CN203259640U - 新型全数字氦光泵磁力仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型全数字氦光泵磁力仪，构成包括FPGA芯片（1）、圆柱形光泵传感器（11）以及与圆柱形光泵传感器（11）连接的高频电源（2），圆柱形光泵传感器（11）经输入信号调理电路（12）、A/D转换电路（13）与FPGA芯片（1）连接，FPGA芯片（1）经D/A转换电路（14）、FM信号调理电路（15）与圆柱形光泵传感器（11）连接，FPGA芯片（1）还经D/A转换电路（14）、射频信号调理电路（16）与圆柱形光泵传感器（11）连接，所述的FPGA芯片（1）还连接有TFT液晶显示屏（17）。本实用新型可降低能耗，提高测量性能，还具有多功能的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种氦光泵磁力仪，特别是一种新型全数字氦光泵磁力仪。
背景技术
氦光泵磁力仪是以氦原子能级在磁场中的塞曼效应为基础，利用光泵作用实现氦原子的光学取向，通过光学检测磁共振的方法实现对被测磁场的测量。按照量子理论，在外磁场T中，亚稳态粒子分裂为一些磁次能级，在光谱上的表现，就是谱线分裂，这就是赛曼效应。分裂的能级间的能量差与外界磁场成正比，当粒子在分裂的能级间发生跃迁时，就会发射或吸收电磁波，其频率与磁次能级间的能量差成正比，测定这个电磁波的频率，即可测定磁场。
在应用于磁场测量的各种磁测设备中，氦光泵磁力仪因其良好的性能受到广泛关注，并已成功应用于地球物理研究、油气和矿产勘查、军事国防及地质调查等各个领域。目前，氦光泵磁力仪的升级改造较为缓慢，仪器多采用模拟和半数字化工作原理，能耗较高，功能单一，性能较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种新型全数字氦光泵磁力仪。本实用新型可降低能耗，提高测量性能，还具有多功能的特点。
本实用新型的技术方案：新型全数字氦光泵磁力仪，其特征在于：包括FPGA芯片、圆柱形光泵传感器以及与圆柱形光泵传感器连接的高频电源，圆柱形光泵传感器经输入信号调理电路、A/D转换电路与FPGA芯片连接，FPGA芯片经D/A转换电路、FM信号调理电路与圆柱 形光泵传感器连接，FPGA芯片还经D/A转换电路、射频信号调理电路与圆柱形光泵传感器连接，所述的FPGA芯片还连接有TFT液晶显示屏。
前述的新型全数字氦光泵磁力仪中，所述的圆柱形光泵传感器包括壳体，壳体内从上至下依次设有氦光源、上透镜、圆偏振器、氦室、下透镜和光敏二极管，氦室的两端设有FM线圈，氦室的两侧设有射频线圈，所述的FM线圈与FM信号调理电路连接，所述的射频线圈与射频信号调理电路连接，所述的光敏二极管与输入信号调理电路连接。
前述的新型全数字氦光泵磁力仪中，所述的FPGA芯片经CPU芯片连接有温度传感器和电源管理模块。
前述的新型全数字氦光泵磁力仪中，所述的FPGA芯片还经CPU芯片连接时钟、操作键盘、GPS模块和CANBUS总线。
前述的新型全数字氦光泵磁力仪中，所述的FPGA芯片还设有SD存储卡。
与现有技术相比，本实用新型通过将圆柱形光泵传感器、FPGA芯片及显示器巧妙的结合，大幅简化了模拟电路，减少了模拟器件产生的噪声和温漂，使得能耗降低，转向差小，实现了全数字化工作方式，FPGA芯片对数字信号进行频谱分析，有效抑制噪声，提高系统信噪比；采用FPGA芯片和高速DA构成的全数字32位射频正玄波发生器，产生射频信号锁定磁共振，使得频率分辨率可达0.004Hz，磁场分辨率达0.14PT，提高了磁测分辨力和磁测精度，实测噪声优于1PT/Hz。全数字32位射频正玄波发生器和更高调制频率的应用，大幅提高扫频效率，20000-80000nT扫描时间少于5秒，对大梯度场跟踪能力大幅提升，全球自适应不需开关。
本实用新型内置工作模式选测模块（包括连续测量、点测、计划 任务、日变等工作模式）、内置数据补偿模块、GPS模块、电源管理模块、内置锂电池、存储模块、时钟模块、TFT显示模块、数字调试接口、CANBUS通讯模块、485通讯模块等。本实用新型可采用4.3寸TFT显示屏，可同时总场模量实时曲线、磁场值、经纬度、存储状态、温度、时间、电池电压、电流、按键状态、海拔高度、工作模式等信息。操作界面友好，功能全，操作简便。
本实用新型还具有以下优点：数字调试接口能对仪器参数进行修改，方便、快捷、准确，CANBUS和485两种实时通讯接口设置。TFT液晶显示，相关信息一目了然。大容量SD卡（可采用4GB），海量存储。30键键盘功能强大。本实用新型采用一体化设计，集成度高、抗干扰能力强、功耗小、体积小、重量轻，一机多能。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的工作原理图。
附图中的标记为：1-FPGA芯片，2-高频电源，3-光源，4-上透镜，5-圆偏振器，6-FM线圈，7-射频线圈，8-下透镜，9-光敏二极管，10-氦室，11-圆柱形光泵传感器，12-输入信号调理电路，13- A/D转换电路，14-D/A转换电路，15- FM信号调理电路，16-射频信号调理电路，17-TFT液晶显示屏，18-SD存储卡，19-时钟，20-操作键盘，21- GPS模块，22-CANBUS总线，23-温度传感器，24-电源管理模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
实施例。新型全数字氦光泵磁力仪，构成如图1所示，其特征在于：包括FPGA芯片1、圆柱形光泵传感器11以及与圆柱形光泵传感器11连接的高频电源2，圆柱形光泵传感器11经输入信号调理电路12、A/D转换电路13与FPGA芯片1连接，FPGA芯片1经D/A转换电 路14、FM信号调理电路15与圆柱形光泵传感器11连接，FPGA芯片1还经D/A转换电路14、射频信号调理电路16与圆柱形光泵传感器11连接，所述的FPGA芯片1还连接有TFT液晶显示屏17。
所述的圆柱形光泵传感器11的长210mm、直径56mm、重量0.6kg。
所述的圆柱形光泵传感器11包括壳体，壳体内从上至下依次设有氦光源3、上透镜4、圆偏振器5、氦室10、下透镜8和光敏二极管9，氦室10的两端设有FM线圈6，氦室10的两侧设有射频线圈7，所述的FM线圈6与FM信号调理电路15连接，所述的射频线圈7与射频信号调理电路16连接，所述的光敏二极管9与输入信号调理电路12连接。
所述的FPGA芯片1经CPU芯片连接有温度传感器23和电源管理模块24。
所述的FPGA芯片1还经CPU芯片连接时钟19、操作键盘20、GPS模块21和CANBUS总线22。
所述的FPGA芯片1还设有SD存储卡18（可采用4GB），海量存储。
所述的A/D转换电路13可采用40MbPS采样率的16位A/D转换电路。
所述的FPGA芯片1可采用60000逻辑单元的FPGA。
本实用新型的工作原理如图2所示：圆柱形光泵传感器的工作原理：氦光源发出的波长为1083nm的氦光经透镜变为平行光，平行光通过圆偏振器（包括滤波片、线偏振器和4分之一波片）变为圆偏振光，圆偏振光射入氦室中处于亚稳态的氦原子，吸收氦光能量经过一段时间后，原本均布在亚稳态三个塞曼能及上的氦原子都集中在一个能级上，从而完成光学取向（光泵作用），此时氦光全部通过氦室，经透镜聚焦在光敏二极管上光强最强。在磁测过程中，当射频线圈所 加电流频率正好使氦室产生磁共振效应时，使完成光学取向而集中在一个能级上的氦原子重新吸收能量，重新跃迁到其他塞曼能级上，这些原子又会重新吸收圆偏振光，使通过氦室的光线减少经透镜聚焦在光敏二极管上光强最弱，此时的射频频率为磁共振频率反应外磁场大小。光泵磁力仪就是通过测量光敏原件上光强的变化，改变射频频率寻找磁共振点，使透过氦室的光强最弱，实现对磁场的跟踪和锁定。
为了使射频频率能够锁定外磁场，本实用新型采用调制信号FM，光敏二极管将光强信号变为电信号，此信号包含三种信号成分：FM、射频、高频电源频率成分。对此信号进行滤波、放大送入40MBPS 16位高速AD将信号转换成数字量。送入FPGA进行频谱分析，提取FM基频f和2f谐波信号幅值和相位，进行计算和处理后给出反馈频率送入DDS（数字波形合成器）模块，将波形数字量送入高速DA产生磁共振频率的模拟波形，经调理后送入射频线圈锁定外磁场。将射频频率转化为磁场数值，进行储存、显示。
Claims (5)
1.新型全数字氦光泵磁力仪，其特征在于：包括FPGA芯片（1）、圆柱形光泵传感器（11）以及与圆柱形光泵传感器（11）连接的高频电源（2），圆柱形光泵传感器（11）经输入信号调理电路（12）、A/D转换电路（13）与FPGA芯片（1）连接，FPGA芯片（1）经D/A转换电路（14）、FM信号调理电路（15）与圆柱形光泵传感器（11）连接，FPGA芯片（1）还经D/A转换电路（14）、射频信号调理电路（16）与圆柱形光泵传感器（11）连接，所述的FPGA芯片（1）还连接有TFT液晶显示屏（17）。
2.根据权利要求1所述的新型全数字氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的圆柱形光泵传感器（11）包括壳体，壳体内从上至下依次设有氦光源（3）、上透镜（4）、圆偏振器（5）、氦室（10）、下透镜（8）和光敏二极管（9），氦室（10）的两端设有FM线圈（6），氦室（10）的两侧设有射频线圈（7），所述的FM线圈（6）与FM信号调理电路（15）连接，所述的射频线圈（7）与射频信号调理电路（16）连接，所述的光敏二极管（9）与输入信号调理电路（12）连接。
3.根据权利要求1所述的新型全数字氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的FPGA芯片（1）经CPU芯片连接有温度传感器（23）和电源管理模块（24）。
4.根据权利要求1所述的新型全数字氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的FPGA芯片（1）还经CPU芯片连接时钟（19）、操作键盘（20）、GPS模块（21）和CANBUS总线（22）。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的新型全数字氦光泵磁力仪，其特征在于：所述的FPGA芯片（1）还设有SD存储卡（18）。
Priority Applications (1)
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| CN 201320319775 CN203259640U (zh) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | 新型全数字氦光泵磁力仪 |
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|---|---|---|---|---|
| CN103869265A (zh) * | 2014-03-26 | 2014-06-18 | 北京大学 | 用于光泵磁力仪的原子磁传感器 |
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| CN103869264A (zh) * | 2014-03-26 | 2014-06-18 | 北京大学 | 用于光泵磁力仪的原子磁传感器 |
| CN103869265B (zh) * | 2014-03-26 | 2016-04-27 | 北京大学 | 用于光泵磁力仪的原子磁传感器 |
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