一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法
【专利摘要】本发明的一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，属于磁场强度检测的【技术领域】。优化选择配谐电容的方法有确定配谐电路系统参数、确定固定最小电容Cmin、逐次确定配谐电容的过程。本发明针对有限电容组合配谐会出现某些频点不在配谐电路带宽之内的情况，提出依据配谐电路带宽优化选择配谐电容的方法，使整个配谐电路带宽可以全覆盖系统带宽；同时针对实际电容与理想电容之间存在误差的情况，分析得到包含电容误差的电路配谐方法，解决了由于电容容值误差导致的配谐频率发射偏移，从而出现某些频率点不在电路带宽范围内的问题。本方法可实现不同测量范围对配谐电容的选择，提高后期测量信号的精度。
【专利说明】—种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁场强度检测的【技术领域】，具体涉及一种用于弱磁场测量的质子旋进磁力仪的优化选择配谐电容的方法，可解决某些频点不在配谐电路带宽内致使其信号质量变差的问题。
技术背景
[0002]质子旋进磁力仪利用氢质子在磁场中做旋进运动的原理而制成，用于测量地磁场总强度(参见参考文献 J.A.Koehler, “Proton Precession Magnetometer”, Rev2Comox, BC，Canada, November2004.)。它是一种精度较高的磁力仪,可以感知地磁场的微弱变化。自上世纪50年代以来，质子旋进磁力仪得到了迅猛发展，广泛应用于地质勘查，地震预报，日变监测等(参见参考文献刘建本.质子旋进式磁力仪在我国的发展及应用(综述KJ].国际地震动态.1982 (3).)。
[0003]质子旋进磁力仪主要由探头和主机两部分组成。探头部分有线圈和溶液(煤油、甲醇、水等)，主要用于质子的极化以及质子旋进信号的提取；主机部分分为极化系统和接收系统，主要为质子旋进激励提供能量，以及对接收得到的旋进信号进行调理(参见参考文献 W.D.S Ruhunusiri and Μ.K.Jayananda, “Construction of a ProtonMagnetometer”，Proceedings of the Technical Sessions, 2008, 24:78-85.)。本专利申请中所涉及的配谐电路处于接收系统第一级，它主要利用LC并联谐振特性对信号进行选频与放大。LC并联选频电路的特点是:在谐振中心频率上信号可以获得较高的增益，而在谐振电路带宽之外信号增益迅速下降，所以如果不能使信号正好落在配谐电路带宽之内，信号质量将得不到保证。
[0004]实际的质子旋进磁力仪所能测量的地磁场范围一般可以达到20000?90000nT，根据lamer旋进规律得到，质子自由衰减信号的频率范围为0.85?3.83kHz，所以质子旋进磁力仪均采用多种配谐电容组合的形式实现宽频配谐。中国专利CN1041222A利用配谐电容的多组合形式，提供一种自动跟踪配谐方法，满足不同需要的精确测量。然而，尽管有多个配谐电容的组合，但这些有限个配谐电容组合而成的电容容值并不连续，因此会出现某些频点不在配谐电路带宽之内的情况。在该情况下，信号质量变差，影响测量精度；另外，配谐电容的容值误差也会使配谐电路带宽、中心频率发生变化，从而导致配谐失败。但上述专利并没有分析和解决所有频点如何被配谐电路带宽全覆盖和容值误差导致配谐电路的不确定问题，以及如何具体选择配谐电容的容值。因此，针对这两个问题本发明提出一种优化选择配谐电容的方法，在考虑配谐电容容值误差的条件下，实现配谐电路带宽能够覆盖整个测量频带，从而保证待测信号的信号质量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种优化选择配谐电容的方法，可以有效解决由于电容容值误差而致使某些频点不在配谐电路带宽内，从而导致质量变差的问题，保证任意待测信号的质量，从而提高质子磁力仪的测量精度。
[0006]利用LC并联配谐电路时，通过一系列配谐电容组合的方式得到多种容值，实现不同频率信号的配谐。这些容值对应的谐振频率将测量范围划分成若干个频段，每一个频段的大小由其相邻谐振频率决定。若相邻谐振频率所对应的的带宽将其对应频段区域内的所有频点都覆盖，则从配谐电路输出信号的最小幅值不会降低_3dB以下。
[0007]首先，本发明将所有频点被配谐电路带宽全覆盖的问题转化为相邻谐振频率与带宽之间的关系，根据配谐电路带宽与谐振频率的关系，进而转化为相邻谐振频率之间的关系。其次，本发明针对实际配谐电容的容值误差导致谐振频率偏移的问题，通过理论计算与分析，给出在一定误差条件下，两个相邻谐振频率之间的约束关系，从而可以根据其中一个谐振频率得到另一个谐振频率，最终获得配谐电容的取值。
[0008]为解决本发明的技术问题，给出如下技术方案，该方法的应用条件是如图1所示的配谐电路:
[0009]一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，具体的配谐过程如下:1)确定配谐电路的系统参数，2)确定固定最小电容，3)确定配谐电路的频带全覆盖条件，4)根据实际电容误差，计算出最终匹配的谐振频率与配谐电容。
[0010]I)所述的确定配谐电路系统参数，是指确定探头电感L感值，探头内阻r阻值，匹配电阻R阻值，电容容值误差Λ C/C，系统测量频率的范围fmin~fmax。
[0011]2)所述的确定固定最小电容，是根据质子磁力仪动态测量范围，将最大测量频率fmax对应的电容值作为固定最小电容Cmin。该固定最小电容不需开关控制，直接连接于配谐电路。因此固定最小电容始终参与容值组合。针对如图1所示的配谐电路，固定最小配谐电容Cmin与最大谐振频率fmax关系如下:
[0012]Cfflin= I/((2 JIffflJ2^L) (I)
[0013]3)所述的确定配谐电路频带全覆盖条件，是指将选择配谐电容的问题转化为在全覆盖条件下相邻谐振频率之间的限制问题。即根据谐振频率与带宽的对应关系，从高谐振频率逐步递推得到相邻的低谐振频率，配谐电路带宽BW与谐振频率f的关系为:
[0014]Bff = r/2 π L+2 π Lf/R (2)
[0015]进一步分析如下:
[0016]首先建立如图2所示模型，在理想条件下配谐电路谐振频率为f1; G(^f2)，分别对应配谐电容为C1和C2(C1)C2)，Bff1, Bff2为对应的带宽。在频段(f1; f2)内，两个配谐带宽存在三种状态:①带宽有交集状态，②带宽临界状态，③带宽无交集状态。①和②状态中，所有与f2之间的频点皆处于配谐电路带宽之内，而③状态中，某些频点遗漏在配谐电路带宽之外，因此，满足相邻谐振频率的配谐电路带宽将其谐振频率点之间频点全部覆盖的条件为:
[0017]( (Bff^Bff2) /2 (3)
[0018]4)所述的根据实际电容与理想电容的误差，确定配谐电容选择的方法是指针对实际电容容值误差致使配谐频率偏移的问题，通过获得相邻谐振频点之间的约束关系，最终获得相邻电容之间的关系。进一步分析如下:
[0019]实际条件下电容容值误差Λ C/C致使谐振频率偏移，从而影响配谐。容值误差越大，谐振频率偏移程度越严重。图3为实际条件下电容容值误差AC/C致使谐振频率偏移与配谐带宽变化示意图。谐振频率偏移程度与电容容值误差AC/C的关系为:
【权利要求】
1.一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，有确定配谐电路系统参数、确定固定最小电容Cmin、逐次确定配谐电容的过程； 所述的确定配谐电路系统参数，是由接收系统中的LC并联选频电路决定的探头电感L感值、探头内阻r阻值、匹配电阻R阻值、电容容值误差AC/C和根据所测地磁场范围确定系统测量频率的范围fmin~fmax ; 所述的确定固定最小电容Cmin，是根据质子旋进磁力仪测量范围的最大值相对应的最大测量频率fmax计算固定最小电容Cmin ； 所述的逐次确定配谐电容，是以固定最小电容Cmin为基础确定相邻的配谐电容C1,再以CmiJC1为基础确定与C1相邻的配谐电容C2,以Cmin+C2为基础确定与C2相邻的配谐电容C3,…以C.+Ch为基础确定与Cp1相邻的配谐电容Ci…，直至确定到与最小测量频率fmin对应的最大配谐电容Cniax ;在配谐电路中的各配谐电容C2~Cniax是被开关控制的；具体的确定配谐电容Ci的方法是，依据公式:
2.根据权利要求1所述的优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，其特征在于，所述的确定配谐电路系统参数，探头电感L感值为17.4mH~35mH、探头内阻r阻值为5.9 Ω~.20 Ω、匹配电阻R阻值为IK Ω~IOK Ω、电容容值误差Λ C/C≤±5%、系统测量频率的范围0.85kHz~3.83kHz ;用于20000nT~90000ηΤ的地磁场测量范围。
【文档编号】G01V3/40GK103995298SQ201410250716
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月7日 优先权日:2014年6月7日
【发明者】陈曙东, 张爽, 顾玲嘉 申请人:吉林大学