中南大学本科毕业论文Overhauser质子磁力仪激发接收系统设计.docx
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中南大学本科毕业论文Overhauser质子磁力仪激发接收系统设计
Overhauser质子磁力仪激发与接收设计
摘要：
随着科技的发展、社会的进步，人们对于磁测量的要求也越来越高，现有的质子磁力仪已难以满足现代化测量的需要。
本文针对现有国产仪器功耗大、测量精度差、稳定性不高的问题，首先在介绍过Overhauser效应基本原理的基础上，初步设计了基于Overhauser效应的质子磁力仪，采用ARM超低功耗芯片作为主控，提升仪器性能、降低功耗，设计使用新型CPLD器件进行频率测量，给出了仪器的设计框图，说明了设计的要点。
之后重点介绍了仪器的激发接收系统设计方案，该方案使用MSP430F149单片机作为主控板，激发系统使用可控射频功率信号源作为信号激发单元，对可控射频功率信号源进行了较为详尽的介绍，给出了设计框图，介绍了各个主要部分的设计与原理，讨论了进行抗干扰设计的思路；又设计了接收系统，该系统具备信号放大与滤波功能，使用专用仪器仪表放大器进行信号放大，设计模拟电路进行了信号带通滤波获取有用信号。
在最后进行了设计的总结与展望。
关键词：
Overhauser效应；磁力仪；ARM芯片；探头激发；放大滤波
OVERHAUSERmagnetometerexcitationandreceivingpartdesign
Abstract：
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theprogressofthesociety,therequirementofmagneticmeasurementisbecominghigherandhigher.Itisdifficultfortheexistingprotonmagnetometertomeettheneedsofmodernmeasurement.Thisarticleisinviewoftheexistingdomesticinstrument’sproblems,suchasbigpowerconsumption,highmeasurementprecision,poorstability.Firstofall,onthebasisoftheintroductionofbasicprincipleofOverhausereffect,preliminarilydesignstheprotonmagnetometerbasedontheOverhausereffect.Itusesultra-lowpowerconsumptionARMchipasthemaster,whichcanimproveinstrumentperformanceandreducethepowerconsumption.ThefrequencymeasurementisdesignedtousenewCPLDdevice.Besides,thearticlegivesinstrumentdesignblockdiagram,andillustratesthemainpointsofthedesign.Afterthat,thisarticleintroducestheinstrumentofthereceivingsystem’sdesignscheme.TheschemeusesMSP430F149whichisasinglechipmicrocomputerasthemaincontrolboard.TheexcitationsystemusescontrollableRFpowersourceasthesignalexcitationunit.Itshowsamoredetailedintroductionofthecontrolledradiofrequencypowersource,givesthedesigndiagram,introducesthedesignandprincipleofeachmainpart,anddiscussesthethoughttodesignanti-interferencemeasures.Thereceivingsystemisdesignedtoo.Thesystemhasthefunctionsofsignalamplificationandfiltering.Itusesadedicatedinstrumentationamplifierforsignalamplification,anddesignsanalogsignalband-passfiltertoobtaintheusefulsignal.Atlast,itgivessummaryofthisdesignandtalksaboutsomeoutlooks.
Keywords:
Overhausereffect;Magnetometer;ARMchips;excitationoftheprobe;amplificationfilter
第一章绪论
1.1课题研究意义
随着科技的发展与进步，人们对磁场测量提出越来越高的要求，各种测磁仪
器也获得了极大的发展。
这些仪器被广泛的用于地面地磁场测量，航空地磁场测
量，海洋磁场测量，井中磁场测量，卫星磁测等各种平台。
总体而言这些应用
可以分为以下几个方面[1-5]：
1）测量局部地磁场的异常，为地质勘查，地质找矿提供依据。
这种探测主要是针对自然界中一些特殊的岩石或者是矿石。
岩石由于自身具有一定的磁性，因而会产生包含自身信息的磁场，这样就会使地磁场在局部发生变化，产生局部地磁异常。
利用这些局部异常就可以找到相应的矿体，同时还可以对这些矿体周围的地质构造进行研究。
直接利用磁法勘探也是常用的地球物理勘探方法之一，这种方法在寻找和勘探一些特殊矿产，如铁矿、铅锌矿、铜矿等的过程中效果显著，另外还可以进行地质填图。
通过测磁还可以对地震前兆、火山活动状态以及其它环境及灾害地质工作等进行监测与研究。
据调查，全世界60%的勘查工作都是由质子旋进磁力仪完成。
2）铁制军火侦测，铁桶、铁罐等铁制品埋藏物定位，管线探测。
一个非常典型的应用就是军事上的反潜，现在欧美很多国家在反潜机上都会配置磁异常检测系统，以检测潜艇在地磁场中产生的异常信号，P-3猎户反潜机安装在尾锥上的MAD磁异常侦测器。
3）人体磁场检测，主要是脑磁的测量。
脑磁测量是一种介于微观研究单神经元和宏观研究脑功能的一种新研究方法，这种方法利用脑磁成像技术，研究达到皮层内部神经群的活动。
由于这种方法对人体无害，因而发展非常有前途。
在测磁需求及其应用领域得了极大发展的同时，测磁技术也获得了飞速发展。
测磁技术在近一百年的时间里发生了巨大的变化，历经三代发展。
按照磁力仪的发展历史，以及应用的物理原理，可分为：
第一代磁力仪：
它是根据永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理，或利用感应线圈以及辅助机械装置制作的，这些磁力仪都是测量磁场相对量的仪器，并
不能测量磁场的绝对值。
第二代磁力仪：
它是根据核磁共振特征，利用高磁导率软磁合金或富含氢质子的溶液制成高灵敏度传感器进行磁场测量，如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。
第三代磁力仪：
它是根据低温量子效应原理制作的，如超导磁力仪。
本文中所研究的Overhauser磁力仪属于第二代磁力仪中的质子磁力仪，是这种磁力仪的一个分支，也是由普通的质子磁力仪改进而成。
与普通质子磁力仪相比，Overhauser磁力仪具有功耗低、精度高、稳定性能好、工作效率高等优点。
我国在能源、国家安全、医学研究方面的发展对测磁技术与测磁仪器的要求将越来越高，而目前使用最多的第二代测磁仪器中又以质子磁力仪应用最为广泛、技术最为成熟，因而研究Overhauser磁力仪对于提高我国质子磁力仪应用水平与技术实力具有相当的实际意义。
本文正是从这一角度出发，研究Overhauser磁力仪原理与关键技术。
1.2Overhauser质子磁力仪的发展与现状
帕卡德与瓦里安先后于1953年与1954年在实验室中观察到质子在地磁场中自由旋进的现象。
而布鲁姆、帕卡德与卡希尔、沃斯图等分别在1955年与1956年提出利用质子在地磁场中自由旋进现象制作磁力仪来检查地磁场。
1959年美国就已经在卫星上使用质子旋进磁力仪了[6-8]。
以Overhauser效应为基础制成的Overhauser磁力仪比普通磁力仪出现稍晚。
在欧弗豪泽（Overhauser）于1953年首次对这种效应进行研究的几年后，法国物理学家AbragamA.详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应。
之后，SolomonI.推导出了以他的姓氏命名的Solomon方程式，由这个方程式的解可以明显的看出Overhauser效应。
20世纪60年代初,AbragamA.和SolomonI.一同率先在加拿大和美国申请了关于利用Overhauser效应制造磁力仪的专利，之后的几十年中，Overhauser磁力仪得到了长足的发展。
20世纪60-70年代，法国、加拿大和苏联先后制造了Overhauser效应航空磁力仪并投入使用。
在不断的发展中OVM（Overhausereffectmagnetometer，欧弗豪泽效应磁力仪）也应用于军事方面，其中，法国反潜飞机和反潜直升机均采用OVM作为MAD（MagneticAnomalyDetection，磁异常探测）。
之前丹麦发射的Oersted磁测卫星和德国的CHAMP重、磁两用卫星，都采用了OVM测量地磁场标量，由法国LETI设计制造。
欧洲航天局（ESA）计划发射的AMPERE卫星也准备采用OVM测量地球磁场的标量。
现在市场上出现的Overhauser磁力仪主要是加拿大GEM公司生产的GSM-19系列Overhauser高精度磁力仪。
它具有小于0.022nT/√Hz的灵敏度，0.01nT的分辨率和±0.1nT的绝对精度，它的动态范围可达20000nT至120000nT。
另外，俄罗斯生产的POS系列Overhauser磁力仪也已经投入市场，它可以达到0.001nT的分辨率。
质子磁力仪未来的发展有两个方向，其一是向着高精度、低功耗发展，如Overhauser磁力仪；其二则是提高磁力仪的集成度，向便携式、多功能方向发展。
市场上在未来将会涌现出更多的Overhauser磁力仪产品。
1.3本文研究的主要内容与安排
Overhauser质子磁力仪的研究是一个大课题，其中包含了电路设计和探头设计等部分，本文主要研究的是Overhauser质子磁力仪的激发接收电路设计部分。
本文首先研究了Overhauser质子磁力仪的基本原理，研究了其基本电路结构，在了解其基本工作方式和工作参数的基础上设计了仪器的激发接收电路。
文章主要分为以下几个部分：
第二章，主要研究Overhauser质子磁力仪的基本原理，设计了磁力仪的基本结构。
第三章，主要研究了Overhauser质子磁力仪的总体设计方案，讲述了仪器主控系统的设计思路，确定了主控芯片的选型，简要提出了进行信号测量的方法，概述了其他部分的设计方法。
第四章，设计了探头信号的激发接收系统。
设计了可控射频功率信号源进行探头激发。
在接收系统中设计放大器和带通滤波器来进行信号处理，其中，通过带通滤波器进行带通滤波来保证信号的信噪比，设计多级放大器来将信号放大加以检测。
第五章，对此次设计进行了总结，并对未来仪器的发展进行了一些展望，讲述了我个人的一些想法与设计。
第六章，致谢部分，对指导老师和帮助过我的同学表示感谢。
第二章Overhauser质子磁力仪工作原理
欧弗豪泽于1953年发现了金属中的这种现象并以他的名字命名了这种效应，之后法国的物理学家AbragamA.详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应，这些为之后Overhauser质子磁力仪的研究打下了基础。
本章中主要介绍质子自旋与进动弛豫现象，讲述了Overhauser磁力仪的基本原理，研究这种效应在质子磁力仪中的应用，以及在接收线圈中的感应信号特征。
2.1质子进动原理与弛豫现象
2.1.1质子自旋与自由态
质子带正电，其拥有1/2的自旋量子数，具有自旋磁矩，在没有外场的状态下，单个质子自旋的磁矩方向不确定，整个物体不显磁性，只有当物体的质子按照统一的方向排列时才显出磁性。
质子的转动模型比较复杂，可以简单的认为是带点小球的转动。
图2.1质子自旋自由态
2.1.2质子在外场作用下的运动状态
在外场作用下，质子的运动会发生明显的变化，关于在外场作用下物质质子
的运动有两种解释，简述如下[9-10]：
第一种解释：
如图2.2所示，质子的磁矩M在有外场的作用下，绕外场旋转，构成质子的进动，这样物质的总磁矩就会在外场方向体现，这样就表现为一个总磁矩，物质就有了磁性，但是有沿着外场方向的磁矩，也有逆着外场方向的磁矩，而且这两种磁矩方向相反，大小几乎相等，所以整个物质对外还是不显磁性。
图2.2外场作用下质子自旋示意图
第二种解释：
第二种解释是从量子力学的角度加以分析的。
如之前所说，质子的自旋量子数为1/2，在外场的作用下发生能级分裂，质子的自旋磁矩分裂为两个能级：
高能级和低能级，高能级质子的磁矩方向与外场方向相反，低能级质子的磁矩方向与外场方向相同，高低能级的粒子数满足波尔兹曼分布，低能级的粒子数要稍高于高能级的粒子数，整体上物质不显磁性。
如图2.3所示。
图2.3外磁场作用下质子能级发生分裂
2.1.3质子进动弛豫过程
在外磁场消失后，质子的自旋状态会发生改变，由原来的双能级状态逐渐恢
复到原来的平衡状态，这一过程为弛豫过程，这个过程遵循指数衰减，这样过程
中又有两个子过程，一个是纵向弛豫时间，一个是横向弛豫时间，又称晶格弛豫时间，是自旋弛豫时间，这两个弛豫过程都会使物质的总磁矩衰减，最终归于平衡状态。
如果在没有外场的质子中突然加上外场，质子就会以相同的过程由原来的平衡状态变到双能级的分裂状态。
以下以氢质子为例来简述这一质子弛豫过程：
设稳定磁场为地磁场，在其垂直方向上施加射频磁场脉冲。
该脉冲被称为π/2脉冲或90°脉冲，脉冲频率等于氢质子在地磁场中的拉莫尔频率，脉冲宽度t为施加射频磁场的时间，有公式，式中，被称为扳倒角，是地磁场与M的夹角，，调整t或使，磁化强度将转向垂直地磁场的方向，此时将脉冲停止，磁化强度除了围绕射频磁场进动外，还要随旋转坐标系绕z轴旋转，这2种运动合成如图2.4所示的螺旋形运动。
图2.4磁化强度的自由进动螺旋形衰减
在90°脉冲作用后，产生了磁化强度的横向分量，磁化强度矢量M绕恒定磁场进动，由于弛豫作用磁化强度的横向分量，按指数形式随时间衰减，衰减的特征时间为，磁化强度的纵向分量随时间增长，趋向其平衡值，增长的特征时间为，称为磁化强度的自由进动衰减。
该过程被称为质子弛豫过程。
弛豫过程实际上是质子与外界交换能量的过程，在撤去外场的时候，质子通
过自旋与外界交换能量，最终回到平衡状态。
2.2Overhauser磁力仪
Overhauser磁力仪基本原理是，将带有不成对电子的特殊液体与氢原子结合并置于射频（RF）磁场之中进行极化，随之被极化的不成对电子便会将其极化信息传递给氢原子，于是就产生了进动信号。
这种进动信号对总磁场强度的变化有很高的灵敏度，特别适用于高精磁测。
与直流极化和静态极化质子磁力仪不同，overhauser磁力仪采用的是动态极化的方式。
2.2.1Overhauser效应在磁力仪中的应用
普通质子磁力仪与Overhauser磁力仪之间最大的区别在于二者的质子自旋群有偏差。
Overhauser效应是一种利用电子-质子耦合来完成质子极化的现象。
一种包含一个自由基原子（有一个自由电子的原子）的特制化学物质被添加到含有丰富质子的液体之中。
流体中的游离电子可以容易而有效地受到符合特定能级跃迁的低频射频辐射的激发。
游离电子会将其转移到临近的质子中，而不是作为辐射源重新激发这种能量。
这种质子极化的方式不需要构建一个很大的人工环境磁场。
极化时，一个Overhauser磁力仪中的质子自旋群将会遵循以下关系：
（2-1）
这里，h是普朗克常数（6.626×J·s）,是质子旋转角频率,是电子自旋角频率。
其中，是一个环境场的函数，则很大程度上依赖于Overhauser化学分子的结构。
2.2.2探头的磁场测量
Overhauser磁力仪探头传感器有两个线圈，一般是绕在盛有Overhauser溶液的玻璃容器外面[11-12]。
特殊液体存在电子自旋和质子自旋两个自旋系统，常采用具有稳定自由基的有机溶剂作为工作物质。
一个是激励线圈，与射频振荡器连接，射频频率等于工作物质中电子在地磁场的共振频率（VHF）；另一线圈是信号接收线圈，接收overhauser效应所产生的信号。
此信号频率与待测地磁场关系为
（2-2）
此式中：
T为地磁场强度，nT；f为接收信号频率，Hz；为与质子有关的常数，称为磁旋比，=（2.6751987±0.0000075）×，它不受外界因素如温度、压力、湿度的影响，并且有相当精确的测定结果。
因而，由
（2）得到，
（2-3）
由该式，可以将磁场的测量转换为探头传感器对于稳定自由基质子自旋频率的测量。
2.2.3探头中感应线圈产生感应电动势信号分析
根据2.1.3中模型，放置线圈使其轴线与y轴方向一致，由电磁学公式有
（2-4）
被磁化的研究对象通过接收线圈会产生磁通量，表示为
（2-5）
此式中，为线圈匝数，A为线圈面积。
线圈中产生的感应电动势为
（2-6）
由于式中括弧内两项之比远小于1，故忽略余弦项，得到
（2-7）
此式表示感应电动势随时间呈现周期式变化，其角频率，其大小随着时间按照指数规律衰减，被称为自由感应衰减（freeinductiondecay，缩写为FID）信号。
当一定时，感应电动势与时间呈现指数规律（图2.5）。
图2.5感应电动势随时间衰减
2.3本章小结
本章首先对质子旋进现象进行了解释，阐述了溶液中质子在自由状态下以及
在外场作用下的运动规律，给出了经典解释与量子力学解释。
在外场作用下溶液
会显示出顺磁特性，质子会在沿外场方向上显出磁性。
接着文中详细的介绍了对
溶液进行极化，在撤掉外场后，质子空间中呈现螺旋运动形势衰减。
最后给出了探头结构以及线圈中感应信号的衰减形式，从理论上研究了整个极化过程以及旋进信号特征。
第三章Overhauser质子磁力仪结构总体设计
国内现有的磁力仪大多是基于单片机进行设计，虽然其满足了功耗低、操作简便等要求，但是可扩展性较差、功能单一，已经难以满足现在越来越高的测量要求。
因此，为了使此次设计的Overhauser磁力仪具有更加完善的功能，我基于ARM进行了仪器结构的设计。
质子磁力仪由于需要在野外使用，因而功耗低、功能强、使用方便、稳定性好成为其设计所需要实现的主要目标。
其次，是否具有多样化的功能也是一台磁力仪设计是否优秀的重要参考因素。
本章中主要介绍了Overhauser磁力仪的结构设计，具体设计了每一个主要的部分，同时给出了大致的设计电路连接图作为参考。
3.1仪器总体设计
图3.1为Overhauser质子磁力仪总体设计结构框图。
图3.1Overhauser磁力仪总体结构框图
其中，主控CPU采用低功耗ARM芯片，频率测量使用新型CPLD器件设计以保证高精度测量。
仪器内建GPS模块，并扩展64M的EEPROM存储器。
仪器通过USB接口与PC相连，以进行仪器升级、数据传送等操作，同时USB接口还可以连接USB设备，如U盘、移动硬盘等进行数据转存读取。
设计存储卡接口以方便数据的存储与导出。
3.2主控CPU
在本章开头已经讲到，磁力仪主要用于野外测量，因而功能强、功耗低是磁力仪设计的一个重要标准。
因此，我选用意法半导体生产的超低功耗32位ARM处理器STM32L152RB作为主控CPU[13]。
该处理器概述见表3.1。
表3.1STM32L152RB芯片概览
型号
程序存储器
RAM
（bytes）
数据EEPROM（bytes）
A/D输入
类型
容量
STM32L152RB
FLASH
（Kbytes）
●
128
16K
4K
20×12-bit
I/O端口（大电流）
LVD级别
封装
供电电压（V）
51（51）
7
LQFP64/BGA64
1.8~3.6
串行接口
定时器功能
2xSPI,2xI²C,
3xUSART（IrDa，ISO7816），1xUSB
16-bit（IC/OC/PWM）
其他
8×16-bit（16/16/16）
SysTick，两个看门狗，RTC
特殊功能
段式LCD控制驱动器，USB，电压调节，MPU，超低功耗振荡器，硬件RTC，6种低功耗模式，2个比较器，复位系统+BOR
STM32L152RB芯片的主要性能特点如下:
●ARMCortex-M332MHz处理器
●内置128K字节闪存，16K字节RAM和4K字节EEPROM
●2个子系列：
子系列间管脚、软件和外设兼容
●与STM32F系列在引脚分布上兼容（但STM32L没有VBAT引脚）
●超低能耗：
低至185μA/DMIPS
●供电电压：
带低电压检测（BOR）时为1.8V~3.6V（在掉电时可降低至1.65V），不带低电压检测（BOR）时为1.65V~3.6V
●6种超低功耗模式：
功耗最低可达270nA
●超低功耗动态模式：
低功耗运行时功耗低至10.4μA，低功耗睡眠且有1个定时器运行时功耗低至6.1μA
●运行模式，代码从FLASH执行加动态电压调节（3种模式），经济功耗低达
230μA/MHz
●丰富的高端模拟、数字外设
●工作温度范围-40°C至+85°C
通过以上描述，显然，STM32L152RB芯片完全满足Overhauser质子磁力仪的要求，其强大的扩展性为在未来进一步提升仪器的功能提供了条件。
如有需要，完全可以为此仪器设计一WIFI或ZigBee模块，使其具有无线控制功能，方便测量。
ARM芯片强大的处理能力还能满足简单的数据处理要求。
在具有强大功能的同时，STM32L152RB芯片还具有超低的功耗，可以满足野外长时间的测量任务。
其功耗数据见表3.2。
表3.2STM32L152RB芯片功耗数据
运行模式
STM32L152RB
典型值：
1.8V25℃
典型值：
3V25℃
动态运行于FLASH（模式1，2，3）
286，265，230uA/MHz
动态运行于RAM（模式1，2，3）
270,218,186uA/MHz
运行于RAM低功耗模式
10.4uA
低功耗睡眠模式，使能一个定时器
6.1uA
使能了RTC的停止模式
1.3uA
1.6uA
没有使能RTC的停止模式
0.43uA
0.46uA
使
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