一种质子传感器

技术领域

本发明属于测量设备技术领域，具体涉及一种质子传感器。

背景技术

质子磁力仪多用于磁法勘探，作为地球物理勘探中一种十分重要的探测方法，其应用面十分广泛，例如地面、航空和海洋的磁场测量，矿物勘探、地震前兆勘探、地壳深部探测、高校教学以及军事领域等均有使用，而我国目前主要还是采用加拿大进口的设备，市面上现有的类似产品又存在以下问题：

(1)设备整体功耗较大；

(2)测量精度低，只能达到0.1nT。

这两个缺点导致市面上还没有出现可替换进口设备的产品，不能有效满足现阶段的使用需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种质子传感器，以便解决上述提到的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种质子传感器，包括：

供电模块；

电控模块，和所述供电模块电连接；

传感器探头，和所述电控模块、供电模块分别电连接，所述传感器探头包括外壳和设置在外壳内的谐振腔，所述谐振腔包括：

线圈骨架，其中心为空腔结构，所述线圈骨架的表面贴有铜带；

自由基溶液，填充在所述线圈骨架的空腔结构中；

直流激励与信号接收线圈，用于接收检测信号，包括两个同向绕制在线圈骨架上的绕线线圈，两个绕线线圈反向连接后与电控模块电连接。

优选的，还包括涂覆在所述外壳表面，起到屏蔽作用的屏蔽层，所述屏蔽层通过屏蔽层连接线连接到系统地线。

优选的，所述电控模块包括：

电源管理模块，与所述供电模块电连接；

控制器，和所述电源管理模块电连接，用于整机的控制、信号处理及计算；

激励模块，分别和所述控制器、传感器探头电连接，用于接收控制器发送的控制指令，并根据控制指令将激励模块产生的激励信号作用在传感器探头上，使传感器探头完全极化，极化完成后在传感器探头内部产生进动检测信号；

匹配网络，分别和传感器探头、控制器电连接，用于接收控制器的控制信号，并根据控制信号启动匹配网络使传感器探头和匹配网络形成LC谐振，以提升进动信号信噪比；

信号处理模块，分别和匹配网络电连接，用于对匹配网络内传递过来的信号进行处理；

频率测量模块，分别和所述信号处理模块、控制器电连接，用于接收信号处理模块传递的信号，并对接收到的信号进行频率测量后将测量结果传送给控制器进行处理；

姿态传感器，与所述控制器电连接，用于检测系统的运动姿态，并将检测到的运动姿态上传给控制器进行处理，所述控制器对接收到的运动姿态进行处理，计算出需要匹配的通道，并发出控制指令给匹配网络。

优选的，还包括用于实现电控模块和传感器探头的电连接的SMA接头，所述SMA接头通过直流激励输入与进动信号输出屏蔽线和射频激励输出屏蔽线分别与所述电控模块、传感器探头电连接。

优选的，还包括呈筒形的承压仓，所述供电模块、电控模块和传感器探头设置在所述承压仓内，所述承压仓的开口端卡装有承压仓密封盖。

优选的，所述承压仓密封盖上设置有水密接头，所述水密接头的一端和所述供电模块电连接，另一端和充电线及上位机通信线电连接。

优选的，所述承压仓密封盖上还设置有LED灯，所述LED灯分别与所述供电模块、电控模块电连接，所述承压仓密封盖上还设置有LED灯罩，所述LED灯罩位于所述LED灯的侧边。

本发明提供的一种质子传感器，采用射频激励和探头整体产生电子共振，同时结合微小直流激励产生偏置磁场，并且设计了独立的电池仓给整个设备进行供电，提高了设备整体的工作时长，还采用匹配网络和频率测量模块进行频率测量，提高了测量精度。

本发明通过使用射频激励大大提高了探头极化的效率，降低了极化所需的直流激励电流，进而使设备的整体功耗降低至传统质子传感器的功耗的1/5，结合使用新型的匹配机制和测频模块整体提高了设备的工作效率和测量精度，并合理的规划了电池仓配合电源管理，能够有效地提高设备的运行时长，相较于国外的设备，在运行时长方面提升了接近10倍，实用性强，值得推广。

附图说明

图1为本发明的质子传感器的结构示意图；

图2为本发明的电控模块的结构示意图。

附图标记：

(1)外壳；(2)屏蔽层；(3)直流激励与信号接收线圈；(4)线圈骨架；(5)屏蔽层连接线；(6)自由基溶液；(7)谐振腔；(8)直流激励输入与进动信号输出屏蔽线；(9)SMA接头；(10)射频激励输出屏蔽线；(11)匹配网络；(12)姿态传感器；(13)信号处理模块；(14)频率测量模块；(15)控制器；(16)电源管理模块；(17)激励模块；(18)航空插头；(19)供电模块；(20)电池仓；(21)内部连接骨架；(22)连接线；(23)承压仓密封盖；(24)充电线及上位机通信线；(25)水密接头；(26)水密堵头；(27)承压仓；(28)LED灯罩。

具体实施方式

本发明提供了一种质子传感器，下面结合图1和图2结构示意图，对本发明进行说明。

实施例1

一种质子传感器，其结构包括供电模块19；电控模块，和供电模块19电连接；传感器探头，和电控模块、供电模块19分别电连接，传感器探头包括外壳1和设置在外壳1内的谐振腔7。

具体的结合图1进行描述，外壳1、屏蔽层2、直流激励与信号接收线圈3、线圈骨架4、屏蔽层连接线5、自由基溶液6、谐振腔7组成了传感器探头的主体结构。

其中，外壳1是带端盖的OPM外壳，其作用是抗震和保护的作用，外壳1和线圈骨架4之间是紧配合的，屏蔽层2涂敷在外壳1表面，起到屏蔽的作用，提升探头抗干扰的能力，直流激励与信号接收线圈3是由两个独立的同向绕制在线圈骨架4上的线圈反向连接组成的，线圈用于信号接收，反向连接的作用是提高抗干扰能力，线圈骨架4的主体结构为两端大中间小的圆柱台结构，直流激励与信号接收线圈3绕制在线圈骨架4的直径较小的位置。

谐振腔7的结构包括：

线圈骨架4，其中心为密闭的玻璃容器，自由基溶液6填充在线圈骨架4的空腔结构中，线圈骨架4的表面贴有铜带，使线圈骨架4构成谐振腔7，谐振腔得作用是提升极化效率。

直流激励与信号接收线圈3，用于接收检测信号，包括两个同向绕制在线圈骨架4上的绕线线圈，两个绕线线圈反向连接后与电控模块电连接。

进一步的，还包括涂覆在外壳1表面，起到屏蔽作用的屏蔽层2，屏蔽层2通过屏蔽层连接线5连接到系统地线，以便于提升屏蔽层的效果和探头的抗干扰能力。

进一步的，如图2所示，电控模块包括：

电源管理模块16，与供电模块19电连接；

控制器15，和电源管理模块16电连接，用于整机的控制、信号处理及计算；

激励模块17，分别和控制器15、传感器探头电连接，用于接收控制器15发送的控制指令，并根据控制指令将激励模块17产生的激励信号作用在传感器探头上，使传感器探头完全极化，极化完成后在传感器探头内部产生进动检测信号；

匹配网络11，分别和传感器探头、控制器15电连接，用于接收控制器15的控制信号，并根据控制信号启动匹配网络11使传感器探头和匹配网络形成LC谐振，以提升进动信号信噪比；

信号处理模块13，分别和匹配网络11电连接，用于对匹配网络11内传递过来的信号进行处理；

频率测量模块14，分别和信号处理模块13、控制器15电连接，用于接收信号处理模块13传递的信号，并对接收到的信号进行频率测量后将测量结果传送给控制器15进行处理；

姿态传感器12，与控制器15电连接，用于检测系统的运动姿态，并将检测到的运动姿态上传给控制器15进行处理，控制器15对接收到的运动姿态进行处理，计算出需要匹配的通道，并发出控制指令给匹配网络11。

电控模块和传感器探头之间通过直流激励输入与进动信号输出屏蔽线8和射频激励输出屏蔽线10实现电连接，进行通信，结构上采用SMA接头9实现连接，目的是方便生产和维护。

电源管理模块16和电控模块内部各部分均是电连接，给各部分进行供电，必要时也可以实现掉电，达到低功耗的目的。

激励模块17通过射频激励输出屏蔽线10和直流激励输入与进动信号输出屏蔽线加载到探头上，使探头完全极化；极化完成后在自由基溶液6内部产生进动信号，并由直流激励与信号接收线圈3上的信号接收线圈感应接收到信号，通过直流激励输入与进动信号输出屏蔽线8送到电控模块内部的匹配网络11，目的是通过匹配网络11和探头内部的直流激励与信号接收线圈3通过电连接形成LC谐振，提升进动信号的信噪比和抗干扰能力；姿态传感器12和控制器15之间是电连接，姿态传感器12能够给出粗略的磁场值，并通过在控制器15内查表能够知道在该磁场值的条件下匹配网络11应该接入到哪个档，在这个档匹配网络11和探头内部的直流激励与信号接收线圈3形成的LC谐振频率和当前产生的进行信号的频率最接近，在该档下，接收到的进动信号的信噪比最高，抗干扰能力最强；接收到的进动信号通过电连接送到信号处理模块13进行信号处理，进一步提升信号的信噪比和抗干扰能力；经过信号处理模块13处理的进动信号通过电连接送到频率测量模块14进行频率测量，频率测量模块14测量频率的精度可达4*10

供电模块具体的采用锂电池组，通过连接线22给电控模块进行供电，锂电池组设置在电池仓20内，目的是将锂电池组封装成一个整体，方便生产装配，同时也起到保护作用。

内部连接骨架21将内部的结构件连接成一个整体，方便整体安装；承压仓27和承压仓密封盖23主要用于将整个设备进行水密，保证在水下也能正常运行。

供电模块19和承压仓密封盖23、供电模块19和内部连接骨架21，传感器探头和内部连接骨架21之间采用相同的结构直连，实现将传感器探头、电控模块、电池仓20以及承压仓密封盖23连接成一个整体，方便后期生产过程中的生产和装配，也能够起到固定和支撑的作用；此时设备内部全部装配完成，设备已经带电，完成整体连接后装入承压仓27中，起到水密保护和抗震的作用；利用承压仓密封盖23进行密封，也是水密和抗压的作用；后期给设备充电和通信可通过水密接头25和充电线及上位机通信线24实现，水密接头25和充电线及上位机通信线24之间是电连接；水密堵头26和水密接头25卡合连接，实现水密和保护水密接头25的作用；LED灯罩28和承压仓密封盖23是通过螺纹连接的，嵌入到承压仓密封盖23内，用于保护LED灯罩28内部嵌入的LED，LED方便观察设备的运行状态。

使用时，控制器15先发出控制指令给激励模块17，激励模块17产生激励同时加载到传感器探头上，经过一定时长后，控制器15发出控制指令给激励模块17，激励模块17停止激励输出加载在传感器探头上，此时在直流激励与信号接收线圈3上会产生进动信号，与此同时姿态传感器12将测量的数据发送给控制器15，在控制器内部通过计算和查表得到需要匹配的通道，控制器15通过发送对应的指令去控制匹配网络11完成通道匹配，使传感器探头和匹配网络形成LC谐振，以此来提升进动信号信噪比，谐振后的进动信号再经过信号处理模块13进行放大和滤波，进一步提升信号信噪比，放大和滤波完成后的信号输入到频率检测模块14就能够准确的测量出进动信号一个周期或者多个周期的时间长度，然后通过控制器内部的程序实现信号周期和信号频率之间的计算，最终根据控制器计算得到的进动信号的频率和根据经典物理学中该进动信号频率与地磁场之间的关系计算得到当前的地磁场值。

本发明的质子传感器，工作原理是激励模块通过发射和谐振腔以及自由基溶液谐振频率一致的固定频率来激发质子传感器探头内的自由基溶液发生极化，产生拉莫尔进动信号，但是由于激发产生的拉莫尔进动信号很微弱，无法直接测量，因此采用快速匹配网络来提高拉莫尔进动信号的信噪比，其原理是LC谐振，经过谐振的拉莫尔进动信号通过信号处理电路放大和整形，输入到频率测量模块，频率测量模块通过对多个周期的信号时长测量并计算，输出其对应的频率，根据经典物理学中拉莫尔进动信号的频率和地磁场存在的关系式，进行后续的数据处理得到待测磁场值，最终通过串口将得到磁场值上传显示到PC端。

本发明提供的一种质子传感器，通过使用射频激励大大提高了探头极化的效率，降低了极化所需的直流激励电流，进而使设备的整体功耗降低至传统质子传感器的功耗的1/5，结合使用新型的匹配机制和测频模块整体提高了设备的工作效率和测量精度，并合理的规划了电池仓配合电源管理，能够有效地提高设备的运行时长，相较于国外的设备，在运行时长方面提升了接近10倍。本发明功耗低、精度高、工作时间长，有效的打破了西方国家在该领域的垄断，实用性强，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。