毕业论文_overhauser质子磁力仪激发接收系统设计(编辑修改稿)

毕业论文_overhauser质子磁力仪激发接收系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

作用下，质子的运动会发生明显的变化，关于在外场作用下物质质子 的运动有两种解释 ，简述如下 [910]： 第一种解释 ：如 图 ，质子的磁矩 M 在有外场的作用下，绕外场旋转，构成质子的进动，这样物质的总磁矩就会在外场方向体现，这样就表现为一个总磁矩，物质就有了磁性，但是有沿着外场方向的磁矩，也有逆着外场方向的磁矩，而且这两种磁矩方向相反，大小几乎相等，所以整个物质对外还是不显磁性。 中南大学学士 学位论文 9 图 外场作用下质子自旋示意图 第二种解释 ：第二种解释是从量子力学的角度加以分析的。 如 之前所说 ，质子的自旋量子数为 1/2，在外场的作用下发生能级分裂，质子的自旋磁矩分裂为两个能级：高能级和低能级，高能级质子的磁矩方向与外场方向相反，低能级质子的磁矩方向与外场方向相同，高低能级的粒子数满足波尔兹曼分布，低能级的粒子数要稍高于高能级的粒子数，整体上物质不显磁性。 如 图。 图 外磁场作用下质子能级发生分裂 质子进动弛豫过程 在外磁场消失后，质子的自旋状态会发生改变，由原来的双能级状态逐渐恢 复到原来的平衡状态，这一过程为弛豫过程，这个过程遵循指数衰减，这样过程 中又有两个子过程，一个是纵向弛豫时间 ，一个是横向弛豫时间 ， 又称晶格弛豫时间， 是自旋弛豫时间，这两个弛豫过程都会使物质的总磁矩衰减，最终归于平衡状态。 如果在没有外场的质子中突然加上外场，质子就会以相同的过程由原来的平衡状态变到双能级的分裂状态。 中南大学学士 学位论文 10 以下以氢质子为例来简述这一质子弛豫过程： 设稳定磁场为地磁场 ，在其垂直方向上施加射频磁场 脉冲。 该脉冲被称为 π /2 脉冲或 90176。 脉冲，脉冲 频率等于氢质子在地磁场中的拉莫尔频率 ， 脉冲宽度 t为施加射频磁场 的时间， 有公式 ， 式中， 被称为 扳倒角 ， 是地磁场 与 M 的夹角 ， ， 调整 t 或 使 ，磁化强度将转向垂直地磁场的方向，此时将脉冲停止，磁化强度除了围绕射频磁场进动外，还要随旋转坐标系绕 z轴旋转，这 2种运动合成 如图 螺旋形运动。 图 磁化强度的自由进动螺旋形衰减 在 90176。 脉冲作用后，产生了磁化强度的横向分量，磁化强度矢量 M 绕恒定磁场 进动，由于弛豫作用磁化强度的横向分量 ， 按指数形式随时间衰减，衰减的特征时间为 ，磁化强度的纵向分量 随时间增长，趋向其平衡值 ，增长的特征时间为 ，称为磁化强度的自由进动衰减。 该过程被称为质子弛豫过程。 弛豫过程实际上是质子与外界交换能量的过程，在撤去外场的时候，质子通 过自旋与外界交换能量，最终回到平衡状态。 Overhauser 磁力仪 Overhauser磁力仪基本原理是，将带有不成对电子的特殊液体与氢原子结合并置于射频 (RF)磁场之中进行极化，随之被极化的不成对电子便会将其极化信息传递给氢原子，于是就产生了进动信号。 这种进动信号对总磁场强度的变化有很高的灵敏度，特别适用于高精磁测。 与直流极化和静态极化质子磁力仪不同，overhauser磁力仪采用的是动态极化的方式。 Overhauser 效应在磁力仪中的应用 普通 质子磁力仪与 Overhauser磁力仪之间最大的区别在于二者的质子自旋群有偏差。 Overhauser效应是一种利用电子 质子耦合来完成质子极化的现象。 中南大学学士 学位论文 11 一种 包含一个自由基原子（有一个自由电子的原子） 的特制化学 物质 被添加到含有丰富质子的液体之中。 流体中的游离电子可以容易而有效地受到符合特定能级跃迁的低频射频辐射的激发。 游离电子会将其转移到临近的质子中，而不是作为辐射源重新激发这种能量。 这种质子极化的方式不需要构建一个很大的人工环境磁场。 极化时，一个 Overhauser 磁力仪中的质子自旋群将会遵循以下关系： 𝑁+𝑁− 1+ℎ ∙（ 𝜔𝑠 −𝜔𝑖)𝑘 ∙𝑇 (21) 这里， h 是普朗克常数 ( 179。 10−34 J178。 s), ωi 是质子旋转角频率 , ωs 是电子自旋角频率。 其中， ωi 是一个环境场的函数， ωs 则很大程度上依赖于Overhauser 化学分子的结构。 探头的磁场测量 Overhauser磁力仪探头传感器有两个线圈，一般是绕在盛有 Overhauser溶液的 玻璃容器外面 [1112]。 特殊液体存在电子自旋和质子自旋两个自旋系统，常采用具有稳定自由基的有机溶剂作为工作物质。 一个是激励线圈，与射频振荡器连接，射频频率等于工作物质中电子在地磁场的共振频率 (VHF)；另一线圈是信号接收线圈，接收 overhauser效应所产生的信号。 此信号频率与待测地磁场关系为 𝑇 2 (22) 此式中： T 为地磁场强度， nT； f 为接收信号频率， Hz； 为与质子有关的常数，称为磁旋比， =(177。 )179。 10 − ∙ − ，它不受外界因素如温度、压力、湿度的影响，并且有 相当精确 的测定结果。 因而，由（ 2）得到， 𝑇 2 23 4 4 (23) 由该式，可以将磁场的测量转换为探头传感器对于稳定自由基质子自旋频率的测量。 探头中感应线圈 产生感应电动势信号分析 根据 ，放置线圈使其轴线与 y轴方向一致，由电磁学公式有 𝜔 ) (24) 被磁化的研究对象通过接收线圈会产生磁通量，表示为 (25) 此式中， 为线圈匝数， A 为线圈面积。 线圈中产生的感应电动势为 − 𝜔 𝜔 )+ 1 𝜔 ) (26) 由于式中括弧内两项之比远小于 1，故忽略余弦项，得到 中南大学学士 学位论文 12 − 𝜔 𝜔 ) (27) 此式表示感应电动势随时间呈现周期式变化，其角频率 ω ，其大小随着时间按照指数规律衰减，被称为自由感应衰减 （ free induction decay，缩写为 FID）信号。 当 、 一定时，感应电动势与时间呈现指数规律 （图 ）。 图 感应电动势随时间衰减 本章小结 本章首先对质子旋进现象进行了解释，阐述了溶液中质子在自由状态下以及 在外场作用下的运动规律，给出了经典解释与量子力学解释。 在外场作用下溶液 会显示出顺磁特性，质子会在沿外场方向上显出磁性。 接着文中详细的介绍了对 溶液进行极化，在撤掉外场后，质子 空间中呈现 螺旋运动 形势衰减。 最后给出了探头结构以及线圈中感应信号的衰减 形式，从理论上研究了整个极化过程以及旋进信号特征。 中南大学学士 学位论文 13 第三章 Overhauser 质子磁力仪结构总体设计 国内现有的磁力仪大多 是基于单片机进行设计，虽然其满足 了功耗低、操作简便等要求，但是可扩展性较差、 功能单一，已经难以满足现在越来越高的测量要求。 因此，为了使此次设计的 Overhauser磁力仪具有更加完善的功能，我基于ARM进行了仪器结构的设计。 质子磁力仪由于需要在野外使用，因而功耗低、功能强、使用方便、稳定性好成为其设计 所需要实现的主要目标。 其次，是否具有多样化的功能也是一台磁力仪设计是否优秀的重要参考因素。 本章中主要介绍了 Overhauser磁力仪的结构设计，具体 设计了每一个主要的部分，同时给出了大致的设计电路连接图作为参考。 仪器总体设计 图 Overhauser质子磁力仪总体设计结构框图。 图 Overhauser磁力仪总体结构框图 其中，主控 CPU采用低功耗 ARM芯片，频率测量使用新型 CPLD器件设计以保证高精度测量。 仪器内建 GPS模块，并扩展 64M的 EEPROM存储器。 仪器通过 USB接口与PC相连，以进行仪器升级、数据传送等操作，同时 USB接口还可以连接 USB设备，如 U盘、移动硬盘等进行数据转存读取。 设计存储卡接口以方便数据的存储与导出。 中南大学学士 学位论文 14 主控 CPU 在本章开头已经讲到，磁力仪主要用于野外测量，因而功能强、功耗低是磁力仪设计的一个重要标准。 因此，我选用意法半导体生产的超低功耗 32位 ARM处理器 STM32L152RB作为主控 CPU[13]。 该处理器概述见表。 表 STM32L152RB芯片概览 型号 程序存储器 RAM （ bytes） 数据EEPROM(bytes) A/D输入 类型 容量 STM32L152RB FLASH （ Kbytes） ● 128 16K 4K 20179。 12bit I/O端口（大电流） LVD级别 封装 供电电压（ V） 51（ 51） 7 LQFP64/BGA64 ~ 串行接口 定时器功能 2xSPI, 2xI178。 C, 3xUSART (IrDa， ISO 7816)， 1xUSB 16bit(IC/OC/PWM) 其他 8179。 16bit（ 16/16/16） SysTick，两个看门狗， RTC 特殊功能 段式 LCD控制驱动器， USB，电压调节， MPU，超低功耗振荡器，硬件 RTC， 6种低功耗模式， 2个比较器，复位系统 +BOR STM32L152RB芯片的主要性能特点如下 :  ARM CortexM3 32MHz处理器  内置 128K字节闪存， 16K字节 RAM和 4K字节 EEPROM  2个子系列：子系列间管脚、软件和外设兼容  与 STM32F系列在引脚分布上兼容 (但 STM32L没有 VBAT引脚 )  超低能耗：低至 185μ A/DMIPS  供电电压：带低电压检测 (BOR)时为 ~(在掉电时可降低至 )，不带低电压检测 (BOR)时为 ~  6种超低功耗模式：功耗最低可达 270nA  超低功耗动态模式：低功耗运行时功耗低至 A，低功耗睡眠且有 1个定时器运行时功耗低至 A  运行模式，代码从 FLASH执行加动态电压调节 (3种模式 )，经济功耗低达 中南大学学士 学位论文 15 230μ A/MHz  丰富的高端模拟、数字外设  工作温度范围 40176。 C至 +85176。 C 通过以上描述，显然， STM32L152RB芯片完全满足 Overhauser质子磁力仪的要求，其强大的扩展性为在未来进一步提升仪器的功能提供了条件。 如有需要，完全可以为此仪器设计一 WIFI或 ZigBee模块，使其具有无线控制功能，方便测量。 ARM芯片强大的处理能力还能满足简单的数据处理要求。 在具有强大功能的同时， STM32L152RB芯片还具有超低的功耗，可以满足野外长时间的测量任务。 其功耗数据见表。 表 STM32L152RB芯片功耗数据 运行模式 STM32L152RB 典型值： 25℃ 典型值： 3V 25℃ 动态运行于 FLASH（模式 1， 2， 3） 286， 265， 230uA/MHz 动态运行于 RAM（模式 1， 2， 3） 270,218,186uA/MHz 运行于 RAM低功耗模式 低功耗睡眠模式，使能一个定时器 使能了 RTC的停止模式 没有使能 RTC的停止模式 使能了 RTC的待机模式 没有使能 RTC的待机模式 可见，该芯片具有相当低的功耗。 现在市面上具有较低功耗的单片机为 MSP430系列，其中， MSP430F149单片机工作电流为 250uA/MHz。 通过对比，此设计所使用的 STM32L152RB芯片的功耗近似于或低于市面上的单片机功耗，因而，该仪器的控制系统功耗将会低于市面上的质子磁力仪， ARM芯片先进的电源管理系统也有助于降低系统功耗。 因此，使用该芯片进行设计完全可行。 系统中，基于 STM32L152RB芯片 设计的主控板除了要实现基本的测量和控制功能以外，还要能够实现测量数据的保存查询、日期和时间， GPS定位显示和日历时钟校准，测量模式选择，数据及其曲线显示，与 PC机通讯，温度监控，电量检测等功能。 信号 测量 探头配谐 Overhauser磁力仪利用 LC并联谐振回路进行选频测量 [14]，谐振公式为 12 √ (31) 中南大学学士 学位论文 16。