[发明专利]一种数字式快速跟踪氦光泵磁力仪

说明书

技术领域

本发明涉及磁力勘探领域，具体而言，本发明涉及一种数字式快速跟踪氦光泵磁力仪。

背景技术

磁力勘探对于地球物理研究、军事国防、宇宙探测、矿藏探测等领域具有重要意义，磁力勘探技术从上世纪发展至今，经历了由简单到复杂，由简单机械式原理到现代电子技术的过程。

磁力勘探系统按其内部结构及工作原理，大体上可分为：

1)机械式磁力仪：如悬丝式磁力仪，利用悬吊在悬丝中央的磁棒受到磁场垂直强度力、重力和悬丝扭力的力矩作用，测量磁场大小，其原理简单，操作容易。

2)电子式磁力仪，如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等，利用探头传感器将磁场强度转换为电信号，结合现代电子技术对电信号处理、反馈和显示，其速度和精度较机械式有很大提高，读数也很方便。

磁力勘探系统的主要指标有灵敏度、精密度、准确度、稳定度、测程范围等。

灵敏度是指磁力勘探系统能测出的磁场最小变化量（敏感度），也可称作为分辨率；精密度是衡量仪器重复性的指标，是指仪器自身测定磁场所能达到的最小可能值，由一组测定值与平均值的平均偏差表示，也叫做自身重复精度；准确度是指仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。

除上述指标外，还因综合考虑勘探系统的功耗、体积、成本等。

氦光泵磁力仪是20世纪50年代发展起来的一种具有高灵敏度的磁测设备，是以元素的原子能级在磁场中产生塞曼效应为基础，利用光泵作用和磁共振技术研制而成的。氦光泵磁力仪是继质子磁力仪之后的高灵敏度磁勘探系统，既可用来测量磁场总量，也可测量磁场梯度，测量时无零点漂移，不需严格定向，测量时只需磁测探头与磁场方向大致平行。

当今广泛投入使用的氦光泵磁力仪从电路结构上来分主要有两类，一类是基于模拟电路的勘探系统，其测量速度快，但稳定性和精度不高，另一类是基于单片机控制的勘探系统，具有较高稳定性和高精度，但由于采用软件逐点扫描共振频率，其测量速度较慢。随着现代军事技术、矿藏探测等领域对磁场测量的精度、稳定性和速度等指标的要求，现有的磁勘探系统已不能满足要求。在这种情况下，设计一种新型的氦光泵磁力仪具有很大的商业价值，能同时兼顾模拟式磁力仪高速测量的特性，和基于单片机控制的磁力仪的稳定性和高精度。

现有最新的模拟式氦光磁力仪又分为自激式和跟踪式两种结构，与本发明相关的技术是跟踪式氦光泵磁力仪，其结构及测量原理如图1所示，

如图1所示，跟踪式氦光泵磁力仪主要由a：探头11，用于检测磁场并返回电信号，供后级检测回路处理；b：由选频放大电路12，相敏检波电路13，积分电路19，压控振荡器16等构成的检测回路，用于处理探头11输出的电信号，和锁定磁场的变化实现自动跟踪测量；倍频电路17，频率计数器18，用于当系统稳定时，只需测量出压控振荡器16的中心频率，根据下述公式可计算出磁场大小：

T(nT)=0.0356843f(HZ)

现有的最新的跟踪式氦光磁力仪，由于采用模拟电路构成硬件闭环测量系统，其测量速度很快。但模拟电路的缺点是，稳定性差，容易受温度、电源纹波等因数的影响，很难做到高精度测量。且由于勘探系统的信号检测回路采用分立元件实现，此类型磁力仪体积庞大，功耗高，成本高，设备安装调试与升级困难。整个系统磁测范围不广，当磁场变化较大，自动跟踪测量系统容易失锁。

现有技术中最新的一种氦光泵磁力仪，是如图2所示的基于单片机控制的勘探系统。

如图2所示，探头输出信号。单片机通过总线控制直接数字频率合成器DDS24输出信号的频率，输出信号经功率推动激励探头传感器21，传感器输出直流电压，经过处理和AD采样后，转换为数字信号再反馈回单片机23。单片机23根据测得的直流电压逐步调制DDS 24信号的频率，当调制到某频率点的DDS 24输出信号使得探头内部发生磁共振，此时单片机23测得的探头输出直流电压最小。根据上述公式，利用此时信号的频率，即可算出磁场大小。频率扫描步进越小，可获得精度越高的测量结果。

此类型的磁勘探系统，采用单片机控制整个系统的测量和跟踪，最佳频率点需要扫描确定，而且还需要设计很好的扫描算法，否则还可能导致失锁，加上单片机本身工作频率低，无法并行处理，所以一次完整的测量结果需要很长的时间，不能适用于高速移动的测量场合，测量精度差，不能快速自动跟踪，属于不可靠，性能差的实现方式。

发明内容