數位化分量質子磁力儀的製作方法

2023-09-16 20:05:10 2

專利名稱：數位化分量質子磁力儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用質子旋進方式測量地磁場強度的磁力儀，尤其是能夠用數位化方式進行地磁總場與分量測量以及具有對補償電流進行自動標定功能的分量質子磁力儀。
背景技術：
目前，在我國地震地磁觀測臺站普遍使用的地磁絕對觀測儀器是質子旋進磁力儀，它們都是從地質地磁儀器演化過來的，自動化程度低，一般只能測量地磁總場強度，在測量地磁分量時，需要外加一個或兩個恆流源配合分量線圈進行分量觀測，往往只能做到手動選頻、手動觀測和手動標定。利用進口儀器外加恆流源改裝的分量測量裝置，雖然能夠做到連續觀測，但由於其恆流源是外加的模擬電流源，因而電流的選擇和標定還是需要手動來進行；這種改裝的分量測量裝置，由於儀器本身不具備磁偏角的測量功能，因而不能用儀器直接測得磁偏角D的值，需要藉助其他手段計算才能得到。隨著信息技術與網絡技術的迅猛發展，各種觀測儀器也正朝著信息化、網絡化方向發展。因而，目前普遍使用的質子旋進磁力儀，在進行分量觀測時存在著許多不足，已經遠遠不能滿足資訊時代的發展要求，因此地磁核旋觀測技術應緊跟信息技術與網絡技術的發展，實現數位化觀測、傳輸與存儲。

發明內容
為了克服目前地震地磁觀測臺站普遍使用的質子磁力儀的諸多不足，滿足地震地磁觀測臺站的不同需求，適應遠程無人值守的數位化觀測的需要。本發明提供了一種數位化分量質子磁力儀，該數位化分量質子磁力儀不僅能夠根據選擇在自動或手動狀態下測量地磁總場和分量及其組合，而且能夠用數位化方式輸出補償電流，並且能夠對補償電流進行數位化方式的設置、選擇和標定。該數位化分量質子磁力儀能夠對測量信號實施數位化選頻與自動跟蹤，並可以匹配不同參數的探頭和一定範圍內任意長度的信號傳輸線。該數位化分量質子磁力儀的通信工作方式是靈活的、可選擇的，通信波特率和通信協議都可以根據需要進行設置。該磁力儀的實時時鐘是軟體時鐘與硬體時鐘同步運行時鐘，並可以用多種方式對其進行校時，確保了時鐘的可靠性與精確性。
本發明的原理框圖如附圖1，控制軟體主流程圖如附圖2。
本發明的所採用的技術方案1.質子旋進磁力儀的基本測量原理具有自旋磁矩和自旋角動量的質子，在地磁場的作用下，會產生一個以地磁場方向為軸的拉莫爾旋進，其旋進頻率與地磁場強度的關係為F＝2πfp/γp＝23.487215fp(1)式中T為地磁場強度，單位為nT；fp為質子旋進頻率，單位為Hz；γp為旋磁比，γp＝0.26751513·108弧度/特斯拉·秒；(1994年國際科聯科技委員會推薦)本發明就是利用上述原理測量地磁場強度的，儀器的探頭由無磁性外殼和線圈組成，線圈內充滿高純度的煤油，煤油中含有大量的氫質子，質子旋進時在線圈中產生感應電動勢，其頻率與質子旋進頻率相同。測量時將線圈軸線置於磁東西方向上，先在線圈中通以強電流，強迫質子磁矩沿線圈軸線方向排列，此過程稱之為磁化。然後斷開電流，質子磁矩將圍繞地磁場作旋進運動，並在探頭線圈中產生感應電動勢。在探頭容器中液體的極化時間越長會使越多的質子向極化場的方向取向，這意味著在測量中能得到持續時間長的較強的信號，使得測量磁場的解析度可以得到提高。根據極化場的大小，通常情況下，極化時間在2-6秒，在本發明中，選擇的極化時間為4秒。
由於在探頭中產生的電動勢非常微弱，僅在微伏級，因此必須進行選頻放大，把信號放大到足夠的強度，才能進行測量。測出線圈感應電動勢的頻率，應用公式(1)，便可求出地磁場的值。
本發明與赫姆霍茨線圈配合，分別可測量地磁總場F，水平分量H(或垂直分量Z)、磁偏角D及其之間的組合。
測量地磁總場F時，補償線圈不通電流。
測量水平分量H時，需要在補償線圈中產生一垂直磁場，抵消掉地磁總場的垂直分量Z。
測量水平分量Z時，需要在補償線圈中產生一水平磁場，抵消掉地磁總場的水平分量H。
測量磁偏角D的方法較為複雜，是按照一定的幾何關係測量並計算而得到的。
2.數位化選頻放大與自動跟蹤技術2.1數位化選頻在質子磁力儀測量系統中，探頭是感性元件，所測量的信號是頻率信號，本數位化分量質子磁力儀就是利用LC並聯諧振迴路進行選頻測量的，根據諧振公式f=12LC------(2)]]>(式(2)中L是探頭的電感量，C是儀器中的配諧電容值，f是LC諧振迴路的中心頻率。)只要使探頭的電感量L和儀器中配諧電容C較準確地配諧，就會使迴路的諧振頻率f共振在探頭中質子旋進頻率fp的附近，使儀器能選到正確的測量信號。探頭的電感量是個固定值，其電感量生產廠家一般都要說明，也可以用專用儀器測量得到。只要能根據需要測量的信號頻率給出較為準確的配諧電容值C，就能將該頻率信號選取出來。
由式(2)可得C=1(2f)2L-----(3)]]>式(3)中，探頭電感量L為已知的常數，要得到需要配諧的電容值C，必須確定共振迴路的中心頻率f，這個頻率必須與探頭中質子旋進頻率fp的接近。一個地區磁場的大致範圍是可以知道的，即使不知道，我們也可以在一定內範圍內估計一個值，將該地區的大致磁場值或估計值T0設置到本發明中，並在本發明中以此值計算出相對應頻率F0，並確定為共振迴路的中心頻率f，並以此頻率計算出配諧電容的值C0。即C0=1(2F0)2L-------(4)]]>其中F0＝T0/23.487215，單位為nT。
將計算得出的配諧電容值轉換成二進位位權碼，並用來控制電容矩陣電路，對質子旋進的感應信號進行數位化選頻。如果磁場值T0所對應的頻率F0越接近需要測量的信號頻率fp，所計算出的配諧電容值就越精確，在共振迴路中得到的信號就越強。
2.2自動跟蹤技術為了能夠在共振迴路中連續得到較強的測量信號，我們採用了選頻自動跟蹤技術，由於本數位化分量質子磁力儀自動連續測量的是分鐘值，而地磁場的變化相對又比較緩慢，一分鐘之內變化最多也就是幾個nT；因此，前一分鐘的信號頻率與後一分鐘的信號頻率非常接近。利用地磁場變化的這一特性，我們依據前一分鐘測量值Ti算出相應的信號頻率Fi，並作為下一次信號測量時選頻迴路的中心諧振頻率fi，以此，根據公式(4)得到需要的配諧電容值Ci。依據這個原理，不斷地用上次的測量結果，對下一次測量進行自動選頻，這就是本分量質子磁力儀選頻的自動跟蹤原理。為了防止幹擾對選頻跟蹤的影響，在本發明的實際設計中，採用上兩次測量結果的平均值對下一次測量進行自動跟蹤選頻。
2.3探頭參數、信號線分布電容的匹配與修正方法為了克服一種儀器只能匹配一種參數的探頭和信號傳輸線不能任意長短的不足。在本發明中，可以將探頭的參數通過儀器鍵盤設置在本發明中，使參與數位化選頻運算的探頭參數成為可以設置的常數，為本發明可以匹配不同參數探頭提供了方便。此外，由於信號線存在分布電容ΔC，使得選頻共振迴路的選頻電容值成為C+ΔC；如果ΔC的值較大的話，將使選頻迴路的共振頻率較多地偏離應該測量的質子旋進頻率，使選頻的信噪比下降，甚至會導致儀器得不到所要的信號。由於探頭信號線的分布電容可以用儀器測量得到，如果能通過鍵盤將分布電容ΔC設置到儀器中，並在進行數位化配諧時扣除分布電容ΔC的影響，就可以實現較準確的選頻配諧。在本發明中，利用這種方法，有效地解決了信號線分布電容給儀器測量造成的影響，並可以使信號傳輸線在一定範圍內任意長短，為用戶的使用提供了方便。
3.信號測量的方法(等周期分頻計數測量原理)探頭中線圈感應電動勢的頻率信號經選頻放大以後，現在就是怎樣來測量了。測量這個頻率的方法有好多種，本數位化分量質子磁力儀採用的是等周期分頻計數測量法，就是利用磁場測量的自動跟蹤值或設定值所對應的質子旋進頻率按固定周期計算一個分頻比，並將需要測量的頻率信號按這個分頻比進行分頻，然後測量分頻後信號的一個正向脈衝寬度(半周期)。
具體做法是以此脈衝作為門控信號，計數單片機內部周期的方波個數來求得此脈衝的寬度，從而算出被測量信號的頻率，以此便可得出需要測量的地磁場。本儀器採用的單片機晶振頻率為12MHz的溫補晶振，其機器周期為1μS。設K為利用跟蹤值或設定值T0所對應的質子旋進頻率按固定周期t計算的分頻係數，探頭磁化後質子旋進信號的頻率為fp，其周期為1/fp，此信號放大整形後成為方波信號，經K分頻後，其方波周期為K/fp，用單片機系統測其正向脈寬(半周期)為N(單位μS)，便可算出磁場強度T的值。它們符合下列關係K=tT0234872.15]]>(t為固定分頻周期，本發明中取0.71s) (5)12K1fp=N10-6-------(6)]]>由於fp＝T/23.487215，將fp代入上式(6)，並整理得到T=K23.4872151062N(nT)------(7)]]>以上就是本數位化分量質子磁力儀對測量的頻率信號進行測量的等周期分頻測量法。
4.分量補償測量原理與數位化標定方法4.1補償原理在分量核旋儀測量垂直分量Z時，需要在霍姆赫茲補償線圈中通過一電流，使之產生與水平分量H相抵消的磁場；同樣在測量水平分量H時，需要在補償線圈中產生一磁場，以抵消垂直分量Z。現在以測量水平分量H為例，說明一下分量測量的原理和方法。即HP=H2+(Z1-Z)2------(8)]]>HP為分量核旋儀測量水平分量的讀數，H是地磁場的水平分量，Z1是霍姆赫茲補償線圈中產生的抵消磁場，Z是地磁場的垂直分量。只有在Z1＝Z時，才有HP＝H，即所觀測到的值才是需要觀測的值。而實際上，地磁場的垂直分量是一個不斷在變化的量，再有其他因素的影響，難以做到|Z1-Z|始終絕對為零，但是要求|Z1-Z|的值越小越好，一般地應滿足|Z1-Z|＜100nT。
對(8)式作二項式展開，且取前兩項可得HP=H+(Z1-Z)22H--------(9)]]>(9)式中Z1＝η·I，η為霍姆赫茲線圈常數，I為線圈中通過的電流，則(9)式轉化為HP=H+2(I-H)22H-----(10)]]>為了求解方便，令η2/(2H)＝a，H/η＝I0，則(10)式變為HP＝H+a(I-I0)2(11)分量核旋儀所觀測到的H值均應滿足上面的方程式(11)，即(I，H)各點均應落在由式(11)所確定的拋物線上。從式(11)可以看出I＝I0時，拋物線有極小值HP＝H，此時所測量到的就是水平分量，此時的電流值I0就是需要求得的補償電流值。
同理可以求得垂直分量滿足關係ZP＝Z+a(I-I0)24.2標定方法式(11)中的H、a、b為待定係數，只要有三組(I，HP)便可以確定所需要求的I0值；因此，可以任意給定三個電流值I1、I2、I3，測出三個相應的H1、H2、H3，建立聯立方程組 由方程組(12)可得I0=(H1-H2)(I12-I32)-(H1-H3)(I12-I22)2[(H1-H2)(I1-I3)-(H1-H3)(I1-I2]-----(13)]]>式(13)所求得的b值即為需要求得的水平分量的補償電流值。
同理可以求得垂直分量的補償電流為I0=(Z1-Z2)(I12-I32)-(Z1-Z3)(I12-I22)2[(Z1-Z2)(I1-I3)-(Z1-Z3)(I1-I2]-----(14)]]>5.磁偏角的測量原理與偏置電流的標定方法5.1磁偏角的測量原理在本分量核旋儀測量磁偏角相對變化θ時，用與磁軸Z平行的線圈抵消掉Z之後，再用另一組線圈在水平面內分別產生東西方向上的兩個方向相反的偏置磁場C+與C-，同時測定偏置磁場C+、C-與水平分量H的合成磁場R+和R-，按照一定的幾何關係，便可計算出磁偏角的相對變化量θ。取|C+|＝|C-|，當C+，C-垂直於H時，則|R+|＝|R-|。當測出|R+|＝|R-|時，則C+，C-一定垂直於H，此時H在磁子午線方向上，令此時的H為H0。當水平磁場由H0變為H時，方向變化了一個角度θ，這個角度θ就是磁偏角的相對變化值。如附圖6所示。取C+＝C-＝C，此時R+2＝H2+C2+2HC sin θ(15)R-2＝H2+C2-2HC sin θ(16)上兩式相減，得R+2-R-2＝4HCsinθ=arcsin(R+2-R-24HC)------(17)]]>將式(17)進行二項式展開，並用單片機編程計算，便可以求得磁偏角的相對變化量θ，若加上磁偏角的基線值D0，便得到磁偏角的準絕對值D，即D＝D0+θ。
5.2偏置磁場標定方法式(17)中，R+，R-，H是直接測量得到的值，而C是取值，其大小在本分量核旋儀的實際工作中取值等於H0，即C+＝C-＝C＝H0；在計算磁偏角相對變化時，是作為常數參與計算的；C磁場又是在偏置線圈中通過一固定的偏置電流產生的偏置磁場，由於偏置電流穩定性的影響，偏置線圈常數穩定性的影響，以及其他因素的影響，偏置磁場產生漂移在所難免，使偏置磁場的實際值從C變化到C+ΔC，如果仍然以設定的C值參與計算，將會影響到磁偏角的計算精度。因此在日常觀測中，一般使磁偏角的運算誤差超過0.01′時，就需要對產生偏置磁場的偏置電流IC進行標定。進行偏置磁場標定的一種方法是將分量線圈旋轉90°，依照分量核旋儀首次儀器調試時的方法對其重新進行選取。但這種方法比較麻煩，既費時又費力，對操作人員還要有一定的技術要求，而且在無人值守或遠程通信控制的情況下無法實現。
另一種方法，無需將分量線圈轉動，用程序控制的方法便可實現。
根據磁偏角的測量原理，由式(15)和式(16)相加得R+2+R-2＝2(H2+C2)若實際的偏置磁場為CP，則有CP=22(R+R+R-2)-2H2------(18)]]>式(18)中，R+，R-，H可以通過直接測量得到，實際偏置磁場CP便可以根據這些直接測得的磁場值計算得出。如果產生偏置磁場的電流和線圈常數都沒有漂移，若忽略其他因素的影響，計算得出的偏置磁場C值，應當與初始選定的偏置磁場C0值即H0的值相等。如果不等，說明產生了漂移，就需要對線圈的補償電流進行標定。
由於CP＝η·I(I為偏置磁場的偏置電流，η為線圈常數，CP為根據式(18)的計算得到的實際偏置磁場值。)
由於I為已知的當前偏置電流，算出CP以後，便可以得出當前的線圈常數η=CPI------(19)]]>得到線圈常數η以後，再根據初始設定的C0值(即H0)得到需要得到的偏置電流I0I0=C0-----(20)]]>6.測項選擇功能和方法本發明可以與不同的赫姆霍茨線圈匹配，分別可測量地磁總場F，水平分量H(或垂直分量Z)、磁偏角D及其之間的組合。
本發明提供了對磁場測量可以進行測項選擇的功能和方法，它可以根據需要設置不同的測項或測項組合，並根據這種設置進行自動或手動觀測。
具體的測項選擇設置方法如下

7.雙時鐘並行工作方式為了克服實時測量儀器中軟體時鐘容易死機和丟失時鐘參數的缺陷以及硬體時鐘運行精度較低的不足。本發明採用了雙時鐘並行工作方式，它利用硬體時鐘不停息運行和可設計成看門狗功能的特點，作為啟動時鐘對軟體時鐘進行啟動運行；本發明的系統晶振採用的是溫度補償晶振，因而利用系統機器周期而設計的軟體時鐘走時準確，利用這個特點作為實時時鐘，並對硬體時鐘不斷地進行校時。而且為了進一步保證時鐘的準確性，還可以通過手動校時、計算機遠程通信校時、GPS校時方式，用外時鐘對本發明進行校時，確保了本發明時鐘系統的運行既準確又可靠。
8.可設置的通信工作方式為了克服一般儀器單一的通信波特率和固定的通信協議方式的不足，滿足不同用戶對通信波特率和通信協議的不同要求。本發明提供了一種靈活的可設置的通信工作方式，這種通信工作方式在波特率選擇方面可以根據用戶的需求設置不同的通信波特率，在通信協議方面可以設置成中國地震局制定的前兆通信協議方式、用戶自定義通信協議方式。在用戶自定義通信協議方式下，用戶可以自行定義通信協議。本發明這種靈活的通信工作方式，為遠程保密通信提供了條件。
本發明的有益效果是能夠根據設置，在自動狀態下連續測量或在暫停狀態下手動測量地磁總場和分量及其組合，有較強的通用性；能夠用數位化方式輸出補償電流，並且能夠對補償電流進行數位化方式的設置、選擇和標定；能夠對測量信號實施數位化選頻與自動跟蹤，提高了磁場的測量精度，並可以匹配不同參數的探頭和一定範圍內任意長度的信號傳輸線，提高了本發明的適應性；本發明的通信工作方式是靈活的、可選擇的，通信波特率和通信協議都可以根據需要進行設置；本發明的實時時鐘是軟、硬體同步運行時鐘，並可以用多種方式對其進行校時，確保了時鐘的可靠性與精確性。滿足了地磁觀測臺站的不同需求，能夠適應遠程無人值守的數位化地磁觀測的需要。


下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1是本發明的電路原理框圖；圖2是本發明的控制軟體主流程圖。
圖3是數位化選頻放大電路。
圖4是等周期分頻測量電路。
圖5是數位化電流源電路。
圖6是磁偏角測量與偏置補償原理圖。
圖7是本發明的時鐘電路圖1中(1)探頭、補償線圈與極化電路，(2)配諧電容網絡，(3)信號放大電路，(4)數字濾波電路，(5)等周期分頻電路、鍵盤、顯示驅動電路，(6)鍵盤、顯示電路，(7)單片機電路，(8)串行通信電路，(9)時鐘與看門狗電路，(10)地址鎖存、解碼電路，(11)數據存儲電路，(12)配諧電容矩陣、數字濾波、補償電流的控制電路，(13)D/A轉換電路，(14)數位化電流源電路具體實施方式
1.數位化選頻放大與自動跟蹤技術的具體實施方式
數位化選頻的具體做法是用數字方式控制電子開關或繼電器的導通，以達到控制配諧電容網絡電容值的目的。如附圖3所示，圖中電子開關K1～K10(本發明中採用的是低導通電阻的電子開關MAX313)和電容C1～C10構成了數控配諧電容網絡，按二進位位權關係取值的十個電容和電子開關串聯後再並聯在一起。十位二進位數A1～A10作為十個開關的控制輸入，於是輸入不同的二進位數，電容網絡將有不同的電容值。A1～A10的具體數值是根據式(4)計算出的二進位數，並扣除信號線分布電容值而得到的控制代碼。電容網絡與探頭L並聯形成LC選頻共振電路，經LC共振電路選出的質子旋進信號，再經由IC1、IC2、IC3組成的測量放大器進行放大。為了更好地得到需要得到的測量信號，放大後的信號又經過由IC4、IC5、IC6、IC7組成的數字濾波器進行濾波，最後由IC7第4腳輸出的信號就是與質子旋進信號頻率相同，送單片機測量系統進行測量的方波信號。
2.等周期分頻測量的具體實施方式
用定時/計數器對經放大處理過的質子旋進頻率信號進行等周期分頻，分頻後的方波信號送單片機測量其正半周期的寬度，以此寬度按照前面所述的公式(7)便可以計算出實際的磁場值。如圖4所示，圖中的IC3(81C55)是一種單片機並行接口電路，內部有一個14位的定時/計數器，本發明利用這一定時/計數器進行等周期分頻，第3腳是信號的輸入端，第6腳是信號的輸出端；輸出後的信號再送到單片機89C55的第13腳INT1端，利用單片機的內部定時/計數器T1測量該脈衝信號正半周期的寬度，從而計算出實際的磁場值。
3.數位化電流源的具體實施方式
用D/A、A/D轉換器以及電流輸出電路在微控制器的控制下實現閉環的數字式電流輸出。如圖5所示，U3是一種16位串行D/A轉換電路，它在單片機U1的控制下，將設定或修正的16位的數據轉換成0～2.5V的電壓輸出，經過運算放大器U7電壓跟隨以後，輸入給電流控制放大器U4，從而控制由Q1、Q2、D1、R4、R6、R0組成的電流輸出電路，A、B端為電流輸出端，R0為電流取樣反饋電阻，由R0取樣得到的電壓，一路反饋到U4控制電流的輸出，另一路到A/D轉換器U6進行A/D轉換，轉換的結果經接口電路U2送到單片機U1中進行處理，處理後的結果再反饋到D/A轉換器U3中，以控制A、B端的輸出電流，這樣就形成了一個電流閉環控制系統。
4.分量補償電流標定方法的具體實施方式
利用式(13)或(14)選擇拋物線上的三點求得的I0值，有時會因為某些因素的影響產生一些誤差，為了最大限度地避免這種誤差的產生，在發明的實際設計中，選擇了用拋物線上的五點，求解I0值的方法。具體做法是，給定一初選電流I1，測出該電流下三組水平分量的數據，並取其中間值作為H1，然後在I1的基礎上分別+4mA、+8mA、-4mA、-8mA，並測得四個三組數據，並分別取其中間值作為H2、H3、H4、H5；儀器根據拋物線上的這五點，以排列組合的方式，用式(13)或(14)分別求得I01、I02、I03……I08、I09共9個I0值。為了避免因某些因素對觀測值的影響，儀器在計算時會自動去除這9個I0值中兩個最大值與兩個最小值，再求剩下的5個I0值的平均值作為需要求得的最終補償電流值，即I0＝(I01+I02+I03+I04+I05)/5(a)在日常觀測進行補償電流標定時，給定的初選電流I1，就是當前正在觀測時的補償電流；在儀器初次安裝調試時，可以用式(b)進行計算選取。
I1=ZR89.918N-------(b)]]>其中，I1為初選補償電流強度，單位為mA，N為補償線圈的匝數，R為補償線圈的半徑，單位取cm，Z為測點補償磁場值或其估計值，單位取nT。
5.偏置磁場標定方法的具體實施方式
為了保證測量與運算精度，在本發明中採用連續測量三組R+，R-，H，根據式(18)分別計算出三組CP(即CP1，CP2，CP3)，並取其中的中間值用式(19)再計算出線圈常數η，得出線圈常數η後，根據初始設定的偏置磁場值C0(即H0)，由式(20)計算出需要得到的偏置磁場的偏置電流I0。
6.實時時鐘的具體實施方式
本發明採用了硬體時鐘和軟體時鐘並行工作方式，附圖7就是本發明的硬體時鐘與單片機的連接圖，圖中IC1是本發明單片機控制晶片89C55，IC2是硬時鐘晶片DS12887，IC3是CMOS與非門電路CD4011。利用硬體時鐘不停息運行的特點，在系統上電或復位時將時鐘參數傳輸給軟體時鐘，啟動軟體時鐘運行。本發明的系統晶振採用的是溫度補償晶振，因而軟體時鐘走時準確，該時鐘作為系統的正常運行的實時時鐘，並每分鐘對硬體時鐘進行校時一次，從而也保證硬體時鐘走時的準確性。
由於DS12887具有報警功能，本發明利用這一特點設置了儀器的看門狗電路。其具體實施方法是讓系統控制程序定時為DS12887寫入報時時間值，當硬時鐘運行到該報時時間值時，DS12887將輸出一個正脈衝，將此正脈衝經由IC3組成的單穩態電路整形展寬後接至儀器單片機89C55的復位端RESET，使儀器強行復位。
本發明具有三個工作狀態即自動狀態、暫停(手動)狀態和標定狀態，因而以上功能的實現在三個不同狀態時的做法上有些差異。儀器在自動狀態時，系統控制程序在進行一次採樣之前，將下一次採樣觀測的時間作為報時值寫入DS12887報警時間單元，這樣在程序處於正常運行時，在每次採樣之前均會修改一次報時時間值，從而不會有復位脈衝產生。而當由於偶然因素的幹擾引起死機時，由於報時值不能及時得到修改，而硬時鐘正常計時，當計時到設置的報時時間時，就會產生復位脈衝RESET使系統復位，從而保證儀器處於正常的自動工作狀態。
儀器在暫停(手動)狀態和標定狀態時，系統控制程序將當前進行鍵盤操作時的時間與儀器設定的報警時間間隔相加，並將相加後的時間寫入DS12887報警時間單元，本發明設定的報警時間間隔為30分鐘，只要在30分鐘以內有鍵盤操作，將保持現有的工作狀態，一旦在30分鐘以內沒有鍵盤操作，將啟動看門狗功能，使儀器復位，回到自動觀測狀態。
為了進一步保證時鐘的準確性，還可以通過手動校時、計算機遠程通信校時、GPS校時方式，用外時鐘對本發明進行校時，確保了本發明時鐘運行既準確又可靠。
7.通信功能的具體實施方式
本發明的通信方式是一種靈活的通信工作方式，首先用戶可以根據需要設置不同的通信波特率，具體實施方式
是由於本發明所使用的單片機晶片是80C52系列的89C55，該晶片內部有三個定時/計數器，即T0、T1和T2，定時/計數器T2是一個16位的、具有自動重裝載和捕獲能力的定時/計數器，本發明就利用定時/計數器T2作為波特率發生器，並工作在定時工作方式，因此由該定時器產生的波特率為F=fosc216[65536-(RCAP2H,RCAP2L)]------(c)]]>(F為波特率，fosc為單片機晶振頻率，(RCAP2H，RCAP2L)為定時/計數器T2的高8位和低8位。)由於單片機晶振頻率fosc一定，因此只要(RCAP2H，RCAP2L)確定，波特率F就確定；同樣如果波特率F確定，定時常數(RCAP2H，RCAP2L)也就隨之確定；如果波特率F改變，定時常數(RCAP2H，RCAP2L)也就隨之改變。根據式(c)得(RCAP2H,RCAP2L)=65536-fosc216F------(d)]]>如果用戶確定了需要的通信波特率，並將這個值設置到本發明中，本發明將利用式(d)計算出波特率發生器的定時常數，也就決定了(RCAP2H，RCAP2L)的值，這樣波特率發生器將產生用戶需要得波特率。
在通信協議方面可以設置成中國地震局制定的前兆通信協議方式和用戶自定義通信協議方式。在中國地震局制定的前兆通信協議方式下，可進行遠程或近程串行數據通信。在用戶自定義通信協議方式下，用戶可以自行定義通信協議，具體方法是本發明已經將各項通信功能按序號進行了編碼，用戶只要將自己定義的通信協議的位數(字長)和協議代碼按本發明中的通信功能所對應的編碼進行設置便可；在這種工作方式下，當本發明接受到通信參數時，將與設置的通信協議進行比較，如果與設置的協議相符將執行與其相符的通信功能。
權利要求
1.一種數位化分量質子磁力儀，由數位化選頻放大電路、數控電流源、單片機系統、時鐘電路、通信電路及相應的控制軟體組成，其特徵是能夠對地磁總場和分量及其組合進行自動(連續)或手動(暫停)的數位化測量，能夠輸出數位化補償電流，並且能夠對分量補償電流、偏置補償電流進行數位化標定，能夠進行精確可靠的實時服務和方式可選的串行通信。
2.根據權利要求1所述的數位化分量質子磁力儀能夠對地磁總場和分量及其組合進行數位化測量，其特徵是採用數位化選頻與自動跟蹤技術、數控電流技術、等周期分頻頻率測量技術，結合數位化選頻放大電路、數控電流源、單片機系統對地磁總場和分量及其組合進行自動(連續)或手動(暫停)的數位化測量。
3.根據權利要求1所述的數位化分量質子磁力儀能夠對分量補償電流進行數位化標定，其特徵是是根據分量補償原理和補償線圈的設計原理，所提出特定方法，並按一定的步驟，結合數位化分量測量的方法，對輸出的分量補償電流在手動、自動或遠程狀態下進行的數位化選取或標定。
4.根據權利要求1所述的數位化分量質子磁力儀能夠對偏置補償電流進行數位化標定，其特徵是是根據磁偏角測量原理和偏置線圈的設計原理，所提出特定方法，並按一定的步驟，結合磁偏角的測量方法，對輸出的偏置補償電流在手動、自動或遠程狀態下進行的數位化選取或標定。
5.根據權利要求1所述的數位化分量質子磁力儀能夠進行精確可靠的實時服務，其特徵是同時採用硬體時鐘和軟體時鐘，軟體時鐘作為實時服務時鐘，硬體時鐘為看門狗監視與軟體時鐘的啟動時鐘，並可以用手動方式、遠程通信方式、GPS方式對該時鐘系統進行校時。
6.根據權利要求1所述的數位化分量質子磁力儀能夠進行方式可選的串行通信，其特徵是串行通信波特率可設置、通信協議可選擇，並且用戶可以自定義通信協議。
7.根據權利要求2所述的數位化分量質子磁力儀進行數位化測量所採用的數位化選頻與自動跟蹤技術，其特徵是利用質子旋進原理和LC並聯諧振原理和地磁場變化範圍不大的特點，根據設置的磁場跟蹤參數、探頭參數和信號線分布電容參數，計算LC共振迴路的配諧電容，對需要測量的質子旋進信號實施數位化選頻；又利用地磁場短時間內變化很小的特點，對需要測量的質子旋進信號進行的數位化選頻實施自動跟蹤。
8.根據權利要求2所述的數位化分量質子磁力儀能夠對地磁總場和分量及其組合進行數位化測量，其特徵是本發明能夠根據用戶的設置，選擇F、Z、H、FZ、FH、FHD、FZD其中的一種測項組合，在自動(連續)或手動(暫停)狀態下實施總場、分量或其組合的測量。
9.根據權利要求2所述的數位化分量質子磁力儀的等周期分頻頻率測量技術，其特徵是利用磁場測量的自動跟蹤值或設定值所對應的質子旋進頻率按固定周期計算一個分頻比，並將需要測量的頻率信號按這個分頻比進行分頻，然後測量分頻後信號的一個正向脈衝寬度(半周期)，並依據對這個半周期的測量結果計算實際的磁場值。
10.根據權利要求3所述的對分量補償電流進行標定的特定方法，其特徵是根據分量補償原理，對公式HP=H2+(Z1-Z)2]]>(水平分量)或ZP=Z2+(H1-H)2]]>(垂直分量)進行二項式展開，並取前兩項，再根據補償線圈設計原理，經變換得到HP＝H+a(I-b)2(水平分量)或ZP＝Z+a(I-b)2(垂直分量)再用聯立方程求得需要的補償電流b值的方法。
11.根據權利要求4所述的對偏置電流進行標定的特定方法，其特徵是根據磁偏角測量原理，對合成磁場R+、R_和水平分量H進行測量，計算求得實際的偏置磁場CP；再根據偏置線圈設計原理，計算求得線圈常數η，再根據求得的線圈常數η，和實際需要的偏置磁場C0，計算求得實際需要的偏置補償電流I0的方法。
12.根據權利要求7所述的數位化選頻技術還包括對不同參數的探頭和不同長短的信號傳輸線具有適應能力，其特徵是將探頭參數與信號線分布電容參數作為可設置、可修正的常數用軟體方法設置到本發明中，參與LC共振迴路配諧電容的計算，扣除信號線分布電容對配諧選頻的影響，使數位化選頻更為精確的方法。
全文摘要
一種能夠測量地磁總場和分量及其組合的數位化分量質子磁力儀。它由數位化選頻放大電路、數控電流源、單片機系統、時鐘電路、通信電路及相應的控制軟體組成。它是根據質子旋進原理，採用等周期分頻頻率測量法對磁場強度進行測量。它能根據設置，在自動或手動狀態下進行F、Z、H、FZ、FH、FHD、FZD多種分量組合的測量，並能夠在手動、自動或遠程控制下對分量補償電流、偏置電流進行自動化選取或標定；它具有數位化選頻與自動跟蹤功能，並可以匹配不同參數的探頭和一定範圍內任意長度的信號傳輸線；具有靈活的通信工作方式和可靠、準確的時鐘功能；可以實現對地磁場強度進行遠程無人值守的數位化觀測。
文檔編號G01V3/40GK1553218SQ0313160
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月29日 優先權日2003年5月29日
發明者稽才建, 夏忠 申請人:稽才建, 夏忠