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1、摘要三分量磁通门地磁场检测装置是应用磁通门传感器对地磁场进行测量的矢量检测装置。与其它类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高，测量弱磁场范围宽，体积小、重量轻、功耗低，经济性好，能够直接测量磁场的失量和适于在高速运动系统中使用等特点，被广泛应用于各种领域。本文分析了磁通门传感器的工作原理，详细论述了如何采用数字检波的方法进行信号处理.本文还介绍了三分量地磁场检测装置硬件电路的设计和单片机程序。检测装置主要由三分量磁通门传感器、单片机最小系统、A/D数据采集电路和串口电路构成。三分量磁通门传感器检测到磁场的矢量大小，输出信号经过有源滤波器和放大器处理后得到三路幅度与磁场各分量大小成正比的正弦
2、信号。A/D同时对三路信号进行4倍频采样，将两个周期的采样数据传送到单片机，然后单片机通过串行端口将数据发送到计算机，最后由计算机完成数据的处理和分析。关键词 三分量 地磁场 数字检波 数据采集 串行端口The Design of Geomagnetic Field Detection Device Based on Three-component Fluxgate SensorsAbstratThe three-component fluxgate geoamagnetic field detection device is a kind of vector detection device
3、 which can measure the geoamagnetic field directly.Compared with other instruments which can measure geomagnetic field,the fluxgate sensor has the virtue of small size,light weight, low power consumption and good economy,is used widely in different fields.This paper introduces the working principle
4、of the fluxgate sensor and the digital demodulation method in detail. The design of hardware circuit of the three-component fluxgate geomagnetic field detection device and progamming of MCU are also introduced in this paper. The detection device consists of three-component fluxgate sensors, MCU syst
5、em, A/D data acquisition circuit and com port communication circuit. The magnetic vector is detected by the three-component fluxgate sensors,signals output from the senors are processed by active filters and amplifiers.Then there are three sinusoidal signals,whose amplitude are proportional to the m
6、agnitude of geomagnetic field component. The A/D convertor produces 4 points sampling signals, and transmits data of two cycles to CPU, then CPU send the data to computer via the com port. Finally,the data is processed and analyzed by computer.Keywords three components geomagnetic field Digital demo
7、dulation Data Acquisition Com Port目录摘要1ABSTRAT21 绪论11.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义11.2 各种测磁仪器21.3 磁通门测磁仪器的研究现状52 检测装置的工作原理62.1 磁通门传感器的工作原理62.2 检测装置的工作原理82.3 地磁检测装置的主要功能123三分量磁通门地磁场检测装置的硬件电路设计123.1 前置检测电路的设计123.1.1 分频电路和信号转换电路的设计：133.1.2 驱动电路的设计：133.1.3 选频放大电路的设计：143.2 16位A/D转换器4倍频采样的硬件设计163.2.1 根据A/D采集电路
8、的设计要求选择合适的A/D：163.2.2A/D采集电路的设计：173.3 内部电源的设计184 三分量磁通门地磁场检测装置的的软件设计194.1 STC89C54RD+单片机介绍194.2A/D的软件控制204.3程序流程图214.4示例程序214.5串口发送的硬件设计235测试结果及分析245.1分频器电路测试245.2 功率驱动电路的测试255.3 信号转换电路测试255.4 带通滤波器的测试266对三分量测量的通道差异进行校正的方案设计286.1方案1：通过硬件电路的调试进行校正286.2方案2：通过软件编程对测量结果进行校正29总结30参考文献及参考资料31致谢33英文翻译34英文翻
9、译原文371 绪论1.1 研究三分量磁通门地磁场检测装置的目的和意义在介绍三分量磁通门地磁场检测装置之前，首先介绍一下它的研究目的和意义。检测装置主要是通过检测地磁场的大小来寻找铁磁性物质的。铁磁性物质中很重要的一类就是铁。我国是最早发现和使用铁的国家，同时铁也是世界上发现并使用最早的一种金属材料。世界铁资源丰富，据美国地质调查所和矿业局1996年1月的统计，世界铁矿石资源量超过8000亿吨，折合金属量超过2300亿吨。1995年世界铁矿石储量1 500亿吨、储量基础2300亿吨，折合铁金属量分别为650亿吨、1000亿吨。我国铁金属储量73.29亿吨，应在俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西之后居
10、世界第5位。截至1996年底，全国共查明铁矿产地1834处。累计探明铁矿石储量504.78亿吨，按全国铁矿石平均含铁品位33%计算，铁金属量为166.58亿吨。扣除历年开采与损失，尚保有铁矿石储量463.47亿吨，铁金属152.95亿吨。根据80年代中期地质科研部门对我国铁矿资源的预测，将全国大陆划分为17个预测区，共有有望航磁异常区1084处，预测资源潜力606亿t。其中11个预测区分布在东经105线以东地区，有望航磁异常区754处，预测资源潜力为317亿t，东部地区找矿程度较高，预测资源多以隐伏矿或盲矿体分布在已知矿带的深部和周边部。东经105线以西地区，包括6个预测区，有望航磁异常330
11、处，预测资源潜力为289亿t，西部地区找矿和研究工作程度较低或很低，尚有发现新矿区的前景。中国的铁矿资源很丰富，但铁矿石进口量却居世界第一。近年来，中国主要进口铁矿石的一些来源国不断调高铁矿石的出口价格。面对这种形势，中国自己开采铁矿的需求越来越迫切。中国铁矿资源有两个特点：一是贫矿多，贫矿出储量占总储量的80%；二是多元素共生的复合矿石较多。此外矿体复杂；有些贫铁矿床上部为赤铁矿，下部为磁铁矿。因此，开采铁矿不能漫无目的，我们需要有效的探测手段确保有价值的开采，所以地磁检测装置的研究是非常必要的。本文要介绍的基于三分量磁通门测磁法的地磁检测装置就是一种高效的测磁手段。磁通门测磁法问世后不久，
12、在第二次世界大战中就被应用于探雷、探潜等方面，战后又被广泛应用于地面磁场研究、航空磁测、地震预报研究、地下矿床勘探、生物医学研究、星际间磁测等领域。几十年来，尽管测量磁场的新方法不断涌现，磁通门传感器仍以其测量灵敏度高、坚固小巧、使用灵活、工作可靠，电路功耗低、结构简单等显著优点，被普遍应用于弱磁场测量领域。目前地磁测量所使用的测磁仪器多数是进口产品，价格昂贵，维修比较困难。基于该现状，本文主要介绍一种新型地磁检测装置。该检测装置电路简单，测量数据的处理完全数字化，操作方便，成本较低，设计模块化，并且易于维修。而且，与大多数测磁仪器相比，检测装置的功耗非常低，采用12V外部电源供电，测量数据可
13、以通过串口发送到计算机进行处理和分析，方便研究。下面先介绍一下各种测磁仪器。1.2 各种测磁仪器 测磁仪器根据采用磁敏传感器的种类分为很多种。已经被淘汰的是采用机械式磁敏传感器的机械式磁力仪；目前应用比较广泛的磁敏传感器有磁通门式磁敏传感器、质子旋进式磁敏传感器、光泵式磁敏传感器、SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器、光纤式磁敏传感器、半导体磁敏传感器；处于研究、试验阶段的测磁仪器有固体电子自旋共振磁力仪、原子磁力仪等。下面就以下几种测磁仪器做简单介绍：机械式磁力仪（mechanical magnetometer）又称作磁秤，利用一个可绕固定轴自由旋转的磁棒，其偏转角的大小与外磁场强度成比例
14、的关系来测量磁场大小。利用磁棒放置位置的不同可以分别测定垂直磁异常和水平磁异常，其相应的仪器为垂直磁秤和水平磁秤。由于是用重力矩来平衡磁力矩，所以只能测垂直（或水平）地磁场相对于一个固定点的改变值。从制造工艺上讲，要采用精度很高的设备加工机械零件和光学零件，调试过程也比较复杂。总之，无论是操作使用还是制造工艺，跟电子测磁仪器相比，都很复杂。机械式磁力仪于1991年停产，取而代之的是电子磁力仪。超导磁力仪（superconducting magnetometer, SQUID）是利用约瑟夫逊效应测量磁场的测磁仪器。测量仪器应用了超导量子干涉器。采用超导材料制成的闭合环对外磁场会产生周期效应，其磁
15、通变化与外磁场变化成正比。超导磁力仪正是利用这个原理来测量磁场的。这种仪器的灵敏度可达10-510-6纳特。可制成航空磁力梯度仪，也可用于地面磁场的研究及弱磁性岩石的磁性测定。常用在对测量精度要求高的地方，成本相对稍高一些。质子磁力仪（proton precession magnetometer）是应用质子旋进式磁敏传感器制成的测磁仪器。氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁场的作用下自旋质子将按一定方向排列，称为核子顺磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物质中才能反映出来，如某些碳氢氧化合物液体(水、酒精、甘油等)。在这些样品中质子受某强磁场激发而具有定方向排列，去掉外磁场，则质子在地磁场作用下将以同相位绕地磁场T旋进，其旋进频率f与地磁场T有以下关系：T=2.34872f，单位为纳特。当测定出频率f以后即可计算出总磁场强度T的数值。利用这种原理制成的仪器称为质子旋进式磁力仪，或称核子旋进式磁力仪。质子旋进磁力仪稳定性好。温度影响小、没有零点掉格、精度高，可观测弱磁异常工作时不必准确定向，适于在运动状态下观测。仪器灵敏度一般为0.1纳特。但这类仪器的使用要受到磁场梯度范围的
