CN101839968A - 一种overhauser磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种可对微弱磁场进行绝对测量的磁力仪。本发明由高频振荡器(1)、探头(2)、直流脉冲发生器(3)、放大器(4)、频率计(5)和数控单元(6)组成，通过数控单元(6)控制各部分协调工作，构成高精度OVERHAUSER质子磁力仪，利用探头中自由基溶液中自由基未成对电子在高频电磁场中的共振和自由基溶液中的质子在外磁场中的共振的双共振系统之间相互作用来测量外磁场。本发明具有高精度、高灵敏度、低功耗、对外磁场的绝对测量等优点。

Description

一种OVERHAUSER磁力仪

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，尤其涉及一种可对微弱磁场进行绝对测量的磁力仪。

背景技术

微弱磁场测量技术是研究与磁现象有关物理现象的重要手段，已经逐渐形成为重要的学科。空间磁场信息对人类活动具有重要意义，包括空间探测、近地表探测、海洋探测、地磁场探测、军事技术等，因此在国防建设、科学研究、日常生活、工业生产等领域，磁场测量常常起着决定性的作用，精度的高低、测量手段的难易，以及经济性等诸方面的因素直接关系到测量仪器的实用性、可推广性。

空间磁场测量仪器由于测量原理、测量范围、应用范围的不同，存在诸多差异，以测量仪器的物理原理大致分为：磁力仪、电磁效应式、感应式、磁通门式、核磁共振式、超导式和磁光式等。

目前使用较多的弱磁场测量仪器有普通质子旋进磁力仪、光泵磁力仪和低温超导量子干涉磁力仪，上述磁场测量技术有的灵敏度不够高，有的功耗过高，有的装置过于复杂，从而限制了其使用范围。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种OVERHAUSER磁力仪，其目的是改善现有普通质子磁力仪的测量灵敏度和精度，将原有的测量灵敏度和精度，从0.1nT和1.0nT分别提高到0.01nT和0.1nT，其测量范围为：20,000～120,000nT。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

由高频振荡器(1)、探头(2)、直流脉冲发生器(3)、放大器(4)、频率计(5)和数控单元(6)组成，通过数控单元(6)控制各部分协调工作；

数控单元(6)首先控制高频振荡器(1)产生高频信号，该高频信号作用于探头(2)，使探头(2)中的物质产生OVERHAUSER效应，达到极化状态，此时探头(2)会输出与外磁场成正比的频率信号，该频率信号通过放大器(4)被放大之后，数控单元(6)控制频率计(5)测出其频率，然后存储在数控单元(6)中；

所述高频振荡器(1)，采用晶体振荡器产生高频信号、丙类功放对信号进行放大，由高稳定晶体振荡器(7)和丙类高频功率放大器(8)构成；

所述探头(2)，由高频谐振腔(9)、内有自由基溶液的密封玻璃瓶(10)和绕在玻璃瓶外的低频接收线圈(11)构成，整个探头置于待测外磁场中；

所述直流脉冲发生器(3)，对激发后的探头(2)产生直流脉冲；

所述放大器(4)，由谐振放大电路(12)、前置放大器(13)和三级选频放大器(14)构成，对探头输出的微弱信号进行放大；

所述频率计(5)，由整形单元(15)和测频单元(16)构成，采用在CPLD中实现多周期同步测量方法对频率进行测量；

所述数控单元(6)，由逻辑控制单元(17)、存储器(18)、通讯接口(19)和键盘显示模块(20)组成，采用逻辑控制单元(17)产生控制高频振荡器(1)、直流脉冲发生器(3)和频率计(5)三个模块的工作时序，然后对测出的频率值进行处理、存储。

所述高频振荡器(1)的频率与选定的自由基的未成对电子共振频率对应，输出功率使自由基的未成对电子共振；

所述高频谐振腔的谐振频率与选定的自由基的未成对电子共振频率对应。

自由基物质采用4-氧-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基。

所述前置放大器(12)采用超低噪声JFET结型场效应管构成。

步骤①：将探头置于外磁场中，操作数控单元中的键盘显示模块，使仪器进入测量状态；

步骤②：仪器进入测量状态之后，数控单元中的逻辑控制单元，先控制高频振荡器产生高频，该高频信号在探头中的高频谐振腔发生谐振，使密封玻璃瓶中的自由基溶液发生极化，然后控制直流脉冲发生器给探头产生一直流脉冲，此时探头中的低频接收线圈可感应到质子绕外磁场的旋进信号；

步骤③：由放大器将旋进信号进行放大该，由频率计测出信号频率；

步骤④：数控单元读取频率计中的频率值，并乘以系数就可得到外磁场的准确值，同时可将该值存于存储器中；

步骤⑤：数据测量完之后，可用数控单元中的逻辑控制单元读取存储器中的磁场值，并由逻辑控制单元控制通讯接口将其传入计算机中。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)精度高、灵敏度高，这是由于利用OVERHAUSER效应使质子共振的强度比利用直接方法使质子共振的强度大1000倍左右，从而增加输出信号的信噪比，所以提高了测量精度和灵敏度，将普通质子磁力仪的测量灵敏度和精度，从0.1nT和1.0nT分别提高到0.01nT和0.1nT；

2)功耗低，由于只需3W左右的高频功率即可使自由基物质达到共振状态，使得仪器在激发状态时只有5W功耗，接收状态时只有2W功耗；

3)结构简单，仅由探头和包含激发、放大、测频和数控单元的电路系统组成；

4)对外磁场的绝对测量，由于探头输出的频率与外磁场为正比关系，所以测得的磁场值是外磁场的绝对值，无需另外标定。

附图说明

图1是本发明所提供的OVERHAUSER磁力仪的总体结构示意图。

图2是本发明中高频信号发生器的结构示意图。

图3是本发明中探头的结构示意图。

图4是本发明中放大器的结构示意图。

图5是本发明中频率计的结构示意图。

图6是本发明中数控单元的结构示意图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提供的OVERHAUSER磁力仪，具体采用的技术方案如下，参见图1：

本发明的OVERHAUSER磁力仪，由高频振荡器1、探头2、直流脉冲发生器3、放大器4、频率计5和数控单元6组成，通过数控单元6控制各部分协调工作，构成高精度OVERHAUSER质子磁力仪；数控单元6首先控制高频振荡器1产生高频信号，该信号作用于探头2，使探头2中的物质产生OVERHAUSER效应，达到极化状态，然后控制直流脉冲发生器3给探头2产生一直流脉冲，此时探头2会输出与外磁场成正比的频率信号，该信号通过放大器4被放大之后，数控单元6控制频率计5测出其频率，然后存储在数控单元6中。

如图2所示，高频振荡器1，采用晶体振荡器产生高频信号，丙类功放对信号进行放大，由高稳定晶体振荡器7和丙类高频功率放大器8构成；高稳定晶体振荡器7产生的高频信号，之后，该信号直接由丙类高频功率放大器8进行放大。

如图3所示，探头2由高频谐振腔9、内有自由基溶液的密封玻璃瓶10和绕在玻璃瓶外的低频接收线圈11构成，整个探头置于待测外磁场中；

直流脉冲发生器3，对激发后的探头2产生直流脉冲；

如图4所示，放大器4由谐振放大电路12、前置放大器13和三级选频放大器14构成，对探头输出的微弱信号进行放大；谐振放大电路12对探头2输出的信号进行谐振放大，谐振放大后的信号由前置放大器13对其进行初级放大，最后由三级选频放大器14对初级放大后的信号进行搞增益放大，以达到频率计5测量要求。

如图5所示，频率计5由整形单元15和测频单元16构成，采用在CPLD中实现多周期同步测量方法对频率进行测量；由整形单元15对放大器的输出信号进行整形，整形后的信号为标准方波信号，将该信号直接接入由CPLD构成的测频单元16中进行高精度频率测量。

如图6所示，数控单元6，采用逻辑控制单元17产生控制高频振荡器1、直流脉冲发生器3和频率计5三个模块的工作时序，然后对测出的频率值进行处理、存储，该数控单元6由逻辑控制单元17、存储器18、通讯接口19和键盘显示模块20组成。测量过程中，逻辑控制单元17控制磁场值存入存储器18中，并将其显示在键盘显示模块20上，数据采集完成之后，逻辑控制单元17从存储器18中读取数据，并通过通讯接口19将数据传入PC机或其他设备中。

高频振荡器1的频率与某种自由基的未成对电子共振频率对应，输出功率足够使自由基的未成对电子共振，自由基物质采用TEMPONE，所述TEMPONE为4-氧-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基；高频谐振腔的谐振频率某种自由基的未成对电子共振频率对应；前置放大器12采用超低噪声JFET结型场效应管。

本发明所提供的OVERHAUSER磁力仪工作机理是：在微弱外磁场中，当自由基溶液处于功率足够的高频电磁场条件下，自由基溶液会发生自由基的未成对电子共振和溶液中的质子共振双共振现象，共振后的质子在直流脉冲条件下，会绕微弱外磁场做旋进运动，其旋进频率与外磁场成正比，通过测量旋进频率，就可达到测量微弱外磁场的目的。

本发明同时提供专用OVERHAUSER磁力仪的测量方法：

将探头2置于外磁场中，利用数控单元6中的逻辑控制单元17，先控制高频振荡器1产生高频，该高频信号在探头中的高频谐振腔9发生谐振，使密封玻璃瓶10中的自由基溶液中的未成对电子发生共振，未成对电子共振之后，由于OVERHAUSER效应作用，会使溶液中的质子发生共振，质子的共振与外磁场成有关，这就是自由基溶液在高频场中产生的双共振现象；然后控制直流脉冲发生器3产生直流脉冲，此时探头2中的低频接收线圈11可感应到质子绕外磁场的旋进信号；放大器4放大该信号之后，由频率计5测出信号频率；数控单元6读取频率计5中的频率值，并乘以系数就可得到外磁场的准确值，同时可将该值存于存储器18中；利用通讯接口19可将采集到得磁场值传入计算机。

本发明提供的专用OVERHAUSER磁力仪的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将探头2置于外磁场中，操作数控单元6中的键盘显示模块20，使仪器进入测量状态；

步骤2：仪器进入测量状态之后，数控单元6中的逻辑控制单元17，先控制高频振荡器1产生高频，该高频信号在探头中的高频谐振腔9发生谐振，使密封玻璃瓶10中的自由基溶液发生极化，然后控制直流脉冲发生器3给探头2产生一直流脉冲，此时探头2中的低频接收线圈11可感应到质子绕外磁场的旋进信号；

步骤3：然后由放大器4将旋进信号进行放大该，由频率计5测出信号频率；

步骤4：数控单元6读取频率计5中的频率值，并乘以系数就可得到外磁场的准确值，同时可将该值存于存储器18中；

步骤5：数据测量完之后，可用数控单元6中的逻辑控制单元17读取存储器18中的磁场值，并由逻辑控制单元17控制通讯接口19将其传入计算机中。

将探头置于外磁场中，直接操作仪器对磁场进行测量，显示屏幕将直接显示出探头所在位置磁场绝对值。

Claims (5)

1.一种OVERHAUSER磁力仪，其特征在于：

由高频振荡器(1)、探头(2)、直流脉冲发生器(3)、放大器(4)、频率计(5)和数控单元(6)组成，通过数控单元(6)控制各部分协调工作；

数控单元(6)首先控制高频振荡器(1)产生高频信号，该高频信号作用于探头(2)，使探头(2)中的物质产生OVERHAUSER效应，达到极化状态，然后控制直流脉冲发生器(3)给探头(2)产生一直流脉冲，此时探头(2)会输出与外磁场成正比的频率信号，该频率信号通过放大器(4)被放大之后，数控单元(6)控制频率计(5)测出其频率，然后存储在数控单元(6)中；

所述高频振荡器(1)，采用晶体振荡器产生高频信号、丙类功放对信号进行放大，由高稳定晶体振荡器(7)和丙类高频功率放大器(8)构成；

所述探头(2)，由高频谐振腔(9)、内有自由基溶液的密封玻璃瓶(10)和绕在玻璃瓶外的低频接收线圈(11)构成，整个探头置于待测外磁场中；

所述直流脉冲发生器(3)，对激发后的探头(2)产生直流脉冲；

所述放大器(4)，由谐振放大电路(12)、前置放大器(13)和三级选频放大器(14)构成，对探头输出的微弱信号进行放大；

所述频率计(5)，由整形单元(15)和测频单元(16)构成，采用在CPLD中实现多周期同步测量方法对频率进行测量；

所述数控单元(6)，由逻辑控制单元(17)、存储器(18)、通讯接口(19)和键盘显示模块(20)组成，采用逻辑控制单元(17)产生控制高频振荡器(1)、直流脉冲发生器(3)和频率计(5)三个模块的工作时序，然后对测出的频率值进行处理、存储。

2.根据权利要求1所述的OVERHAUSER磁力仪，其特征在于：

所述高频振荡器(1)的频率与选定的自由基的未成对电子共振频率对应，输出功率使自由基的未成对电子共振；

所述高频谐振腔的谐振频率与选定的自由基的未成对电子共振频率对应。

3.根据权利要求2所述的OVERHAUSER磁力仪，其特征在于：

自由基物质采用4-氧-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基。

4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的OVERHAUSER磁力仪，其特征在于：

所述前置放大器(12)采用超低噪声JFET结型场效应管构成。

5.一种专用于权利要求1所述的OVERHAUSER磁力仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤①：将探头置于外磁场中，操作数控单元中的键盘显示模块，使仪器进入测量状态；

步骤②：仪器进入测量状态之后，数控单元中的逻辑控制单元，先控制高频振荡器产生高频，该高频信号在探头中的高频谐振腔发生谐振，使密封玻璃瓶中的自由基溶液发生极化，然后控制直流脉冲发生器3给探头2产生一直流脉冲，此时探头中的低频接收线圈可感应到质子绕外磁场的旋进信号；

步骤③：由放大器将旋进信号进行放大该，由频率计测出信号频率；

步骤④：数控单元读取频率计中的频率值，并乘以系数就可得到外磁场的准确值，同时可将该值存于存储器中；

步骤⑤：数据测量完之后，可用数控单元中的逻辑控制单元读取存储器中的磁场值，并由逻辑控制单元控制通讯接口将其传入计算机中。

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