地面核磁共振找水儀放大器設(shè)計(jì)(二)

在EWB上構(gòu)建一個(gè)雙二次型帶通濾波器，中心頻率1kHz，通帶增益10，通頻帶寬度為Bw.當(dāng)調(diào)節(jié)Bw為100 Hz時(shí)，圖6信號(hào)通過該濾波器的輸出波形如圖9(a)所示。而當(dāng)Bw為10 Hz時(shí)，圖6信號(hào)通過該濾波器的輸出如圖9(b)所示?？梢?，兩種帶寬輸出都產(chǎn)生了失真，濾波器帶寬越窄失真越大。為了提高信噪比， Bw不能太寬，而兼顧失真度，它又不能太窄，所以設(shè)計(jì)NMR放大器Bw為100Hz.失真主要是起始部分，可以在數(shù)據(jù)處理時(shí)按照后面的衰減規(guī)律往前延拓恢復(fù)原信號(hào)。可以把Bw設(shè)計(jì)為可程控參數(shù)，當(dāng)干擾較小時(shí)，帶寬可以大一些。從頻譜分析可知， T*2越小， NMR信號(hào)頻帶越寬。而地面核磁共振找水儀主要尋找自由水，有開采價(jià)值的測(cè)點(diǎn)T*2一般在100ms以上。所以Bw為100Hz的放大器處理100ms以上的NMR信號(hào)效果會(huì)更好。

3.2放大器增益設(shè)計(jì)

要探測(cè)深度150m及以下的水，信號(hào)為nV數(shù)量級(jí)。而滿足A /D采集的可靠信號(hào)應(yīng)在10mV以上，所以放大器增益應(yīng)達(dá)到140dB.而在探測(cè)淺層水時(shí)，信號(hào)可能較大，放大器增益不能太大。所以把增益設(shè)計(jì)為可程控，進(jìn)一步可以設(shè)計(jì)為自動(dòng)增益測(cè)量。以放大器各級(jí)輸出不飽和為原則，增益盡可能地大。為了提高信噪比，前置放大器以低噪聲和滿足濾波器輸入要求為主要考慮因素，放大倍數(shù)不必太大。各級(jí)間需仔細(xì)設(shè)計(jì)阻抗匹配，而且前置級(jí)還需設(shè)計(jì)噪聲匹配。

3. 3屏蔽與接地

檢測(cè)nV級(jí)信號(hào)的濾波器只能濾除從信號(hào)線引入的干擾，而從空間輻射的電磁波干擾必須由嚴(yán)密的屏蔽措施和適當(dāng)?shù)慕拥卮胧┙鉀Q。本放大器用一定厚度的合金加工形成多層密閉的放大器屏蔽盒，盒體接大地。在長春市腰高家窩堡已經(jīng)測(cè)到小于50nV的NMR模擬信號(hào)。

4 NMR放大器總體設(shè)計(jì)

圖10為NMR放大器總體框圖。在全世界范圍內(nèi)，地磁場(chǎng)強(qiáng)度在30000nT(在赤道附近)到60000nT (在南極、北極)范圍。拉莫爾頻率f0(Hz)= 0.0426B0(nT).

所以f0 = 1. 278~ 2. 556 kH z，在此范圍以外就是干擾信號(hào)。本放大器中設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻截止頻率fL=1kHz，高頻截止頻率fH=3kHz的寬帶濾波器。這個(gè)濾波器過渡帶的陡度應(yīng)盡可能地大。它最明顯的應(yīng)用效果是抑制工頻50Hz及其二次諧波的干擾，以及各種通信及廣播干擾。

NMR放大器需要測(cè)量nV級(jí)微弱信號(hào)，而接收天線卻是400~ 600 m長的電纜圍成的環(huán)狀天線，所以放大器的Bw越窄越好。但由上述可知,Bw太窄又會(huì)引起信號(hào)失真，需要設(shè)計(jì)Bw為可程控參數(shù)，所以選擇了f0、Bw和通帶增益都可以程控的開關(guān)電容濾波器MAX260作為程控窄帶濾波器。應(yīng)用開關(guān)電容濾波器的缺點(diǎn)是其時(shí)鐘可能給弱信號(hào)放大器引入干擾。這里采用前置級(jí)二次屏蔽、隔離、濾波等措施解決。程控增益放大器是為了適應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度大范圍變化而設(shè)計(jì)的。前置放大器的增益也可以程控，以提高信噪比。

5測(cè)試結(jié)果

5. 1寬帶濾波器頻率特性測(cè)試

測(cè)試設(shè)備： MS4360B網(wǎng)絡(luò)分析儀。

測(cè)試結(jié)果：圖11中的0、1、2、3、4分別為5個(gè)測(cè)試點(diǎn)， A0、A1、A2、A3、A4為與圖片對(duì)應(yīng)的測(cè)試值。

結(jié)果分析：通過測(cè)試可見，寬帶濾波器的高、低頻截止頻率分別約為3kHz和1kHz.50Hz處衰減52dB.

5.2窄帶濾波器頻率特性測(cè)試

測(cè)試設(shè)備： MS4360B網(wǎng)絡(luò)分析儀。

測(cè)試結(jié)果： (測(cè)高、中、低3個(gè)f 0處)圖12中的0、1、2分別為3個(gè)測(cè)試點(diǎn)， A0、A1、A2為與圖中對(duì)應(yīng)的測(cè)試值。

結(jié)果分析：此窄帶濾波器的帶寬為103Hz，符合設(shè)計(jì)的要求。

5.3最大增益測(cè)試

測(cè)試設(shè)備： MS4360B網(wǎng)絡(luò)分析儀，衰減器。

測(cè)試結(jié)果：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量結(jié)果。測(cè)定在保證100Hz帶寬條件下，最大增益為133dB，放大倍數(shù)為440萬倍左右。

5.4野外模擬信號(hào)測(cè)試

測(cè)試設(shè)備：核磁共振模擬信號(hào)源，電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射線圈，接收線圈。

測(cè)試地點(diǎn)：長春市新立城鎮(zhèn)腰高家窩堡西600m.測(cè)試時(shí)間： 2007年6月15日。

測(cè)試方法：采用線圈耦合的方式。

實(shí)驗(yàn)方法為：在野外鋪設(shè)實(shí)際工作的核磁共振線圈作為接收線圈。將所制作的核磁共振模擬信號(hào)源通過發(fā)射端串接電阻(43kΩ)接到另外一個(gè)線圈上作為信號(hào)發(fā)射線圈，模擬核磁共振信號(hào)。通過改變發(fā)射串接電阻或發(fā)射回路面積來改變信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)放大器的靈敏度進(jìn)行驗(yàn)證。

測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

結(jié)果分析：

放大器實(shí)際設(shè)置放大倍數(shù)為210000倍，將被測(cè)信號(hào)和噪聲折合到輸入端，可得放大器在該實(shí)驗(yàn)條件下能監(jiān)測(cè)到的最小信號(hào)為470nV左右。經(jīng)過波形數(shù)據(jù)多次疊加，可以將信噪比進(jìn)一步提高，使整體儀器能檢測(cè)最小50nV的核磁共振信號(hào)。

6結(jié)論

根據(jù)水中氫核具有核子順磁性且其磁矩不為零的特點(diǎn)，利用一個(gè)裝置發(fā)射一束具有拉莫爾頻率的正弦電磁波，激發(fā)地下水中氫核形成的宏觀磁矩;撤除激發(fā)信號(hào);接收該宏觀磁矩衰落過程中形成的核磁共振信號(hào);由其初始振幅、弛豫時(shí)間和初始相位等便可計(jì)算出地下水的相應(yīng)信息。NMR具有信號(hào)弱頻帶寬的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的NMR放大器選擇性好，檢測(cè)弱信號(hào)能力強(qiáng)，可靈活智能化調(diào)整，已成功應(yīng)用到NMR找水儀中，可靠地測(cè)到了100m深處的地下水。