CN215894915U - 一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，由温度监测器和亮度监测器构成；所述温度监测器是热敏传感器，所述热敏传感器设置于光泵磁力仪探头中氦灯和氦吸收室处，用于监测被激亮的氦灯和氦吸收室的温度；所述亮度监测器是光电转换器，所述光电转化器设置于氦吸收室和透镜后面，用于监测氦灯和氦吸收室是否被激亮，是否进行光电信号转换；本实用新型在光泵磁力仪在井中长期磁测中，增加了监测氦光泵磁力仪探头的故障诊断装置，能够有效监测氦灯和氦吸收室是否发生故障，有效的节约了诊断分析的时间，为光泵磁力仪在井中磁测提供依据，提高了光泵磁力仪探头的安全性和可靠性。
Description
技术领域
本实用新型属于磁场测量装置技术领域，具体涉及一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置。
背景技术
在地震来临的时候，地磁场一般会出现异常现象。地震的发生与地磁场的异常有很大程度的相关，因此，可以通过地磁场的异常来预报地震。由此可知，井中地磁总场磁力仪对地震的监测意义重大。
氦光泵磁力仪因其精度高、稳定性好等优势，经常应用于地磁总场测量。氦光泵磁力仪磁测原理的基础是氦原子能级在磁场中的塞曼效应，测磁的依据是磁共振作用与光泵作用。其中，光泵作用是根据光照射后获得原子粒子数分布的变化，而磁共振作用发展于磁偶极子在外部磁场上的运动。
一般来说，氦原子表现为无磁性，在磁矩上为零，不可以直接进行使用。当氦气中发生高频放电时，若此时环境处在低气压、高纯度的状态，在经过受激跃迁和自发跃迁，氦原子处于亚稳态，此时氦原子就具有了磁性。如果原子能级发生塞曼分裂，此时就将有磁性的氦原子放在被测外磁场，那么就分裂成了3个塞曼次能级，且能级间距相等，其大小与外磁场成正比。氦灯产生光线，经光学组件后变成圆偏振光，氦室中的亚稳态氦原子吸收D线，按照选择定则跃迁至高能级上，然后又以等概率自发跃迁回到亚稳态各个次能级上去，如图3所示，此过程透过氦室的光线逐渐变弱；经一段时间后，原子富集在某一次能级上，光泵作用的效果使氦原子磁矩达到定向排列，透过氦室的光强变强。以上就是在氦灯和氦吸收室发生的内部反应，可知，光泵磁力仪探头中氦灯和氦室十分重要。
当仅激亮氦灯，不激亮氦吸收室时，光敏电压为U1；当同时激亮氦灯和氦吸收室时，光敏电压为U2，此时吸收比定义为：
吸收比可以反映出氦室吸收D线的程度，用于衡量光泵作用的强弱。
磁共振作用是再加一与光轴垂直的射频场，当电磁波频率等于次能级辐射频率时，氦原子能级间发生受激跃迁，氦室中的氦原子再次吸收D线，最终在各个能级的原子数目达到均衡。
当吸收室中的亚稳态氦原子时，可以得到氦光泵磁力仪的磁测原理：
B0(nT)＝0.0356843f(HZ) (3)
其中：γ＝28.02356，是氦原子的旋磁比，B0是外磁场。由公式可以看出，频率f与外磁场B0成正比关系。因此，只要知道磁共振时射频磁场的频率f，即可求得外磁场B0，氦光泵磁力仪也是如此对地磁场进行测量的。
氦光泵磁力仪在井中长期监测地磁场的过程中，氦灯和氦吸收室会发生激不亮的情况，而氦灯和氦吸收室能被激亮是光泵磁力仪获得信号的重要条件。由于氦灯和氦吸收室固定在仪器装置内部，仪器发生故障，无法对仪器探头骨架进行拆卸进行诊断，而氦灯激不亮或氦吸收室出现故障是经常会发生的。因此，一旦氦光泵磁力仪发生了故障，首先要判断氦灯和氦吸收室是否出现了问题。
发明内容
本实用新型的目的就在于提供一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，以解决当井中氦光泵发生故障时，判断探头内部氦灯和氦吸收室是否发生故障的问题。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，由多个热敏传感器和1个光电转换器构成；
所述每个热敏传感器设置于氦灯和氦吸收室处，用于监测氦灯和氦吸收室的温度，包括1个热敏电阻、1个电容和1个比较器；其中，所述热敏电阻一端与比较器相连，另一端接地；所述比较器经电容与地相连；
所述光电转换器包括1个光电二极管和一个运算放大器组成；其中，所述运算放大器并联1个电容和电阻，光电二极管正端串联1个电阻与运算放大器的负端相连，光电二极管负端与运算放大器正端相连，光电二极管和运算放大器之间分别并联2个电容和2个电阻；所述光电二极管设置于氦吸收室和透镜后面，用于监测氦灯和氦吸收室是否被激亮，进行光电信号转换；
所述热敏传感器和光电转换器分别通过电线与光泵磁力仪的采集部分相连，然后采集部分与上位机相连，通过上位机进行显示。
进一步地，所述热敏传感器为2个，分别固定于磁力仪探头外壳上。
进一步地，所述热敏电阻一端与比较器的引脚Ⅲ3相连，且引脚Ⅲ3串联1个10k电阻后与电源相连。
进一步地，所述比较器的引脚Ⅱ2与可调电阻相连。
进一步地，所述比较器的引脚Ⅷ8经过104电容与地相连。
进一步地，所述光电转换器处于氦吸收室和透镜后面，与磁力仪探头外壳固定。
进一步地，所述运算放大器并联1个104电容和1个10k电阻。
进一步地，所述光电二极管和运算放大器之间分别并联1个450pF电容、2个10k电阻和1个2pF电容。
进一步地，所述光电二极管接受氦灯和氦吸收室的光照后，携带能量的光子进入光电二极管的PN结，能够经过电阻转换成电压信号。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型在光泵磁力仪在井中长期磁测中，增加了监测光泵磁力仪探头的故障诊断装置，能够有效监测氦灯和氦吸收室是否发生故障，有效的节约了诊断分析的时间，为光泵磁力仪在井中磁测提供依据，提高了光泵磁力仪探头的安全性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1光泵磁力仪探头组成的结构示意图；
图2光泵磁力仪整体磁测系统的结构示意图；
图3能级跃迁示意图；
图4热敏传感器各部件电连接关系示意图；
图5光电转换器各部件电连接关系示意图。
图中，1.引脚Ⅰ2.引脚Ⅱ3.引脚Ⅲ4.引脚Ⅳ5.引脚Ⅴ6.引脚Ⅵ7.引脚Ⅶ8.引脚Ⅷ。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步说明：
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，由2个热敏传感器和1个光电转换器构成；
所述热敏传感器由1个热敏电阻、2个电阻、1个电容和1个比较器组成；所述热敏电阻器和比较器的引脚Ⅲ3相连，另一端接地，另外，比较器引脚Ⅲ3串联一个10k电阻与电源相连；所述比较器引脚Ⅱ2与可调电阻相连；所述比较器引脚Ⅷ8经过104电容与地相连；所述热敏电阻的电阻值会随着温度的变化而改变，若比较器引脚Ⅱ2处电压高于引脚Ⅲ3处电压，则输出高电平，反之则输出低电平；所述2个热敏电阻设置于氦灯和氦吸收室处，用于监测氦灯和氦吸收室的温度。
所述光电转换器由1个光电二极管、4个电阻、3个电容和1个运算放大器组成；所述运算放大器并联1个104电容和1个10k电阻；所述光电二极管正端串联一个电阻与运算放大器的负端相连；所述的光电二极管负端与运算放大器正端相连；所述光电二极管和运算放大器之间分别并联1个450pF电容、2个10k电阻和1个2pF电容；所述光电二极管接受氦灯和氦吸收室的光照后，携带能量的光子进入光电二极管的PN结，使其能够在反向电压作用下发生漂移，因此反向电流迅速增大，产生较强的光电流，经过电阻转换成电压信号；所述光电二极管设置于氦吸收室和透镜后面，用于监测氦灯和氦吸收室是否被激亮，进行光电信号转换；
所述热敏传感器和光电转换器分别通过电线与光泵磁力仪的采集部分相连，然后采集部分与上位机相连，通过上位机进行显示。
实施例
如图4-图5所示，本实用新型一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，由2个热敏传感器和1个光电转换器构成；
所述热敏传感器由1个热敏电阻、2个电阻、1个电容和1个比较器组成；热敏电阻器和比较器的引脚Ⅲ3相连，另一端接地。另外，比较器引脚Ⅲ3串联一个10k电阻与电源相连；比较器引脚Ⅱ2与可调电阻相连；比较器引脚Ⅷ8经过104电容与地相连；热敏电阻的电阻值会随着温度的变化而改变，比较器若引脚Ⅱ2处电压高于引脚Ⅲ3处电压，则输出高电平，反之则输出低电平。
所述热敏电阻对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。如正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大。不同的温度下阻值产生对应电压，经过比较器进行比较，输出不同的高低电平。所述2个热敏传感器设置在氦灯和氦吸收室处，分别与磁力仪探头外壳进行固定。所述光电转换器主要是光电二极管，光电二极管有光导和光伏两种工作模式，本实用新型采用光伏模式，当光电二极管正向偏置，此时，光电二极管会产生等效输出电压，输出的线性度较好，并且没有暗电流。
所述光电转换器由1个光电二极管、4个电阻、3个电容和1个运算放大器组成；运算放大器并联1个104电容和1个10k电阻；光电二极管正端串联1个电阻与运算放大器的负端相连；光电二极管负端与运算放大器正端相连；光电二极管和运算放大器之间分别并联1个450pF电容、2个10k电阻和1个2pF电容。光电二极管接受氦灯和氦吸收室的光照后，携带能量的光子进入光电二极管的PN结，使其能够在反向电压作用下发生漂移，因此反向电流迅速增大，产生较强的光电流，经过电阻转换成电压信号，为了避免振荡，在电阻上并联了一个电容。
光电二极管串联电阻Ru是10k；另外，与光电二极管并联的暗电阻R1是10k；结电容C1是450pF；对地电阻R2是10k和对地电容C2是2pF。运算放大器并联电阻R3是20k，为了避免振荡，在并联电阻上又并联一个104电容。光电流经过反馈电阻转换成电压信号Vo。设光电二极管光敏度为A，接收的光照强度为P，根据运算放大区的“虚地”原则可知，Vo＝PAR3，可知，光电转换电路输出电压与光照强度成正比。
所述光电转换器设置于氦吸收室和透镜的后面，与磁力仪探头外壳进行固定。
氦灯和氦吸收室的故障特征表现为：
以下出现的确定的电压和温度，都是在特定情况下，才能得到相对应的值。另外需要补充的是，如果当氦灯和氦吸收室都被激亮，由亮度监测器就监测不出是否出现故障，由公式(1)可知，通过仅激亮氦灯和同时激亮氦灯和氦吸收室，可计算出吸收比的确定值，来判断此时氦灯和氦吸收室内的氦气体是否存在泄漏或者不合格。
若氦灯和氦吸收室的都发生故障，光电转换输出端电压为0V，氦灯和氦吸收室温度是环境温度，其他几种情况也能监测出；从吸收比的值，也可以判断即使当氦灯和氦室都被激亮，如果吸收比不对，此时也认定为是光泵磁力仪探头存在故障。
具体如下表体现：
因此，通过热敏传感器可以监测氦灯和氦吸收室的温度，从光电转换器可以监测出氦灯和氦吸收室是否被激亮，再结合吸收比的值，可以判断氦光泵磁力仪探头即使被激亮，光电转换器能监测出电压信号，是否依然出现了故障。依据以上特征，在安装好监测井中光泵磁力仪故障诊断装置后，首先可以判断氦光泵磁力仪是否发生故障，进而可以判断出磁力仪探头中氦灯和吸收室是否发生了故障。
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：由多个热敏传感器和1个光电转换器构成；
所述每个热敏传感器设置于氦灯和氦吸收室处，用于监测氦灯和氦吸收室的温度，包括1个热敏电阻、1个电容和1个比较器；其中，所述热敏电阻一端与比较器相连，另一端接地；所述比较器经电容与地相连；
所述光电转换器包括1个光电二极管和一个运算放大器组成；其中，所述运算放大器并联1个电容和电阻，光电二极管正端串联1个电阻与运算放大器的负端相连，光电二极管负端与运算放大器正端相连，光电二极管和运算放大器之间分别并联2个电容和2个电阻；所述光电二极管设置于氦吸收室和透镜后面，用于监测氦灯和氦吸收室是否被激亮，进行光电信号转换；
所述热敏传感器和光电转换器分别通过电线与光泵磁力仪的采集部分相连，然后采集部分与上位机相连，通过上位机进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述热敏传感器为2个，分别固定于磁力仪探头外壳上。
3.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述热敏电阻一端与比较器的引脚Ⅲ(3)相连，且引脚Ⅲ(3)串联1个10k电阻后与电源相连。
4.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述比较器的引脚Ⅱ(2)与可调电阻相连。
5.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述比较器的引脚Ⅷ(8)经过104电容与地相连。
6.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述光电转换器处于氦吸收室和透镜后面，与磁力仪探头外壳固定。
7.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述运算放大器并联1个104电容和1个10k电阻。
8.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述光电二极管和运算放大器之间分别并联1个450pF电容、2个10k电阻和1个2pF电容。
9.根据权利要求1所述的一种氦光泵磁力仪探头故障的诊断装置，其特征在于：所述光电二极管接受氦灯和氦吸收室的光照后，携带能量的光子进入光电二极管的PN结，能够经过电阻转换成电压信号。
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