如CD4446）中的电路，倍频值n可参考PLL器件资料选择相应的R和C数值得到。倍频电路如图5所示。

1.2.3鉴相器

为了提高快速跟踪fp，仪器使用了高速CMOS异或门构成快速鉴相器。其一个输入端是质子旋进信号fp′；另一个输入端是nfp的1/n信号fp，输出端Δφ＝φp－φp′。再经低通滤波器输出电压Uφ，加入“频/模”调整端。此外鉴相器还起到测量质量的报警作用，即如果fp′偏离fp较大，经鉴相后输出电压Uφ达到报警电平，CPU采集到该信号将发出警告。

1.3 控制程序设计

软件设计采用多级中断及子程序嵌套的模块化结构。全部软件包括主程序，定时器中断服务子程序PAC0处理系统运行状态，外部中断服务子程序Ex0处理各级外部中断和外设驱动程序等。由于仪器一直处于待测和硬件唤醒状态，所以控制程序将随时保存运行参数，测量程序控制转换图如图6。

2 仪器整机性能测试与野外应用

2.1 性能测试

HD-2010质子旋进磁力仪（图7）送中国计量科学研究院弱磁实验室标定并取得有效证书，准确度为0.3 nT（k＝3），修正值基本上小于1 nT。标定数据整理见表1。

2.2 仪器野外应用

仪器在内蒙古、江西等地区进行了野外磁法测量（含高精度磁测）应用。图8为在内蒙古地区所作的11条剖面（点距5 m）的地面高精度磁测情况，取得了较好的地质效果。

图8中磁测曲线的包络线，蓝色为负异常，杏黄色为正异常。综观全图可以看出：

1）磁异常总体呈近NEE向的正负相间的条带状分布。在图幅的西北部和中部明显分布有两条NEE走向的负异常带，在图幅的东南角分布有一条NEE走向的负异常带。与此相对应的，在图幅的南东部、中部以及西北角分布有3条NEE走向的与负异常相伴的正异常带。

2）结合构造走势与磁测量值ΔT的分布特征，ΔT＝0与已知构造有较为一致的对应关系。

3 结论

HD-2010质子旋进磁力仪小批量生产后，一些单位近几年在江西、内蒙古地区作了野外勘查任务，取得了高质量的数据资料，技术指标完全达到了高精度磁测的要求。通过野外磁测的大量应用，肯定了该仪器的质量，为今后的推广应用奠定了基础。

［1］管志宁.地磁场与磁力勘探［M］.北京：地质出版社，2005:54-87.

［2］谭承泽，郭绍雍.磁法勘探教程［M］.北京：地质出版社，1984:22-90.

［3］吴天彪.磁法仪器便携式质子磁力仪［M］.北京：地质出版社，1992:37-99.

［4］赵志鹏，董浩斌.低功耗高精度质子旋进式磁力仪的设计［J］.石油仪器，2007，21（2）:13-15.

［5］严兴，柴剑勇，黄晖.新型质子旋进磁力仪软件系统设计与实现［J］.华南地震，2009，29（4）:95-97.

The development and app lication of HD-2010 proton precession magnetometer

DUAN Jin-song1，LIANG Shu-hong2，QINing2，ZHU Zhao-you1，LIJin-feng2，XU Jian2

（1.East China Institute of Technology，Nanchang，Jiangxi330013，China；2.Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

This paper ela borates the proton precession magnetometer’s principle of measuring geomagnetic field，and introduces the circuit and program design of a new generation of proton precession magnetometer.It proves that HD-2010 proton precession magnetometer’s technical indicators have reached the level of similar instruments at home and abroad，and the reliability and advancement of instrument design have been verified through metrology test and practical application by National Institute of Metrology，China.

proton precession；magnetometer；phase discriminator

TH762.3

A

1672-0636（2014）02-0115-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2014.02.009

2014-04-21

段金松（1986—），男，河南郑州人，在读硕士研究生，研究方向：嵌入式系统设计。

E-mail:dodo9883@163.com