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1、中南大学学士学位论文目录摘要3Abstract4第一章绪论51.1 课题研究意义51.2 Overhauser质子磁力仪的发展与现状61.3 本文研究的主要内容与安排6第二章Overhauser质子磁力仪工作原理82.1 质子进动原理与弛豫现象82.1.1 质子自旋与自由态82.1.2 质子在外场作用下的运动状态82.1.3 质子进动弛豫过程92.2 Overhauser磁力仪102.2.1 Overhauser效应在磁力仪中的应用102.2.2 探头的磁场测量112.2.3 探头中感应线圈产生感应电动势信号分析112.3 本章小结12第三章Overhauser质子磁力仪结构总体设计133.1
2、 仪器总体设计133.2 主控CPU143.3 信号测量153.3.1 探头配谐153.3.2 信号放大163.3.3 频率测量163.4 其他电路设计173.5 软件开发设计173.6 本章小结17第四章激发接收系统设计184.1 激发接收系统整体设计184.1.1 总体设计184.1.2 系统工作过程184.1.3 主控系统设计简述194.1.4 激发电路的设计概要194.1.5 接收电路的设计概要194.2 可控射频功率信号源204.2.1 设计概述204.2.2 MSP430F149单片机简述214.2.3 DDS214.2.4 椭圆低通滤波器224.2.5 射频功放电路244.2.6
3、 射频功率控制电路254.2.7 抗干扰设计概要264.3 检波放大系统274.3.1 设计概述274.3.2 运算放大电路284.3.3 滤波电路294.4 本章小结31第五章设计总结与展望32参考文献33致谢34Overhauser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
4、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 OVERHAUSER magnetomet
5、er excitation and receiving part design Abstract：With the development of science and technology, the progress of the society, the requirement of magnetic measurement is becoming higher and higher. It is difficult for the existing proton magnetometer to meet the needs of modern measurement. This arti
6、cle is in view of the existing domestic instruments problems, such as big power consumption, high measurement precision, poor stability. First of all, on the basis of the introduction of basic principle of Overhauser effect, preliminarily designs the proton magnetometer based on the Overhauser effec
7、t. It uses ultra-low power consumption ARM chip as the master, which can improve instrument performance and reduce the power consumption. The frequency measurement is designed to use new CPLD device. Besides, the article gives instrument design block diagram, and illustrates the main points of the d
8、esign. After that, this article introduces the instrument of the receiving systems design scheme. The scheme uses MSP430F149 which is a single chip microcomputer as the main control board. The excitation system uses controllable RF power source as the signal excitation unit. It shows a more detailed
9、 introduction of the controlled radio frequency power source, gives the design diagram, introduces the design and principle of each main part, and discusses the thought to design anti-interference measures. The receiving system is designed too. The system has the functions of signal amplification an
10、d filtering. It uses a dedicated instrumentation amplifier for signal amplification, and designs analog signal band-pass filter to obtain the useful signal. At last, it gives summary of this design and talks about some outlooks. Key words: Overhauser effect; Magnetometer; ARM chips; excitation of th
11、e probe; amplification filter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
12、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
13、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
14、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Overhaus
15、er磁力仪原理与关键技术。1.2 Overhauser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Abragam A.详细研究了非金属和顺磁性溶液中的Overhauser效应。之后，Solomon I.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,Abragam A.和Solomon I.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，
