Изучение устройства и принципа действия протонных магнитометров (типа МИНИМАГ)
Цель работы:Изучить теорию и принцип действия протонных (ядерно-прецессионных) магнитометров
Принцип ядерной прецессии
Принцип свободной ядерной прецессии основан на использовании частоты прецессии протонов вокруг силовых линий магнитного поля с напряженностью этого поля. На этом принципе работают протонные геомагнитометры. Сущность явления можно объяснить следующим образом. Протоны обладают механическим моментом количества движения (спином) Р и магнитным моментом µ.Находясь в магнитном поле Т, они будут стремиться занять определенную ориентировку по отношению к вектору его напряженности. В результате они примут участие в сложном движении, а именно - будут вращаться вокруг своей оси, а сама ось будет описывать некоторую, в простейшем случае, конечную поверхность вокруг линии магнитного поля. Такое движение принято называть прецессией. Частота свободной прецессии ƒ (в Гц) определяется соотношением Лармора:
,
где g - гиромагнитное отношение, определяемое отношением 
.
Частоту ƒ называют резонансной. Отсюда следует, что по частоте ƒ при известном гиромагнитном отношении можно судить о напряженности магнитного поля. Поскольку отношение для протонов, как и для ядер любого другого изотопа, является атомной константой и не зависит от многих, обычно мешающих влияний среды (температуры, давления, влажности), результат измерения определяется только величиной поля, и измерения характеризуется высокой точностью.
|
|
|
Для выявления процессии и определения частоты ƒ создают дополнительные условия. В простейшем случае вещество, богатое протонами, например водный раствор спирта, поляризуется, то есть подвергает действию внешнего магнитного поля Н, не совпадающего по направлению с измеряемым полем Т, наибольший эффект будет при 
При быстром снятии поля Н прецессия многих протонов будет происходить в течении некоторого времени (первых секунд) примерно в одной фазе. В это время в катушке, окружающей вещество, будет наводиться э.д.с. той же частоты. Таким образом, частоту ƒ можно определить непосредственно, измерением его при помощи частотомера.Протонные геомагнитометры предназначены для измерения модуля полного вектора напряженности геомагнитного поля. При измерениях, используется связь частоты свободной прецессии ƒ протонов вокруг силовых линий геомагнитного поля с модулем вектора напряжённости этого поля Т. Эта связь, выражается уравнением:
.
Гиромагнитное отношение является известной величиной. В связи сэтим частота ƒ может быть использована в качестве меры Т.
Назначение и принцип действия магнитометра МИНИМАГ
|
|
|
Принятые в лабораторной работе сокращения:
ПП - преобразователь первичный,
БВС - блок возбуждения сигнала,
МИП - магнитоизмерительный преобразователь,
ГВЧ - генератор высокой частоты,
ФС - формирователь сигнала,
ПУ - пульт управления
МУ - модуль управления,
S - среднеквадратическое отклонение,
НЧ - низкая частота,
ДПЯ - динамическая поляризация ядер,
Т - модуль геомагнитного поля.
МИНИМАГ - портативная модель одноканального протонного магнитометра с упрощенной схемой управления, предназначенная для широкого производственного применения при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. Его можно также использовать в качестве автономной магнитовариационной станции (МВС) с программируемым циклом работы при максимальном быстродействии - 1 измерение в 2 секунды.
Несмотря на малые габариты прибора, он обладает достаточно высокими метрологическими характеристиками, обеспечивающими реализацию высокоточных магнитных съемок. В его основу положена современная идеология построения полевых магнитоизмерительных приборов, связанная с использованием микропроцессорной системы управления и накоплением цифровой информации в память.
|
|
|
- Портативный протонный магнитометр МИНИМАГ предназначен для измерения модуля геомагнитного поля (Т) при выполнении наземных магниторазведочных работ.
- Отличительная особенность этого магнитометра состоит в том, что каждому измерению присваиваться порядковый номер, по которому он будет привязываться к пункту наблюдения на местности. Это позволило упростить схему и конструкцию этого магнитометра и тем самым улучшить его основные эксплуатационные параметры – надежность, массу, габариты и энергопотребление, а также существенно понизить требования к квалификации оператора.
- Магнитометр может быть использован для записи вариаций значения модуля индукции магнитного поля Земли.
- Результаты измерений (значение магнитного поля, время и порядковый номер измерения) магнитометр накапливает в памяти. Емкость памяти магнитометра рассчитана на хранение порядка 62000. рядовых наблюдений при выполнении съемочных работ и порядка 125000 измерений при работе в режиме МВС.
Для измерения геомагнитного поля в магнитометре используется явление свободной прецессии протонов рабочего вещества, поляризация которого осуществляется на основе эффекта Оверхаузера.
|
|
|
Каждый цикл измерения состоит из двух тактов.
1й такт — поляризация — на рабочее вещество первичного преобразователя (ПП) воздействует постоянное и высокочастотное магнитные поля так, что оси вращения протонов разворачиваются преимущественно перпендикулярно вектору индукции магнитного поля Земли.
2й такт — измерение — поляризация выключается и начинается свободная прецессия протонов вокруг вектора магнитного поля Земли. В НЧ-катушках ПП возникает ЭДС сигнала в форме затухающей синусоиды, частота которой пропорциональна индукции магнитного поля Земли:
; (4.6)
где:
F - частота сигнала прецессии,
Т - индукция магнитного поля,
g - гиромагнитное отношение протонов.
Если F - Гц, В - нТл, то g = 23,487189 нТл/Гц.
В блоке возбуждения сигнала (БВС) производится усиление сигнала, а в пульте управления (ПУ) производится измерение частоты сигнала прецессии и пересчёт её в значение магнитной индукции.
Технические характеристики магнитометра:
- Диапазон измерения модуля магнитной индукции — (20000 – 100000) нТл с погрешностью отсчитывания 0,01 нТл.
- Предел основной систематической погрешности измерения модуля магнитной индукции во всём диапазоне не более ±2 нТл .
- Предел средней квадратической погрешности магнитометра (S) при измерении магнитной индукции не превышает 0,03 нТл в диапазоне от 30000 до 100000 нТл и 0,09 нТл в диапазоне от 20000 до 30000 нТл.
- Среднеквадратичный уровень шума не более 0,1 нТл
- Магнитометр имеет режим ручного управления и режим автоматических измерений с программируемым циклом работы от 2 c до 24 часов с шагом 1 с; время одного измерения не более 2 с.
- Время установления рабочего режима магнитометра — не более 5 мин.
- Погрешность хода внутренних часов — не более 1 с за сутки.
- Магнитометр питается от внешнего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи) напряжением (13±2) В; изменение показания магнитометра при изменении напряжения источника питания от 11 В до 15 В не более ±0,2 нТл; средняя потребляемая мощность при периодичности измерений 10 с - не более 1,0 Вт.
В памяти магнитометра хранится следующая информация:
- значение магнитной индукции в каждой точке измерения, сопровождаемое параметром достоверности измерения (Д)*;
- порядковый номер измерения;
- время каждого измерения;
- служебная информация, введённая оператором (дата, номер участка, начальный номер).
- емкость памяти обеспечивает регистрацию порядка 62000 измерений в режиме пешеходной съёмки и не менее 125000 измерений в режиме записи вариаций.
Масса рабочего комплекта – не более 5,0 кг.
* Д – условный параметр, характеризующий разброс периода сигнала прецессии или соотношение сигнал/ шум; выражается в цифрах от 0 до 9 (при Д от 0 до 2 – сигнал нормальный, при Д от 3 до 8 – сигнал ухудшенный, при Д=9 – сигнал отсутствует).
Устройство и функционирование магнитометра
Магнитометр состоит из трёх основных блоков: магнитоизмерительного преобразователя (МИП), включающего в себя преобразователь первичный (ПП) с блоком возбуждения сигнала (БВС); пульта управления (ПУ); аккумуляторного источника питания. Структурная схема МИП представлена на рисунке 5.1
 |
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 5.1 – Преобразователь магнитоизмерительный (МИП)
ПП предназначен для получения сигнала свободной прецессии протонов рабочего вещества, помещённого в измеряемое магнитное поле.
ПП содержит стеклянную ампулу с рабочим веществом, установленную в высокочастотном контуре (ВЧ‑КОНТУР). Поверх ВЧ- контура расположены низкочастотные катушки (НЧ-КАТУШКИ). Во время поляризации в НЧ - КАТУШКИ подаётся небольшой постоянный ток подмагничивания, а в ВЧ - контур - высокочастотная энергия. После выключения поляризации в НЧ- катушках возникает ЭДС сигнала в виде затухающей синусоиды.
БВС состоит из генератора ВЧ и платы формирователя сигнала (ФС). Последний содержит узел коммутации, блок подстроечных конденсаторов и усилитель сигнала. Блок конденсаторов образует с НЧ - катушками ПП последовательный колебательный контур, настроенный на частоту сигнала. Настройку осуществляет процессор по предыдущему результату измерения. Сигнал прецессии усиливается и подаётся на пульт управления (ПУ) для измерения. Генератор ВЧ во время поляризации генерирует ВЧ энергию. Переключение узлов БВС на поляризацию и на измерение осуществляется узлом коммутации.
Основу ПУ (рисунок 5.2) составляет модуль управления (МУ), где в качестве процессора применена однокристальная микроЭВМ. Последняя содержат на одном кристалле собственно процессор, оперативную память, память программ, таймеры-счетчики, компаратор. Они производят все операции по обработке и пересылке информации.
Рисунок 5.2 – Пульт управления (ПУ)
Сигнал в виде затухающей синусоиды от БВС поступают на входной формирователь модуля управления, где преобразуется в прямоугольные импульсы, поступающие на таймеры- счетчики процессора. С помощью таймеров - счетчиков процессор вычисляет средние значения частоты сигнала, затем пересчитывает его в единицы магнитной индукции. Результаты измерения поля, а так же время в момент измерения и порядковый номер кадра процессор записывает в память.
Тактовая частота для процессора поступает от опорного термокомпенсированного генератора 5МГц, обладающего стабильностью не хуже 2ּ10—6. Результаты измерений и служебная информация отображаются на дисплее. Контроль за прохождением сигнала и отработкой кнопок управления осуществляется с помощью звуковой сигнализации. Управление магнитоизмерительным преобразователем (МИП) производится процессором через преобразователь уровня, выполняющий согласование уровней сигналов с модуля управления (+5 В) с уровнями сигналов МИП (+12В). Управление магнитометром производится с помощью клавиатуры, представленной кнопками управления. Электропитание всех узлов магнитометра осуществляется от аккумуляторной батареи +12В с применением вторичных источников питания.
Описание составных частей магнитометра
Преобразователь магнитоизмерительный (МИП) состоит из первичного преобразователя (ПП). С целью повышения метрологических характеристик и снижения энергопотребления в магнитометре МИНИМАГ первичный преобразователь работает на принципе динамической поляризации ядер (эффект Оверхаузера) с использованием стабильного во времени радикала.
Ампула с рабочим веществом размещена в ВЧ - контуре, поверх которого намотаны НЧ - катушки, предназначенные для съема сигнала прецессии. В режиме поляризации через эти катушки пропускается ток подмагничивания, создающий магнитное поле примерно ортогональное внешнему. К БВС подключены НЧ - катушки с помощью антимикрофонного экранированного провода. ПП закреплён на штанге, на другом конце которой размещен корпус БВС.
Блок возбуждения сигнала (БВС) это устройство, обеспечивающее получение сигнала прецессии. БВС конструктивно выполнен в виде отдельного блока, включающего в себя генератор высокой частоты (ГВЧ) и формирователь сигнала (ФС). На плате формирователя сигнала размещены:
- коммутатор;
- блок конденсаторов;
- усилитель сигнала.
Генератор ВЧ двухкаскадный; первый каскад выполняет функции задающего генератора и построен на одном транзисторе по схеме емкостной трехточки с кварцевым резонатором 18МГц в цепи обратной связи и резонансным контуром в коллекторной цепи, настроенным на на 3-ю гармонику кварцевого резонатора (54 МГц). Второй каскад – усилитель мощности с П - фильтром на выходе.
Коммутатор служит в режиме поляризации для подключения НЧ - катушек к стабилизатору тока и включения ВЧ - генератора, а в режиме измерения переключает НЧ - катушки к входу усилителя.
Блок конденсаторов предназначен для настройки в резонанс входного контура усилителя в соответствии с частотой сигнала, наведенной в НЧ - катушках. Настройка осуществляется с помощью процессора, который в соответствии с поступающей от МИП частотой вырабатывает необходимый код диапазона и засылает их на электронные ключи коммутатора блока конденсаторов.
Усилитель сигнала прецессии обеспечивает усиление сигнала прецессии от десятков микровольт на входе до 1В на выходе, а также осуществляет амплитудно - частотную коррекцию в заданном диапазоне измерений.
Пульт управления (ПУ) включает в себя:
- корпус с расположенными на нем кнопками управления, дисплеем и разъемами,
‑ плату с радиоэлементами цифровой части магнитометра (модуль управления).
Входной формирователь - преобразует сигнал от усилителя, имеющий вид затухающей синусоиды, в прямоугольные импульсы, фронты которых соответствуют моментам перехода синусоиды через нуль.
Опорный генератор служит для генерации высокостабильных по частоте импульсов частотой 5МГц, необходимых для работы процессора. Генератор является опорным при измерении частоты сигнала и времени.
В качестве опорного генератора 5МГц применён кварцевый термокомпенсированный генератор с нестабильностью не хуже 2.10-6.
В качестве процессора применена однокристальная микро ЭВМ АТ90S8515. Процессор выполняет следующие задачи:
- управление МИП;
- обработка сигнала;
- опрос клавиатуры;
- вывод информации на дисплей;
- обращение к памяти;
- контроль напряжения электропитания.
Для МИП процессор формирует импульсы включения поляризации и кода диапазона. С целью повышения точности измерений сигнал прецессии с выхода формирователя с помощью процессора подвергается статистической обработке по определенному алгоритму, примерно на порядок увеличивающему разрешающую способность магнитометра.
Память в магнитометре с электрической записью и электрическим стиранием информации и возможностью хранения информации с отключенным источником электропитания (флэш-память) на микросхеме типа AM29F040B емкостью 0,5 Мб.
В памяти хранится информация о результатах измерения и все исходные данные, занесенные в магнитометр оператором.
В качестве дисплея применён жидкокристаллический матричный дисплей G1216. Питание дисплея осуществляется напряжением +5В и отрицательным напряжением минус 8В, величина которого должна зависеть от температуры. С помощью кнопки ☼ включается встроенный подсвет дисплея.
Клавиатура содержит 8 нормально разомкнутых кнопок и кнопку «ПУСК» на левой стороне прибора, дублирующую кнопку «ПУСК» на клавиатуре и один микропереключатель, предназначенный для включения питающего напряжения.
Для контроля отработка любой кнопки сопровождается звуковым сигналом.
Магнитометр питается от внешнего источника питания напряжением от +11В до +15В. Для защиты от переполюсовки в шину +12В включен защитный диод.
Нестабилизированное напряжение +12В используется для питания МИП; для питания модуля управления, а также дисплея используются следующие вторичные источники питания: стабилизатор +10В, импульсный стабилизатор +5В и стабилизатор минус 8В.
Конструктивно пульт управления МИНИМАГа смонтирован в корпусе, приспособленном для переноски в руке. Для облегчения ношения и предотвращения случайного выскальзывания пульта из руки на дне корпуса расположена ручка, поджимающая пульт к ладони.
Для питания магнитометра применена свинцовая аккумуляторная батарея 12В типа LC-R123R4PG. Емкость аккумулятора в нормальных условиях составляет 3,4 А/ч. Основные достоинства этого аккумулятора – полная немагнитность, герметичность и большой срок службы (3-5 лет).
В комплект магнитометра входят два сменных аккумулятора и автоматическое зарядное устройство, работающее от сети 220В, 50Гц.
Лабораторная работа №6
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2372; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!