CN101493529A

CN101493529A - 一种提高质子磁力仪测量精度的方法及其电路

Info

Publication number: CN101493529A
Application number: CNA2009101192169A
Authority: CN
Inventors: 柴剑勇; 陆敬安; 严兴; 徐行; 黄晖; 黎珠博; 陈奇; 于彦江
Original assignee: Guangzhou Marine Geological Survey
Current assignee: Guangzhou Marine Geological Survey
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2029-03-09
Also published as: CN101493529B

Abstract

本发明提供一种提高质子磁力仪测量精度的方法及电路，方法采用1)高速器件测周法，用待测信号的周期作为标准脉冲的计数闸门时间，算得待测信号的周期；2)实时信号数据等级评估及处理法，根据被测磁场与干扰在时域特性上的差异和旋进信号的衰减特性，自动计算离散性；3)器件温度系数校正法，采用高灵敏的温度集成传感器件和A/D模数转换器在测量程序中直接将其校正。电路包括全向性深海质子磁探头、探头极化转换器、极化控制器、调谐匹配器、选频放大器、信号整形器、信号计数器、计数闸门、标准脉冲发生器、二进制计数器。

Description

一种提高质子磁力仪测量精度的方法及其电路

技术领域

本发明涉及质子磁力测量技术领域，特别是一种提高质子磁力仪测量精度的方法及其电路。

背景技术

质子磁力仪属观测精度较高的磁力仪，由于它的观测机理清楚简单，使得它成为一种相对廉价的磁力仪，并在很多方面得到了广泛应用。以往的质子磁力仪在某些观测领域中显得观测精度不足(一般为±1nT)，存在稳定性差的问题，所以目前这类高精度的磁观测多数采用价格昂贵(比质子磁力仪贵近十倍)的进口光泵磁力仪和OVERHAUSER磁力仪。而根据氢质子旋磁比的稳定性很高的特点，只要将氢质子旋进频率信号计数的分辨率和稳定性进一步提高，其磁场观测精度可以大大提高。目前较为接近的专利文献：(1)申请号：89107980质子旋进磁力仪的自动跟踪配谐方法。(2)申请号：03131601.8数字化分量质子磁力仪。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种提高质子磁力仪测量精度的方法及其电路。

为此，我们找到了一种新的旋进信号频率的测控方法：1、高速器件测周法，提高了仪器的分辨率；2、实时信号数据等级评估及处理法，提高了仪器的抗干扰能力；3、器件温度系数自动校正法，提高了仪器的稳定性，使新的质子磁力仪的观测精度比原来提高了一个量级(优于0.2nT)，从而实现了相对廉价磁力仪的高精度磁场观测。

采用新的测控方法、技术和器件研制出新一代的质子旋进磁力仪，使质子旋进式磁力仪的观测精度提高了一个量级。

该发明技术旨在解决以往质子磁力仪观测精度没能发掘到最高的问题。其关键技术在于通过采用高速器件测周期、信号数据质量实时分析处理以及器件温度系数自动校正的方法，实现了提高质子磁力仪的观测精度。上述技术原理说明及步骤如下：

1)高速器件测周法(图2)。用待测信号的511个周期作为30MHz标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用24位高速(100MHz)计数器记录下标准频率(30MHz)脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期：t＝N/(511×30000)ms，从而测得磁场总强：T＝1/t×23487.2nT。

测量分辨率(按被测磁场强度为45000nT计)：N＝23487.2/45000×511×30000＝8001306，计数器分辨率为±1，则此电路磁场测量的最高分辨率为：±1/N×45000＝±0.0056nT。

2)实时信号数据等级评估及处理(图3)。在实际测量中由于被测磁场中往往夹杂了些频段接近的干扰，这就影响了磁场观测的精度，根据被测磁场与干扰在时域特性上的差异和旋进信号的衰减特性，除了对信号电路的改进外，我们还找到了一种有效抑制干扰的数据采集处理方法：每次极化磁场撤消后在旋进信号的衰减过程中读取五个计数值N1、N2、N3、N4、N5，然后自动计算这五个数的离散性即均方差σ，根据实验(与同地点的OVERHAUSER观测数据对比分析)结果，定出了信号等级计算的经验公式以及数据处理的规则：信号等级SIG＝INT(1200/(σ+76))，则可定出0-15的信号等级。数据根据信号等级可分为三种处理方法：当SIG≥5时，N取五个数的平均N＝(N1+N2+N3+N4+N5)/5；当2≤SIG＜5时，N取前三个数的平均N＝(N1+N2+N3)/3；当SIG＜2时，N取第一个数N＝N1。并且将信号等级同步记录下来，作为产出数据日后进一步处理的重要依据。

3)器件温度系数校正(图5)。作为影响计数精度的关键器件30MHz的晶振，由于存在温度系数(0.1ppm/℃左右)，即晶振温度变化2.5℃，可引起磁场测量值0.01nT的偏差，因此，要提高测量精度必须解决这个温度稳定性问题，另外，电路其他器件也存在一定的温度系数影响观测精度。目前绝大多数同类仪器都采用温补晶振的方法，但这种方法也有缺陷，如，所需温补晶振匹配选择困难、环境温度适应范围窄、电路静态功耗增大、不能解决其他器件的温度影响等。我们的做法是采用高灵敏的温度集成传感器件(AD590)和12位的A/D模数转换器(PIC16C877自带的)对电路的温度进行实时检测，根据事先对整个电路温度系数的实测标定参数，在测量程序中直接将其校正。具体步骤如下：标准频率信号输入到仪器整机电路，根据其在各种温度环境中自动记录下的温度及信号频率，生成温度校正参数表，将温度校正参数写入测量程序，自动实现电路温度系数的校正。

一种提高质子磁力仪测量精度的方法，采用高速器件测周期、信号数据质量实时分析处理以及器件温度系数自动校正的方法，具体步骤如下：1)高速器件测周法，用待测信号的周期作为标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用计数器记录下标准脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期；2)实时信号数据等级评估及处理法，根据被测磁场与干扰在时域特性上的差异和旋进信号的衰减特性，每次极化磁场撤消后在旋进信号的衰减过程中读取五个计数值N1、N2、N3、N4、N5，然后自动计算这五个数的离散性；3)器件温度系数校正法，采用高灵敏的温度集成传感器件和12位的A/D模数转换器对电路的温度进行实时检测，根据事先对整个电路温度系数的实测标定参数，在测量程序中直接将其校正。

本发明的有益效果为：

本发明采用一种新的旋进信号频率的测控方法，使质子磁力仪的观测精度比原来提高了一个量级(优于0.2nT)，从而实现了相对廉价磁力仪的高精度磁场观测。

附图说明

图1是本发明提高质子磁力仪测量精度的总体电路方框图。

图2是本发明提高质子磁力仪测量精度的方法总流程图。

图3是本发明实时信号数据等级评估处理流程图。

图4是本发明器件温度系数校正电路方框图。

图5是本发明器件温度系数校正流程图。

具体实施方式

图1为本发明提高质子磁力仪测量精度的总体电路方框图。

图1中包括：高速器件测信号周期的电路和器件温度系数校正电路两个部分。

高速器件测信号周期的电路的结构、组成如下：

高速器件测信号周期的电路包括全向性深海质子探头1、探头极化转换器2、极化控制器3、调谐匹配器4、选频放大器5、信号整形器6、信号计数器7、计数闸门8、30MHz标准脉冲发生器9、24位二进制计数器10。全向性深海质子探头1将探测到的信号传送给探头极化转换器2，信号经转换后传送给极化控制器3和调谐匹配器4，信号经调谐匹配器4匹配后传送给选频放大器5，信号经放大后传送给信号整形器6，信号经整形后传送给信号计数器7，信号经计数后反馈给调谐匹配器4、选频放大器5、信号整形器6，并传送给计数闸门8，计数闸门8分别受到30MHz标准脉冲发生器9和24位二进制计数器10的控制。24位二进制计数器10连接到中央处理器CPU13，进行读数处理。7.2V75Ah 18锂电池给整个电路供电。

器件温度系数校正电路的结构、组成如下：

器件温度系数校正电路包括全向性深海质子探头1、探头极化转换器2、极化控制器3、调谐匹配器4、时钟信号11、EEPROM(4M)12、中央处理器CPU(PIC16F877)13、温度传感器14、无线串口模块15、6位键盘16、16位LCD显示器17、7.2V75Ah锂电池18。全向性深海质子探头1将探测到的信号传送给探头极化转换器2，信号经转换后传送给极化控制器3和调谐匹配器4，极化控制器3和经调谐匹配器4的信号传送给中央处理器CPU13。中央处理器CPU13分别连接24位二进制计数器10、时钟信号11、EEPROM12、温度传感器14、6位键盘16和16位LCD显示器17。中央处理器CPU13通过无线串口模块15接收无线传来的信号。3.6V锂电池18连接于时钟信号11。7.2V75Ah锂电池给整个电路供电。

本发明采用高速器件测周期、信号数据质量实时分析处理以及器件温度系数自动校正的方法。三个方法步骤分别在图2、图3和图5中详细描述。

图2是本发明提高质子磁力仪测量精度的方法总流程图

图中表示高速器件测周期法、信号数据质量实时分析处理法以及器件温度系数自动校正法，三个方法的示意结构，共同提高质子磁力仪测量的精度。下面分别描述

1)高速器件测周法

高速器件测周法如图2中所示

用待测信号的511个周期作为30MHz标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用24位高速(100MHz)计数器记录下标准脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期：t＝N/(511×30000)ms，磁场总强：T＝I/t×23487.2nT。

提高测量分辨率0.01nT。确保质子磁力仪高精度测量，精度优于0.2nT。

2)实时信号数据等级评估及处理

实时信号数据等级评估处理的过程如图3中所示。在实际测量中由于被测磁场中往往夹杂了些频段接近的干扰，这就影响了磁场观测的精度，根据被测磁场与干扰在时域特性上的差异和旋进信号的衰减特性，我们找到了一种有效抑制干扰的数据采集处理方法：每次极化磁场撤消后在旋进信号的衰减过程中读取五个计数值N1、N2、N3、N4、N5，然后自动计算这五个数的离散性(均方差σ)，根据实验(与同地点的OVERHAUSER观测数据对比分析)结果，定出了信号等级计算的经验公式以及数据处理的规则：信号等级SIG＝INT(1200/(σ+76))，则可定出0-15的信号等级。数据根据信号等级可分为三种处理方法：当SIG≥5时，N取五个数的平均N＝(N1+N2+N3+N4+N5)/5；当2≤SIG＜5时，N取前三个数的平均N＝(N1+N2+N3)/3；当SIG＜2时，N取第一个数N＝N1。并且将信号等级同步记录下来，作为产出数据日后进一步处理的重要依据。提高抗干扰能力，确保质子磁力仪高精度测量，精度优于0.2nT。

3)器件温度系数校正

器件温度系数的校正过程如图5所示，作为影响计数精度的关键器件30MHz的晶振，由于存在温度系数(0.1ppm/℃左右)，即晶振温度变化2.5℃，可引起磁场测量值0.01nT的偏差，因此，要提高测量精度必须解决这个问题，另外，电路其他器件也存在一定的温度系数影响观测精度。目前绝大多数同类仪器都采用温补晶振的方法，但这种方法也有缺陷，如，所需温补晶振匹配选择困难、环境温度适应范围窄、电路静态功耗增大、不能解决其他器件的温度影响等。我们的做法是采用高灵敏的温度集成传感器件(AD590)和12位的A/D模数转换器(PIC16C877自带的)对电路的温度进行实时检测，根据事先对整个电路温度系数的实测标定参数，在测量程序中直接将其校正。

具体步骤如下：标准频率信号输入到仪器整机电路，温度变化范围：-40℃-+40℃。根据其在各种温度环境中自动记录下的温度及信号频率，生成温度校正参数表，将温度校正参数写入测量程序，自动实现电路温度系数的校正。提高电路稳定性，确保质子磁力仪高精度测量，精度优于0.2nT。

图4是本发明器件温度系数校正电路方框图

在图4中温度传感器AD590(即图1中的温度传感器14)直接安装于整机电路板上，由于电路板上的元器件中受温度影响最大的是产生30MHz标准脉冲的晶振，所以此温度传感器安装在30MHz晶振旁边，这样能准确测得晶振的实时温度。

Claims

1、一种提高质子磁力仪测量精度的方法，采用高速器件测周期、信号数据质量实时分析处理以及器件温度系数自动校正的方法，其特征在于，具体步骤如下：1)高速器件测周法，用待测信号的周期作为标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用计数器记录下标准脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期；2)实时信号数据等级评估及处理法，根据被测磁场与干扰在时域特性上的差异和旋进信号的衰减特性，每次极化磁场撤消后在旋进信号的衰减过程中读取五个计数值N1、N2、N3、N4、N5，然后自动计算这五个数的离散性；3)器件温度系数校正法，采用高灵敏的温度集成传感器件和12位的A/D模数转换器对电路的温度进行实时检测，根据事先对整个电路温度系数的实测标定参数，在测量程序中直接将其校正。

2、根据权利要求1所述的提高质子磁力仪测量精度的方法，其特征在于，所述步骤1)高速器件测周法，用待测信号的511个周期作为30MHz标准脉冲的计数闸门时间，在此时间内用24位高速计数器记录下标准脉冲的个数N，则可算得待测信号的周期：t＝N/(511×30000)ms，磁场总强：T＝1/t×23487.2nT。

3、根据权利要求2所述的提高质子磁力仪测量精度的方法，其特征在于，所述24位高速计数器的响应频率为100MHz，测量分辨率：N＝23487.2/45000×511×30000＝8001306，计数器分辨率为±1，则此电路磁场测量的最高分辨率为：±1/N×45000＝±0.0056nT。

4、根据权利要求1所述的提高质子磁力仪测量精度的方法，其特征在于，所述步骤2)实时信号数据等级评估及处理法，五个数的离散性即均方差σ，根据实验与同地点的OVERHAUSER观测数据对比分析结果，定出了信号等级计算的经验公式以及数据处理的规则：信号等级SIG＝INT(1200/(σ+76))，则可定出0-15的信号等级，数据根据信号等级可分为三种处理方法；

所述3)器件温度系数校正法，具体步骤如下：标准频率信号输入到仪器整机电路，根据其在各种温度环境中自动记录下的温度及信号频率，生成温度校正参数表，将温度校正参数写入测量程序，自动实现电路温度系数的校正。

5、根据权利要求4所述的提高质子磁力仪测量精度的方法，其特征在于，所述三种处理方法：当SIG≥5时，N取五个数的平均N＝(N1+N2+N3+N4+N5)/5；当2≤SIG＜5时，N取前三个数的平均N＝(N1+N2+N3)/3；当SIG＜2时，N取第一个数N＝N1，并且将信号等级同步记录下来，作为产出数据日后进一步处理的重要依据。

6、根据权利要求1所述的提高质子磁力仪测量精度的方法，其特征在于，所述步骤3)器件温度系数校正法，传感器件用AD590和12位的A/D模数转换器用PIC16C877自带的，对电路的温度进行实时检测。

7、一种提高质子磁力仪测量精度的电路，包括全向性深海质子探头(1)、探头极化转换器(2)、极化控制器(3)、调谐匹配器(4)、选频放大器(5)、信号整形器(6)、信号计数器(7)、计数闸门(8)、30MHz标准脉冲发生器(9)、24位二进制计数器(10)，其特征在于，全向性深海质子探头(1)连接于探头极化转换器(2)，探头极化转换器(2)连接于极化控制器(3)和调谐匹配器(4)，调谐匹配器(4)连接于选频放大器(5)，选频放大器(5)连接于信号整形器(6)，信号整形器(6)连接于信号计数器(7)，信号计数器(7)反馈给调谐匹配器(4)、选频放大器(5)和信号整形器(6)，并传送给计数闸门(8)，计数闸门(8)分别受到标准脉冲发生器(9)和二进制计数器(10)的控制。

8、根据权利要求7所述的提高质子磁力仪测量精度的电路，其特征在于，所述标准脉冲发生器(9)为30MHz，二进制计数器(10)为24位。

9、一种提高质子磁力仪测量精度的器件温度系数校正电路，包括全向性深海质子探头(1)、探头极化转换器(2)、极化控制器(3)、调谐匹配器(4)、时钟信号(11)、EEPROM(12)、中央处理器CPU((13)、温度传感器(14)、无线串口模块(15)、6位键盘(16)、16位LCD显示器(17)，其特征在于，全向性深海质子探头(1)连接于探头极化转换器(2)，连接于极化控制器(3)和调谐匹配器(4)，极化控制器(3)和调谐匹配器(4)连接于中央处理器CPU(13)，中央处理器CPU(13)分别连接二进制计数器(10)、时钟信号(11)、EEPROM(12)、温度传感器(14)、键盘(16)和LCD显示器(17)，中央处理器CPU(13)通过无线串口模块(15)接收无线传来的信号。

10、根据权利要求9所述的提高质子磁力仪测量精度的器件温度系数校正电路，其特征在于，所述二进制计数器(10)为24位，EEPROM(12)为4M，中央处理器CPU(13)采用PIC16F877，键盘(16)为6位，LCD显示器(17)为16位。