CN1041222A

CN1041222A - 质子旋进磁力仪

Info

Publication number: CN1041222A
Application number: CN 89107980
Authority: CN
Inventors: 田福生
Original assignee: AEROPHYSICAL PROSPECTING REMOTE SENSING CENTRE MINISTRY OF GEOLOGY AND MINERALS
Current assignee: AEROPHYSICAL PROSPECTING REMOTE SENSING CENTRE MINISTRY OF GEOLOGY AND MINERALS
Priority date: 1989-10-21
Filing date: 1989-10-21
Publication date: 1990-04-11
Also published as: CN1013228B

Abstract

本发明质子旋进磁力仪是一种测量地球磁场仪器。采用二次测量法或二次极化法作实时配谐自动跟踪测量，即每测点均作二次测量，第一次测粗值，计算机根据粗值调整配谐，第二次测精确值。高速测量时一次极化二次测量，低速测量时二次极化二次测量，以达最佳配谐。遇强干扰时自动摒弃不正常计数。起始测量或遇大梯度时可盲目自动跟踪。本发明用细导线绕制大电感量探头以降低极化电流。本发明仪器中设置有分段式带通滤波器以提高信噪比。

Description

本发明是一种检测地球磁场绝对值及其变化的仪器。

利用质子经电流极化后在地磁场中产生旋进的原理，测量地磁场强度的仪器-质子旋进磁力仪。于五十年代已有应用。

高含氢质子的溶液，如水、酒精、煤油等样品，在强磁场的极化下，产生一宏观磁矩，当极化停止，该宏观磁矩即绕地球磁场作拉莫尔旋进，其旋进频率正比于地磁场值。

即：T＝23.4874fp

T为地磁场值，单位为nT

fp为氢质子旋进频率，单位Hz

用此原理测量质子旋进频率即可测得地磁场值，全球地磁场值随纬度的增加由20000-90000nT范围内变化，故其旋进频率的范围相应为850-3830Hz。为精确测量地磁场值和其微弱的变化，人们始终不渝地以提高仪器信噪比而努力。

质子旋进磁力仪，基本上分成高速连续测量和低速测量两种，高速测量一般测点间隔不大于2秒。

质子旋进磁力仪的基本框图如图1的1-12，由探头1、配谐器2、前置放大器3、放大滤波器4、整形器5、标准频率发生器6、计数控制器7、计数器8、极化开关9、极化控制器10、时钟时序控制器11、场值显示输出12所组成，随着单板机的发展，质子磁力仪采用了计算机控制，使同步极化，自动跟踪配谐，数据存贮，与计算机联网等先进技术得以应用，提高了质子旋进磁力仪的测量灵敏度和测量速率。仪器的框图从图1的1-12增加了13-23部分，即比较器13，频率自动跟踪配谐控制器14、计算机总线15、计算机16、ROM17、RAM18、I/O口19、键盘20、打印机21、同步极化控制器22及中断口23。

探头1由容器、线圈、溶液组成，其线圈是一个传感器，是旋进信号的源，要求具有高的信噪比，才能得到较精确的测量值，同时要求体积小、重量轻、耗电省，尤其对地面便携式仪器更为重要。一般有二个或三个线圈串联而成，典型的如U、S、APatent 3886440中所示，我国北京地质仪器厂生产的CZM-2及CHHK-2型质子旋进磁力仪采用1.2至1.5mm单股漆包线绕制而成，线圈电感量在30mh以下，直流电阻在10Ω以下，Q值50左右，上述探头的主要缺点是体积大，重量重，所需极化电流大（3A以上）。

配谐器2为一系列电容与探头线圈组成谐振回路，这部分是提高信噪比的主要部位，不同的电容值谐振于不同的旋进频率，适应于某纬度地区，电容分档越细，则频率越窄，信噪比亦较高，但电容数量将大大增加。在使用计算机以前，配谐器的调谐都是由操作人员视磁场变化而人工调节，这在磁场变化大的地区，是不易调谐到最佳状态的，而且操作人员要高度思想集中，稍有不慎，信噪比即下降，使测量质量降低。

质子旋进磁力仪中应用了计算机技术，配谐器2的电容从一组一个频段改成用少量电容组成矩阵，用计算机16自动控制某几个电容接入线路而使谐振于所需的频段，这样就大大节约了电容，缩小了配谐器2的体积并简化了操作，提高了自动化程度

测量质量。如美国GEOMETRICS公司的G856，G866、G813加拿大SCIENTREX公司的MP-4，MAP-5等都是。

放大滤波器4是将旋进信号放大到足以触发计数器8计数，为抑止噪声，它是一种带通滤波器，一般有两种，一种其带宽为仪器全量程，一种是与配谐器2带宽相对应的一个系统，如能完全与配谐器同步，其信噪比将比前者高，测量精度亦高。它使用在老式的手动调谐的仪器中。而在用计算机控制的仪器（如美、加各型号）中，由于温度的变化，配谐电容和滤波器换档电阻R不可能同步变化，可能使调谐遭到破坏而降低信噪比，故美、加各种仪器都采用宽带带通滤波器，而不加控制，这样线路和程序均简单，但损失了信噪比。

配谐申请器是一个比较器13，由磁场信号与设定的标准信号相比较，当磁场变化远超出上一测点配谐器的带宽，信号下降到低于标准信号，则比较器13上产生一申请配谐信号，计算机16，发出控制信号，配谐器2改变一个档号，如信号仍低于标准信号，则进行第二次申请配谐，直至信号高于标准信号为止。美加各类仪器对申请配谐均限于仪器允许的梯度以内，当在一新工作区测量时，必须将电容档号置于该地区相应的磁场值范围内，才能发挥配谐申请的作用。

在正常测量时，美、加各仪器均以前一测点的测量值作为依据，从计算机ROM17中查询该测量值的配谐档号，并发出改变配谐器2的档号。这样，本测量点始终是使用前一点的配谐档号，在磁场梯度较大时，虽不致于失谐而申请配谐，但终不能达到最佳的谐振条件。

在正常测量时，突然遇到短暂的超出本仪器设计指标的强大干扰，一般的仪器因计算机找不到相应的配谐档号而造成死机，必须重新启动调整，这样，就会使一段时间内的记录报废。

根据上述存在的问题，本发明的目的在于：

1.提供一种自动跟踪配谐方法，以提高仪器的信噪比，达到更精确的测量，同时提高自动化程度，搜索能力和抗干扰能力，从而减少意外的影响。

2.提供一种新的探头传感器的设计方案，使极化电流大大下降，以减轻探头重量和功耗。

3.在信号通道的放大滤波器4中，除设有全量程带通滤波器外，还设置一组跟踪滤波器（分段带通滤波器）以提高仪器信噪比。

本发明的自动跟踪配谐方法，根据使用和磁场的情况分别为：

1.在正常测量时，采用实时配谐自动跟踪方法：

（1）作为高速连续测量，如航空磁测（测量周期小于2秒）采用二次测量自动跟踪配谐法。在一个测量周期T中，探头1在时间T₁（100-500毫秒）内被极化，极化后，计算机16控制计数器8首先在时间T₂（5-50毫秒）内测得旋进信号频率的粗值（因为在短瞬间测得的频率，其精度是不高的，但能保证选档的需要），在时间T₃（5-50毫秒）内由计算机16查找予置于ROM17中该频率相应的配谐档号，并命令频率自动跟配谐控制器14调整配谐器2的电容矩阵和跟踪滤波器4的相应开关组，使测量系统达到最佳的配谐状态和最高的信噪比，然后在时间T₄内由计算机16命令计数器8测量旋进频率的精确值。本方法在梯度大于300nT/测点时尤为有效。

（2）作为低速测量（测量周期大于2秒）时，使用二次极化自动跟踪配谐方法，即第一次极化后，测得一个频率值（因此值是在前一测点的配谐档号下测得的，故不一定是最佳状态）作为粗值，由计算机16查找该频率值的配谐档号，如与前一测点的档号不同，即命令频率自动跟踪配谐器14调整配谐档号，使测量系统达到最佳配谐状态，再由计算机16控制进行第二次极化和有效的测量。

2.当正常测量时突然遇到短暂的超出本仪器设计指标的强大干扰时，采用自动摒弃不正常计数的方法，即在强干扰到来时，信号频率超出本仪器设计范围，本发明的计算机16没有出界判断，这时计算机16找不到与强干扰相应的配谐档号时，即判定出界，则取上一测点的正常值为当前点的测量值，而摒弃该点的不正常值，在干扰未消除时，继续取上一点正常值直至干扰消除，重新回到正常测量程序，以保持测量的连续。

3.当起始测量时，仪器中配谐器2及跟踪滤波器4的档号是随机的，可能远离被测磁场值的档号，本发明的仪器可以人工予置当地磁场值的粗值，再进行自动跟踪，亦可采用盲目自动跟踪配谐方法，在遇到大梯度磁场时，信号旋进频率可能远离配谐档号，仪器即自动采用盲目跟踪配谐方法。

这时当前点的信号幅值在比较器13中与标准值比较低于标准值，即向计算机16发出请求配谐信号，计算机16即自动进行盲目配谐程序，将当前配谐档前进或后退一档至若干档（由计算机设定）并作下一次测量，如仍有配谐请求，则再重复前进或后退，直到信号幅值达到标准值而停止盲目配谐程序，转入测量主程序。进行正常测量时的实时配谐自动跟踪阶段。

本发明之探头1由两个线圈组成，线圈由单般直径小于0.5mm的漆包线绕成，克服了粗导线的涡流影响，本发明之探头1的总电感量为100-400毫亨。由于线经减小，在不增加探头体积和重量条件下，允许大大增加电感量，这样，极化电流可从安培级降低80-90%左右，为便携式仪器的轻便化和低功耗，为空中仪器降低探头体积和重量提供了条件。

本发明的放大滤波器4除有一个带宽为全量程的带通滤波器外，还设置一组跟踪滤波器（分段式带通滤波器）（图2），由计算机16通过频率自动跟踪配谐控制器14在控制配谐器2的同时控制跟踪滤波器不同的R值接入，在全量程中分成连续的6-20档，每档带宽为200-500赫芝，这样，可以抑制段外噪声，提高整机的信噪比，使仪器的测量稳定性有所提高。

与已有技术相比，本发明有如下优点：

1.正常测量时，保持最佳的配谐状态而提高仪器的信噪比。

2.在强干扰下能保持正常的测量而不致死机。

3.具有盲目跟踪能力，简化了操作、在强梯度条件下能保持正常的跟踪。

4.在保持足够的灵敏度条件下，探头减轻了重量，缩小了体积，降低了功耗。

附图说明：

图1为本发明仪器的原理框图。

1.探头 2.配谐器

3.前置放大器 4.放大滤波器

5.整形器 6.标准频率发生器

7.计数控制器 8.计数器

9.极化开关 10.极化控制器

11.时钟、时序控制器 12.显示及场值输出

13.比较器

14.频率自动跟踪配谐控制器

15.计算机总线 16.计算机

17.ROM 18.RAM

19.I/O 20.键盘

21.打印机 22.同步极化控制器

23.中断口

图2为放大滤波器4中的跟踪滤波器（分段式带通滤波器的电原理图。

K为计算机控制的模拟开关

R为改变滤波器分段频带的电阻

结合实施例说明本发明：

1.高速测量仪器：

（1）采用二次测量法，T₁为200毫秒，T₂为20毫秒。T₃为20毫秒（测点周期以0.5秒为例）。

（2）采用自动摒弃不正常计数。

（3）采用盲目自动跟踪配谐方法，全量程自动配谐速率＞3000nT/秒。

（4）探头电感量约150毫亨，极化电流约600毫安。

（5）分段带通滤波器分成18段，每档带宽约120赫芝。

2.低速测量仪器

（1）采用二次极化法：

（2）采用盲目自动跟踪配谐方法;

（3）探头电感量约250毫亨，极化电流约200毫安;

（4）分段带通滤波器分成8档，每档带宽约200赫芝。

本发明实施例的主要技术指标;

（1）高速测量仪器：

（1）测量范围：20000nT-70000nT（可扩至90000nT）

（2）灵敏度：（典型值）

测量周期灵敏度

1秒 0.02nT

0.5秒 0.1nT

（3）全量程自动配谐速率：＞3000nT

（4）电流：28V±10%DC

仪器电流3A 极化电流～600mA

（5）工作温度：-10℃-+50℃

2.低速测量仪器：

（1）测量范围：32000nT-70000nT（上下可扩至

20000及90000nT）

（2）灵敏度：0.1nT

（3）测量周期：3-255秒（每秒步进）

（4）允许梯度：5000nT/M

（5）全量程自动配谐

（6）数据贮存：1200个测量点

（7）输出：微型打印机及计算机接口

（8）工作温度：-10℃-+50℃

（9）电源：15V-18V DC

仪器电流：250mA 极化电流：约300mA

Claims

1、一种质子旋进磁力仪的自动跟踪配谐方法，其特征在于：

(1)在正常测量时，采用实时配谐自动跟踪方法；

(2)在正常测量遇到短暂的超出本仪器设计指标的强大干扰时，采用自动摒弃不正常计数的方法；

(3)当起始测量或遇大梯度场时，采用盲目配谐自动跟踪方法。

2、根据权利要求1所说的质子旋进磁力仪的实时配谐自动跟踪方法，其特征在于对测量周期小于2秒的连续测量，采用二次测量自动跟踪配谐方法。

3、根据权利要求1或2所说的质子旋进磁力仪的二次测量自动跟踪配谐方法，其特征在于当探头1在时间T₁内被极化结束后，计算机16控制计数器8首先在时间T₂内测得旋进信号粗值，在时间T₃内通过计算机查找予置于ROM17中该频率相应的配谐档号，并命令频率自动跟踪配谐控制器14调整配谐器2电容矩阵和跟踪滤波器4的相应开关组。然后在时间T₄内由计算机16命令计数器8测量旋进频率的精确值。

4、根据权利要求1或3所说的质子旋进磁力仪的二次测量自动跟踪配谐方法，其特征在于其时间T₁为100-500毫秒，时间T₂为5-50毫秒，时间T₃为5-50毫秒。

5、根据权利要求1所说的质子旋进磁力仪的实时配谐自动跟踪方法，其特征在于：对测量周期大于2秒的测量，采用二次极化自动跟踪配谐方法。

6、根据权利要求1或4所说的质子旋进磁力仪的二次极化自动跟踪配谐方法，其特征在于第一次极化结束后，计算机16命令计数器8取100-1000个旋进信号的脉冲数，作为频率粗值，由计算机16查找该频率相应的配谐档号，命令频率自动跟踪配谐控制器14调整配谐器2电容矩阵和跟踪滤波器4的相应开关组，再由计算机16控制进行第二次极化和有效的测量。

7、根据权利要求1所说的质子旋进磁力仪的自动摒弃不正常计数方法，其特征在于计算机16没有出界判断，当计算机16找不到与强干扰相对应的配谐档号时，即判定出界，自动取上一点正常值为当前点的测量值，而摒弃该点的不正常值，在干扰未消除时，继续取上一点正常值直至干扰消除，重新回到正常测量程序。

8、根据权利要求1所说的质子旋进磁力仪的盲目配谐自动跟踪方法，其特征在于当前点仪器通道的信号幅值在比较器13中与标准值比较后低于标准值，发出请求配谐信号，计算机16自动进入盲目配谐程序，把当前档前进或后退一档或若干档（计算机设定），下次测量时仍有配谐请求，则再重复前进或后退，直至信号幅值超过标准值而停止盲目配谐程序而进入测量主程序，进行正常测量时的实时配谐自动跟踪。

9、一种质子旋进磁力仪，由探头1、配谐器2，前置放大器3、放大滤波器4、整形器5、标准频率发生器6、计数控制器7、计数器8、极化开关9、极化控制器10、时钟时序控制器11、显示及场值输出12、比较器13、频率自动跟踪配谐控制器14、计算机总线15、计算机16、ROM17、RAM18、I/O口19、键盘20、打印机21、同步极化控制器22、中断口23所组成，其特征在于：

（1）探头1之线圈由单股直径小于0.5mm的漆包线绕成，线圈的总电感量为100至500毫亨。

（2）放大滤波器4有一组跟踪滤波器（分段带通滤波器）由计算机16通过频率自动跟踪配谐控制器14接入不同的R值（与配谐器2同步）。

10、根据权利要求8所说的质子旋进磁力仪的跟踪滤波器，其特征在于在全量程中分成6-20档，每档带宽100-500Hz。