CN102129051A - 一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置和方法 - Google Patents

一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置和方法 Download PDF

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CN102129051A CN2010106071356A CN201010607135A CN102129051A CN 102129051 A CN102129051 A CN 102129051A CN 2010106071356 A CN2010106071356 A CN 2010106071356A CN 201010607135 A CN201010607135 A CN 201010607135A CN 102129051 A CN102129051 A CN 102129051A
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滕云田
胡星星
张炼
马洁美
张旸
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Abstract

本发明涉及一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置和方法。所述装置包括A/D转换器、MCU和D/A转换器；所述A/D转换器从磁通门磁力仪的传感器探头采集磁通门磁力仪测量值并实时转换为数字信号供所述MCU运算处理，经MCU运算处理得到的数字补偿信号通过所述D/A转换器转换为模拟电压信号并耦合给所述磁通门磁力仪的传感器探头中的补偿线圈。所述方法由A/D转换器采集信号，由MCU判断是否需要进行补偿及给出补偿初值的大小和方向，并由D/A转换器输出补偿电流；再重复上述补偿循环；经若干补偿循环，使传感器探头置于近似零场中。本发明不需要人工进行现场实地操作仪器，提高了补偿效率和精度，能够用于深井观测以及仪器的远程监控和智能化测量。

Description

一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置和方法
技术领域
本发明涉及应用于磁通门磁力仪的背景场自动补偿装置和背景场自动补偿方法。
背景技术
磁通门磁力仪是适合在零磁场和弱磁场下应用的测量磁场的仪器。当用于测量强磁场背景下的微弱变化磁场时，如观测地磁场的变化即地磁场的“相对观测”，需要通过对主要磁场（背景场或地磁基本场）实行补偿，使磁力仪探头铁芯工作在零场附近，使其分辨率、动态范围和线性特性都能满足记录地磁场分量变化的要求。补偿方法是在探头铁芯上增加一个补偿线圈，通以补偿电流，铁芯中产生一个与探头轴向外磁场大小相等、方向相反的“补偿磁场”，使探头铁芯近似工作于零场状态，如图1所示。
目前一些磁通门磁力仪主要采用手动调整的背景磁场补偿方式，即采用分压电阻来控制补偿电流的大小，通过手动调节电位器或分档测量开关来改变分压电阻值。这些补偿方法均需实地操作，不适宜于远程控制，比如井下磁力仪的补偿或网络化的远程监控等情况；且操作不便，精度低；有的操作繁琐，需反复测量和设置，补偿效率低。有的磁通门虽然采用数字设置补偿值的方法，但需要对背景磁场的预先测量，不能实行自动化操作，补偿精度也较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自动补偿磁通门磁力仪背景磁场的装置，实现对背景磁场的高精度自动补偿、使其能够满足用于深井观测和远程监控的需要。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置，包括A/D转换器（模数转换器）、MCU（Micro Control Unit，微控制单元）和D/A转换器（数模转换器）；所述A/D转换器与磁通门磁力仪的传感器探头电连接，D/A转换器与磁通门磁力仪的传感器探头中的补偿线圈电连接，所述MCU分别与所述A/D转换器和D/A转换器电连接；所述A/D转换器从所述磁通门磁力仪的传感器探头采集磁通门磁力仪测量值并实时转换为数字信号供所述MCU运算处理，经MCU运算处理得到的数字补偿信号通过所述D/A转换器转换为模拟电压信号并耦合给所述补偿线圈。
本发明的有益效果是：所述MCU根据磁通门磁力仪测量值运算处理得到数字补偿信号，再将其发送给磁力仪的探头补偿线圈，从而实现了磁通门磁力仪对背景磁场的自动补偿，克服了手动调整的背景磁场补偿方式的缺点，与手动调整的背景磁场补偿方式相比，提高了补偿效率和精度，不再需要人工进行现场实地操作，从而使其能够满足用于深井观测以及远程监控和智能化测量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述A/D转换器为24位A/D转换器。
采用上述进一步方案的有益效果是，模数转换精度高。
进一步，所述A/D转换器为ADI公司（Analog Device Instrument，美国模拟器件公司）的AD7732 A/D转换器或其它高精度的24位A/D。
采用上述进一步方案的有益效果是，工作稳定，兼容性高，模数转换精度高。
进一步，所述D/A转换器为16位D/A转换器。
采用上述进一步方案的有益效果是，数模转换精度高。
进一步，所述D/A转换器为Maxim公司（Maxim Integrated Products，美国美信集成产品公司）的MAX5442 D/A转换器或其它16位以上高精度D/A。
利用上述本名发明的磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置，本发明还提供了一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法，包括以下步骤：
步骤A：设定补偿阀值，并执行步骤B；
步骤B：从磁通门磁力仪的传感器探头采集磁通门磁力仪测量值，并执行步骤C；
步骤C：将步骤B中采集的测量值的大小与补偿阀值的大小进行比较，若测量值的大小小于补偿阀值的大小，则执行步骤E，否则执行步骤D；
步骤D：生成补偿信号，并将其传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，并执行步骤B；
步骤E：结束对磁通门磁力仪背景场的自动补偿。
结合上述本名发明的磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置，本发明又提供了一种更具体的磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法，包括以下步骤：
步骤100：设定补偿阀值                                                
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE001
，并将所述MCU中的寄存器置“0x8000”，寄存器操作数位设定为最高位，并执行步骤200；
步骤200：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE003
，并执行步骤300；
步骤300：比较所述
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE005
，若
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE007
，则执行步骤400，否则执行步骤500；
步骤400：将所述寄存器操作数位下移一位，并执行步骤410；
步骤410：将所述寄存器当前数位置“1”，并执行步骤420；
步骤420：将所述寄存器的值通过所述D/A转换器转换成模拟补偿信号，并将所述模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，经延迟后执行步骤430；
步骤430：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 240983DEST_PATH_IMAGE002
，并执行步骤440；
步骤440：比较所述
Figure 368339DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 205845DEST_PATH_IMAGE005
，若，则执行步骤400，否则执行步骤450；
步骤450：比较所述
Figure 509843DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 73679DEST_PATH_IMAGE005
，若
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE009
，则执行步骤460，否则执行步骤600；
步骤460：将所述寄存器当前数位置“0”，并判断所述寄存器当前数位是否为最低数位，若是则执行步骤600，否则执行步骤400；
步骤500：比较所述
Figure 70585DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 145114DEST_PATH_IMAGE005
，若
Figure 35709DEST_PATH_IMAGE009
，则执行步骤510，否则执行步骤600；
步骤510：将所述寄存器置“0x7FFF”，并执行步骤520；
步骤520：将所述寄存器操作数位下移一位，并执行步骤530；
步骤530：将所述寄存器当前数位置“0”，并执行步骤540；
步骤540：将所述寄存器的值通过D/A转换器转换成模拟补偿信号，并将所述模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，经延迟后执行步骤550；
步骤550：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 504868DEST_PATH_IMAGE002
，并执行步骤560；
步骤560：比较所述
Figure 51387DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 162562DEST_PATH_IMAGE005
，若
Figure 173244DEST_PATH_IMAGE009
，则执行步骤520，否则执行步骤570；
步骤570：比较所述
Figure 577418DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 876812DEST_PATH_IMAGE005
，若，则执行步骤580，否则执行步骤600；
步骤580：将所述寄存器当前数位置“1”，并判断所述寄存器当前数位是否为最低数位，若是则执行步骤600，否则执行步骤520；
步骤600：结束对磁通门磁力仪背景场的自动补偿。
通过上述磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法，反复的进行如下过程：对磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换得到
Figure 63391DEST_PATH_IMAGE003
，并与预先设定的补偿阀值进行比较，根据比较结果对寄存器的数位值进行调整，并将MCU中寄存器的值经D/A转换器转换成模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈。从而实现了对磁通门磁力仪背景场的补偿。通过反复的执行上述过程，使得补偿的结果不断的接近事先期望的结果。整个过程不需要人工的干预，实现了全过程的自动进行。
进一步，所述补偿阀值
Figure 567361DEST_PATH_IMAGE001
的值不小于10 nT（纳特斯拉，简称纳特）。
进一步，所述补偿阀值
Figure 88472DEST_PATH_IMAGE001
的值为30 nT。
使用时，所述补偿阀值
Figure 275871DEST_PATH_IMAGE001
可根据实际“零场”范围要求预先设置，在实际使用中，如果希望传感器所处的“零场”范围小于10 nT则补偿阀值
Figure 261144DEST_PATH_IMAGE001
可设置为10 nT，如果希望传感器所处的“零场”范围小于30 nT则补偿阀值
Figure 7121DEST_PATH_IMAGE001
可设置为30 nT，如果在实际使用中希望传感器所处的“零场”范围更大或者更小时，可根据实际需要进行设置。
附图说明
图1为磁通门磁力仪背景磁场补偿原理示意图；
图2为本发明磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置原理示意图；
图3为本发明磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置一实施例电路示意图；
图4为本发明磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、A/D转换器，2、MCU，3、D/A转换器，4、传感器探头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，本发明的磁通门磁力仪背景场自动补偿装置包括与磁通门磁力仪的传感器探头4电连接的A/D转换器1，与A/D转换器1电连接的MCU 2，以及与MCU 2电连接并与磁通门磁力仪的传感器探头4中的补偿线圈电连接的D/A转换器3；其中，A/D转换器1用于实时采集磁通门磁力仪测量值并转换为数字信号供MCU 2运算处理，MCU 2用于控制A/D转换器1，并对A/D转换器1发送来的数字信号进行运算处理得到数字补偿信号，并将数字补偿信号通过D/A转换器3转换为模拟电压信号，D/A转换器3将模拟电压信号耦合给传感器探头4中的补偿线圈。
作为具体实施例，A/D转换器1可采用ADI公司的型号为AD7732的24位A/D转换器或其它24位高精度的A/D转换器，D/A转换器3可采用Maxim公司的型号为MAX5442的16位D/A转换器或其它的16位双极性D/A转换器。如图3所示，为一个具体实施例的电路示意图。其中，传感器探头4中包括探头磁芯、探头补偿线圈、耦合给补偿线圈的恒流源电路、与探头补偿线圈电连接的信号处理（解调）电路；A/D转换器1通过13引脚和16引脚与传感器探头4中的信号处理电路电连接，A/D转换器1的1引脚、4引脚、24引脚、25引脚和26引脚分别与MCU 2的一般I/O引脚P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7电连接，MCU 2的另一些I/O引脚P1.0、P1.1、P1.2分别与D/A转换器3的2引脚、3引脚和4引脚电连接，D/A转换器3通过其6引脚、7引脚和8引脚输出补偿电压经恒流源电路与传感器探头4电连接。
本发明中的磁通门磁力仪背景磁场的自动补偿思路如下：先由A/D转换器1测量磁场的大小，判断是否需要进行补偿及补偿值的极性和大小，由D/A转换器3输出补偿电流；再由A/D转换器1测量磁场的大小，由MCU 2判断是否需要进行补偿及补偿值的大小，由D/A转换器3输出补偿电流……经过多个补偿循环。具体操作如下：补偿前先将D/A转换器3中的输出寄存器清零，D/A转换器3的输出也为0。在MCU 2的逻辑控制下，对传感器探头的输出进行A/D转换，将这个转换结果跟预先设定的补偿阀值
Figure 6618DEST_PATH_IMAGE001
进行比较。如果
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE012
，说明需要补偿。同时根据
Figure 488809DEST_PATH_IMAGE002
的正负判别补偿的方向及阀值
Figure 641572DEST_PATH_IMAGE001
的正负，确定补偿寄存器（即D/A输出寄存器）值的符号位值和阀值
Figure 934013DEST_PATH_IMAGE001
的符号位值。然后将补偿寄存器的最高数值位置“1”，使寄存器的数值位输出为“100…00”，这个数字量被D/A转换器3转换成相应的模拟补偿电压送给传感器探头补偿线圈，延时后再对传感器探头输出进行A/D转换，对这个新的转换结果再跟阀值
Figure 728794DEST_PATH_IMAGE001
进行比较，如果补偿后使得跟上次的A/D转换值符号相反且有，说明补偿值过大，则这个“1”应去掉；如果补偿后使得跟上次的A/D转换值符号相同且仍有
Figure 92331DEST_PATH_IMAGE012
，说明补偿值还不够大，这个“1”应予保留；如果补偿后有
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE014
，说明已达到补偿目标要求，可以退出补偿循环。如果经这一位的补偿后仍有
Figure 250911DEST_PATH_IMAGE012
，则再对其它次高位逐位进行同样的补偿循环，直到最低位比较完为止，或在某一位补偿后有
Figure 43680DEST_PATH_IMAGE014
则退出补偿循环。补偿阀值（即补偿后传感器探头所处的“零场”范围）可以根据实际使用中对“零场”范围的要求预先设置，如在本实施例中要求补偿后的“零场”小于30nT，则可将其设置为30 nT，实际补偿后一般都在几到十几nT内。一般来说补偿阀值
Figure 982817DEST_PATH_IMAGE001
的设定范围不小于10 nT，当然根据需要也可以设定的比10 nT更小，使磁力计探头工作在真正的“零场”下。
根据上述思路，本发明提供了一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法，步骤包括：
步骤A：设定补偿阀值，并执行步骤B；
步骤B：从磁通门磁力仪的传感器探头采集磁通门磁力仪测量值，并执行步骤C；
步骤C：将步骤B中采集的测量值的大小与补偿阀值的大小进行比较，若测量值的大小小于补偿阀值的大小，则执行步骤E，否则执行步骤D；
步骤D：生成补偿信号，并将其传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，并执行步骤B；
步骤E：结束对磁通门磁力仪背景场的自动补偿。
结合本发明的磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置，上述方法的具体实现程序流程如图4所示，具体方法步骤如下：
步骤100：设定补偿阀值
Figure 119401DEST_PATH_IMAGE001
，并将所述MCU中的寄存器置“0x8000”，寄存器操作数位设定为最高位，并执行步骤200；
步骤200：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 460383DEST_PATH_IMAGE002
，并执行步骤300；
步骤300：比较所述
Figure 155544DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 113136DEST_PATH_IMAGE005
，若
Figure 522252DEST_PATH_IMAGE007
，则执行步骤400，否则执行步骤500；
步骤400：将所述寄存器操作数位下移一位，并执行步骤410；
步骤410：将所述寄存器当前数位置“1”，并执行步骤420；
步骤420：将所述寄存器的值通过所述D/A转换器转换成模拟补偿信号，并将所述模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，经延迟后执行步骤430；
步骤430：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 45637DEST_PATH_IMAGE002
，并执行步骤440；
步骤440：比较所述
Figure 413164DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 93938DEST_PATH_IMAGE005
，若
Figure 2010106071356100002DEST_PATH_IMAGE015
，则执行步骤400，否则执行步骤450；
步骤450：比较所述
Figure 306745DEST_PATH_IMAGE002
和，若
Figure 160748DEST_PATH_IMAGE009
，则执行步骤460，否则执行步骤600；
步骤460：将所述寄存器当前数位置“0”，并判断所述寄存器当前数位是否为最低数位，若是则执行步骤600，否则执行步骤400；
步骤500：比较所述
Figure 325888DEST_PATH_IMAGE002
和，若
Figure 105942DEST_PATH_IMAGE009
，则执行步骤510，否则执行步骤600；
步骤510：将所述寄存器置“0x7FFF”，并执行步骤520；
步骤520：将所述寄存器操作数位下移一位，并执行步骤530；
步骤530：将所述寄存器当前数位置“0”，并执行步骤540；
步骤540：将所述寄存器的值通过D/A转换器转换成模拟补偿信号，并将所述模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，经延迟后执行步骤550；
步骤550：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 284114DEST_PATH_IMAGE002
，并执行步骤560；
步骤560：比较所述
Figure 438015DEST_PATH_IMAGE002
和，若
Figure 61554DEST_PATH_IMAGE009
，则执行步骤520，否则执行步骤570；
步骤570：比较所述
Figure 941785DEST_PATH_IMAGE002
和，若，则执行步骤580，否则执行步骤600；
步骤580：将所述寄存器当前数位置“1”，并判断所述寄存器当前数位是否为最低数位，若是则执行步骤600，否则执行步骤520；
步骤600：结束对磁通门磁力仪背景场的自动补偿。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿装置，其特征在于：包括A/D转换器、MCU和D/A转换器；所述A/D转换器与磁通门磁力仪的传感器探头电连接，D/A转换器与磁通门磁力仪的传感器探头中的补偿线圈电连接，所述MCU分别与所述A/D转换器和D/A转换器电连接；所述A/D转换器从所述磁通门磁力仪的传感器探头采集磁通门磁力仪测量值并实时转换为数字信号供所述MCU运算处理，经MCU运算处理得到的数字补偿信号通过所述D/A转换器转换为模拟电压信号并耦合给所述补偿线圈。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述A/D转换器为24位A/D转换器。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述A/D转换器为AD7732型A/D转换器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述D/A转换器为16位D/A转换器。
5.根据权利要求1或4所述的装置，其特征在于：所述D/A转换器为MAX5442型D/A转换器。
6.一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法，利用权利要求1至5任一项所述的装置，包括如下步骤：
步骤A：设定补偿阀值，并执行步骤B；
步骤B：从磁通门磁力仪的传感器探头采集磁通门磁力仪测量值，并执行步骤C；
步骤C：将步骤B中采集的测量值的大小与补偿阀值的大小进行比较，若测量值的大小小于补偿阀值的大小，则执行步骤E，否则执行步骤D；
步骤D：生成补偿信号，并将其传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，并执行步骤B；
步骤E：结束对磁通门磁力仪背景场的自动补偿。
7.一种磁通门磁力仪背景场的自动补偿方法，利用权利要求1至5任一项所述的装置，包括以下步骤：
步骤100：设定补偿阀值                                                
Figure 247827DEST_PATH_IMAGE001
，并将所述MCU中的寄存器置“0x8000”，寄存器操作数位设定为最高位，并执行步骤200；
步骤200：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 156877DEST_PATH_IMAGE002
，并执行步骤300；
步骤300：比较所述
Figure 492043DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 2010106071356100001DEST_PATH_IMAGE004
，若
Figure 893069DEST_PATH_IMAGE005
，则执行步骤400，否则执行步骤500；
步骤400：将所述寄存器操作数位下移一位，并执行步骤410；
步骤410：将所述寄存器当前数位置“1”，并执行步骤420；
步骤420：将所述寄存器的值通过所述D/A转换器转换成模拟补偿信号，并将所述模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，经延迟后执行步骤430；
步骤430：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 348714DEST_PATH_IMAGE003
，并执行步骤440；
步骤440：比较所述
Figure 659741DEST_PATH_IMAGE003
和，若
Figure 805289DEST_PATH_IMAGE005
，则执行步骤400，否则执行步骤450；
步骤450：比较所述
Figure 21507DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 513799DEST_PATH_IMAGE004
，若
Figure 928600DEST_PATH_IMAGE007
，则执行步骤460，否则执行步骤600；
步骤460：将所述寄存器当前数位置“0”，并判断所述寄存器当前数位是否为最低数位，若是则执行步骤600，否则执行步骤400；
步骤500：比较所述
Figure 377206DEST_PATH_IMAGE003
和，若
Figure 487244DEST_PATH_IMAGE007
，则执行步骤510，否则执行步骤600；
步骤510：将所述寄存器置“0x7FFF”，并执行步骤520；
步骤520：将所述寄存器操作数位下移一位，并执行步骤530；
步骤530：将所述寄存器当前数位置“0”，并执行步骤540；
步骤540：将所述寄存器的值通过D/A转换器转换成模拟补偿信号，并将所述模拟补偿信号传送给磁通门磁力仪的探头补偿线圈，经延迟后执行步骤550；
步骤550：对所述磁通门磁力仪的传感器探头的输出进行A/D转换，得到转换结果
Figure 281763DEST_PATH_IMAGE003
，并执行步骤560；
步骤560：比较所述
Figure 19912DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 133361DEST_PATH_IMAGE009
，若
Figure 668379DEST_PATH_IMAGE007
，则执行步骤520，否则执行步骤570；
步骤570：比较所述
Figure 955004DEST_PATH_IMAGE003
和，若
Figure 490732DEST_PATH_IMAGE005
，则执行步骤580，否则执行步骤600；
步骤580：将所述寄存器当前数位置“1”，并判断所述寄存器当前数位是否为最低数位，若是则执行步骤600，否则执行步骤520；
步骤600：结束对磁通门磁力仪背景场的自动补偿。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述补偿阀值的值不小于10 nT。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述补偿阀值
Figure 305159DEST_PATH_IMAGE001
的值为30 nT。
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