质子磁力仪研制软硬件注意事项

        质子旋进磁力仪的工作原理是在受到激励场激励氢核（质子）后，质子极化，当激励场去掉后，氢核（质子）会在地磁场的作用下，产生一个以地磁场方向为轴的旋进，其旋进信号的频率与地磁场强度之间有着固定关系，从而地磁场强度的测量即转化为质子旋进信号的频率测量。质子旋进磁力仪原理简单，仪器体积较小、精度较高、性能可靠、适中的价格，在安全检查、工程调查、铁质管道检查、钻井井位，以及在传统的应用领域——地质调查、油气和矿产勘查等各个方面的应用越来越广泛。国内外专家纷纷研制自己的质子磁力仪。

      在质子磁力仪装备研制的过程中，由于质子旋进信号弱，受外接干扰严重，因此对于软硬件均需非常高的要求，现对在制作过程中的比较重要的软硬件注意事项归纳总结。

一、硬件设计

1、电源。电源在整个系统重非常重要，由于质子旋进信号弱且对电磁干扰非常敏感，因此电源设计时第一确保极低的纹波，推荐使用LDO，如LT1762可调型LDO，慎用开关型电源芯片。研制时哪怕有一丁点的波动与干扰，对结果影响都非常大。

2、信号放大。由于质子旋进信号非常微弱，低于uV级，因此为了能够准备提取旋进频率，需将旋进信号进行可靠方法，一般需要放大10万~100万倍，因此对于放大电路要求极高。第一级需要用到自噪声极低的金属放大管，如2N6550，且各放大器均有极低的自噪声，否则直接掩盖有效信号。

3、自动调谐。在整个地球范围内，每个区域根据不同磁场都有旋进频率范围，且频率范围比较宽，为保证信号可靠，需针对不同的频率进行带宽限制，因此就需要自动调谐电路设计。调谐为最普通的阻容滤波电路，分为多个电容档位，根据不同挡位组合成不同的带宽，一般设计为8档控制，可组成256种滤波带宽。

4、锁相环电路。由于旋进时所产生的频率信号，受外部干扰，且信号弱，经过放大的信号其相位即为不稳，产生钟摆效应，因此需有锁相环电路，不建议使用数字锁相环，速度太慢。根据锁相环，根据实际频率范围，限制最佳锁定频率，且锁相环具有带宽限制。锁相后所输出频率相位将基本稳定，可用于后续频率测量。

5、等精度测频。为提高测量精度，需用等精度测频。为提升等精度测频的同步性，最好使用CPLD或者FPGA来测频，当然高性能MCU也可。

6、晶振选择。为了精确测量频率，需要提供高精度温补晶振，可使用高性能授时GPS模块所提供的VCTCXO时钟，也可单独使用VCTCXO晶振。

7、极化电路。极化电路为对线圈探头极化，其主要注意为电流大小，电流太大探头发热严重，太小极化效果差，信号弱。

二、软件设计

1、自动调谐算法。在无法确定外部磁场旋进频率的情况下，需要快速获知旋进频率，之后再调整电容档位进行调谐。主要的算法为提取频谱信息，可先测天然场频谱，再测极化后频谱，两者进行对比，提取最大信号频率值，即为实际旋进频率。

2、等精度测频。这个网上有众多的软件代码，可去借鉴，测频精度需达到0.000001Hz。

三、总结