CN110333544A - 矢量质子磁力仪智能选频方法 - Google Patents

Abstract

矢量质子磁力仪在测量地磁场不同分量时，信号强度会有差异，同时选频电路存在温度漂移变化，这都会对仪器的测量精度产生影响，为解决这些问题，本发明发明了一种自动调节信号放大电路放大倍数和选频电路选频特性的矢量质子磁力仪智能选频的方法，该方法先按照仪器设定的选频参数和放大倍数对信号进行选频和放大，再测出该信号的信号强度，根据信号的强度来调整选频电路的放大倍数，使信号强度位于比较合适的强度范围，并微调选频电路的选频电容，使下次选频信号接近最强，达到精确选频与放大的目的。本发明实现电路由：选频电路、信号放大电路、信号滤波电路、信号强度检测电路及单片机控制电路四个部分组成。

Description

矢量质子磁力仪智能选频方法

所属技术领域

本发明涉及一种用质子旋进方式测量地磁场强度的选频方法，尤其是用智能化方式进行多分量测量的矢量质子旋进信号测量的选频方法。

技术背景

质子磁力仪测量地磁场是采用质子旋进原理进行测量的，质子旋进信号是一个频率信号，经选频放大与滤波整形后就成了方波频率信号，测量出该信号的频率后，再乘以一个系数就得出了地磁场值，质子磁力仪配上多分量线圈后，成为一种可以测量地磁场多个分量的矢量质子磁力仪。矢量质子磁力仪在测量地磁场多个分量时，对信号的选频与放大通常是同一个电路，但信号强度与选频特性是存在差异性的；就信号强度而言，地磁总场强度的质子旋进信号要强一些，而分量的质子旋进信号要弱一些，如果矢量质子磁力仪信号放大倍数以信号弱的分量进行设计，这样测量总场强度的信号放大倍数就比需要的放大倍数要大许多，这就会影响总场强度的信噪比，从而影响总场强度测量的精密度，反之会影响分量的信噪比，从而影响分量测量的精密度；就选频特性而言，仪器选频电路的共振频率与质子旋进信号频率一致时，选频电路得到的信号才是最强的，由于选频电容、探头电感受温度影响会产生变化，矢量质子磁力仪在测量各个分量时，不一定始终工作在最佳的共振选频状态，这就会影响仪器的选频特性，使仪器得到的信号减弱，从而影响仪器测量的精密度。

为了克服上述不足，发明了一种根据地磁场分量的质子旋进信号强度和选频器件温度漂移误差等因素，自动调节选频电路的放大倍数和选频特性的方法，使仪器信号放大电路始终保持最合适的放大倍数，使仪器选频得到的质子旋进信号始终保持最强状态，达到提高仪器信噪比，提高仪器测量精度的目的。

发明内容

本发明发明了一种根据地磁场不同分量质子旋进信号的强度，以及选频电容、探头电感的温度漂移变化，自动调节信号放大电路放大倍数和选频电路选频特性的矢量质子磁力仪智能选频的方法，该方法在仪器开机或复位后首次测量时，先按照仪器设定的选频初始参数和放大倍数对信号进行选频和放大，再经滤波后测出该信号在设定的迟滞时间内的信号强度，根据这次信号在设定的迟滞时间内的强度来调整信号放大电路的放大倍数，使信号强度在设定的迟滞时间位于比较合适的强度范围，当检测到信号强度在合适的强度范围时，微调选频电路的选频电容，再检测信号强度是否有衰减，如果没有衰减，下次测量时对信号选频的选频电容将叠加上次微调选频电容的修正值，反之将叠加微调选频电容的负修正值，使下次选频信号接近最强。上述过程循环往复多次直到选频电路处于最佳的选频状态和最合适的放大倍数为止。

附图说明

图1为矢量质子磁力仪智能选频电路框图，其电路构成分别由：选频电路、信号放大电路、信号滤波电路、信号强度检测电路及单片机控制电路四个部分组成。①选频电路、②信号放大电路、③信号滤波电路、④信号强度检测电路及单片机测量控制电路。

图2为智能选频程序框图，其程序流程分别为：①设置选频与放大参数，②地磁场值测量，③信号强度强度检测与判断，④微调放大倍数再检测信号强度，⑤选频微调再检测信号强度，⑥选频电容修正，⑦返回程序。

图3为本发明的选频电路，其电路中：①L为探头的电感，②C₁～C₁₀为选频电容矩阵，③K₁～K₁₀为选择电容的开关。

图4为本发明的信号放大电路，图中：Vout1和Vout2为该放大电路信号输入端，Vout3 为该放大电路信号输出端，IC1～IC3为运算放大电路，W为数字电位器，R1～R8为放大电路外围电路。

图5为本发明的信号滤波电路，由带通滤波电路和数字滤波电路组成。①带通滤波电路，②数字滤波电路。

图6为信号强度检测电路及单片机测量控制电路，图中：IC8、IC9和D1、D2、2R1～2R5、 1C1组成对输入的信号强度信号进行整流滤波的电路，IC10为单片机控制电路C8051F060， Vin4是由信号滤波电路输入的放大滤波后信号强度信号，IC11为非门电路，2R6为IC10 单片机信号输入电阻。

具体实施方式

1、矢量质子磁力仪智能选频原理与方法

本发明对矢量质子旋进信号进行智能选频的原理是：质子磁力仪是利用LC共振原理对要检测的质子旋进信号进行选频放大后测量的，只有当LC选频电路与要检测的质子旋进信号产生共振时，选频出的信号强度才是最强的；由于质子旋进信号是一个按指数特性进行衰减的频率信号，信号强度越强，信号从衰减开始到结束的迟滞时间就越长；选频出的信号经放大电路放大后，当放大倍数一定时，选频出的信号强度越强，仪器能够正确检测到信号的有效迟滞时间就越长，因此，信号强时需要的放大倍数就小，信号弱时需要的放大倍数就大；矢量质子磁力仪在测量地磁场不同分量时，总场强度信号强度最强，水平分量和垂直分量次之，测量磁偏角时信号最弱，因此矢量质子磁力仪在测量地磁场不同分量时，需要的放大倍数是不一样的。当信号放大倍数过大时，噪声也将随之放大，使仪器的测量精度降低，当信号放大倍数过小时，信号没有得到充分放大，测量精度也会受到影响，因此信号放大倍数应根据检测信号强度设置在比较合适范围内。由于LC选频电路中的探头的电感和仪器选频电容存在温度漂移等因素影响，在进行信号选频时LC选频电路不一定工作在最佳共振状态，选出的信号不一定是最强信号，因此需要对选频的电路参数进行自动适应调整，使选频电路始终工作在最佳共振状态。

本发明对矢量质子旋进信号智能选频的方法是：矢量质子磁力仪在使用之前先要设置选频所需要的探头电感量L，LC电路初始调谐值T₀，所测分量选频电容修正值△C₀，设置的初始调谐值T₀大小与所测磁场值接近，由此可以计算出LC电路的共振频率F₀。质子磁力仪在测量磁场时先对探头施加一个激化电流，产生一个激化磁场，然后根据探头电感量L、该分量选频电容修正值△C₀和初始调谐值T₀，计算得出该分量选频需要的配谐电容C，计算公式如下：

F₀＝T₀/23.487215 ①

经过几秒激化过程后，这时探头将感应到质子旋进信号，仪器中配谐电容C与探头的电感L组成共振电路，将质子旋进信号频率F选出，经放大电路放大和信号滤波电路滤波后，送给信号强度检测电路及单片机控制电路，一路进行频率信号检测，测出其信号频率F，并计算出该分量地磁场值T，测出的T将替换原来的调谐值T₀，对下一次测量的配谐形成自动跟踪；还有一路进行信号强度检测，对其进行整流滤波，并检测其信号强度，当设定的信号有效迟滞时间到时，检测出信号强度A，判断检测出的信号强度是否在设定的范围内，如果不在设定的范围内，就调整信号放大电路的放大倍数，再检测信号强度，直到信号强度在设定的范围内，如此往复八次，如果还不在设定范围内，则程序返回；如果在设定的范围内，由于此时测量的信号还在迟滞衰减中，立刻对选频电路调谐电容C再叠加一个微调修正值△ C，再次检测信号强度，与上次检测到信号强度进行比较，看是否信号有所衰减，如果新检测的信号强度没有衰减，说明信号在调谐电容微调后得到了增强，那么就将△C₀与微调修正值△C相减，反之相加，并重新设置到该测项的△C₀中，下次该测项选频时将按新的△C₀计算配谐电容。以上流程循环往复数次以后，仪器对测量信号选频与放大就将工作在比较理想的状态了。

2、矢量质子磁力仪智能选频编程方法

矢量质子磁力仪智能选频程序框图如图2所示，第①步，设置选频与放大参数，设置探头电感量L、各分量选频电容修正值△C₀和调谐值T₀；

第②步，地磁场值测量，先对探头施加一个激化磁场，然后将根据探头电感量L、该分量选频电容修正值△C₀和调谐值T₀，计算得出该分量选频配谐需要的配谐电容C，根据配谐电容C计算得出配谐电容矩阵选通开关的选通代码，输出选通代码选通配谐需要的选频电容，设置信号有效迟滞时间定时器定时参数N，等待探头激化结束，并延时数毫秒，启动信号有效迟滞时间定时器定时，启动信号强度测量A/D转换器，测量该分量质子旋进信号的频率F，并计算出该分量地磁场值T；

第③步，信号强度检测与判断，等待信号有效迟滞时间N定时结束，对整流滤波后的信号进行A/D转换，并读取此时的信号强度S，比较此时该信号强度S是否在设定的范围内，如果不在设定范围内转到第④步，否则转到第⑤步；

第④步，微调放大倍数再检测信号强度，给信号放大倍数加一个微调，并从信号强度测量A/D转换器读取信号强度S，再比较此时该信号强度S是否在设定的范围内，如此反复八次直到检测到的信号强度位于设定的范围以内，如果信号强度还不在设定的范围内，则转第⑦步；

第⑤步，选频微调再检测信号强度，给选频电容值C加一个微调△C再选频，再从信号强度测量A/D转换器读取信号强度S，比较此时的信号强度和前一次测量的信号强度是否有衰减；

第⑥步，选频电容修正，给选频电容修正值△C₀叠加一个选频微调修正△C，如果信号强度没有衰减叠加一个负修正，否则为正修正，作为下次测量时新的选频电容修正值△C₀；

第⑦步，返回程序，返回主程序，等待下一次测量。

3、选频电路

本发明智能选频电路如图3所示，①L为探头的电感，②C₁～C₁₀为选频电容矩阵，③K₁～K₁₀为选择电容的开关，K₁～K₁₀是无内部二极管VMOS管，具有导通电阻小的特点，可以通过切换K₁～K₁₀开关状态选出需要的选频配谐电容，选出的频率信号送信号放大电路放大。

4、信号放大电路

本发明信号放大电路如图4所示，图中：Vout1和Vout2为该放大电路信号输入端，Vout3为该放大电路信号输出端，IC1～IC3为运算放大电路，W为数字电位器，R1～R8 为放大电路外围电路，通过程控的方式调整W的阻值可以改变放大电路的放大倍数，经放大后的信号通过Vout3端送滤波电路滤波。

5、信号滤波电路

本发明信号滤波电路如图5所示，分别由：①带通滤波器，②数字滤波器构成。该电路的带通滤波器是一个通频带为该仪器频率测量范围的巴特沃斯带通滤波器，先将不是仪器测量范围的干扰信号滤除；该电路的数字滤波器是以数字滤波芯片MAX263为核心的程控数字滤波电路，在程序控制下该滤波电路的带通滤波频率与要测量的信号频率一致；该电路对选频放大后的信号起到滤除干扰，提高信噪比的作用，经过滤波后的信号输出给信号强度检测电路及单片机控制电路。

6、信号强度检测电路及单片机控制电路

本发明的信号强度检测电路及单片机控制电路如图6所示，图中：IC8、IC9和D1、D2、 2R1～2R5、1C1组成对输入的信号强度信号进行整流滤波的电路，IC10为单片机控制电路 C8051F060，Vin4是由信号滤波电路输入的放大滤波后信号强度信号，一路通过IC11整形后送给单片机控制电路C8051F060测量其频率，从而计算出其磁场值的大小，另一路经整流滤波后通过2R6输送到单片机控制电路C8051F060内部的A/D转换器ADC1的输入端AIN1，对信号强度信号进行强度检测。

Claims (1)

1.矢量质子磁力仪智能选频方法，由设定有效迟滞时间信号强度检测，信号放大倍数自动调整，选频配谐电容自动修正组成，其特征是：在设定的信号有效迟滞时间内检测质子旋进信号强度，并根据检测到的信号强度适时调整信号放大电路的放大倍数，并对选频配谐电容进行修正，使信号在设定的有效迟滞时间内具有合适的信号强度和最佳选频状态；

所述设定有效迟滞时间信号强度检测是：质子旋进信号经选频放大和滤波后，仪器在设定的有效迟滞时间内对信号强度进行检测；

所述信号放大倍数自动调整是：在设定的有效迟滞时间内，根据检测到的信号强度，仪器自动调整信号放大电路的放大倍数，使信号强度在设定的范围内；

所述选频配谐电容自动修正是：在设定的有效迟滞时间与信号强度内，微调选频配谐电容，并根据检测到的信号强度，对选频配谐电容修正值进行自动修正，以使下一次测量时信号选频处于最佳选频状态。