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基于核磁共振方法的磁场测量仪

作　者: 李金凤
导　师: 王文理
学　校: 河北大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 磁感应强度测量仪核磁共振边缘振荡器自动搜索和跟踪频率测量
分类号: O482.532
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 61次
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内容摘要

核磁共振理论诞生于1946年,经过60多年的发展已经相当成熟,用于建立以原子常数为尺度的磁场参量自然基准,具有测量精度高、受外界干扰小、信号稳定清晰等其它方法无法比拟的优势。本文介绍了核磁共振理论原理,以及基于核磁共振方法的数字化标准磁场测量仪系统的设计与开发,深入阐述了系统控制与显示部分的软硬件设计方案。本系统以边缘振荡器的设计以及核磁共振信号的提取为核心,从节约测量时间的角度出发,首先利用霍尔效应器件粗略测量磁感应强度,根据核磁共振理论选择仪器档位。进而使用单片机控制D/A转换器输出,通过改变变容二极管反向偏压调整边缘振荡器的振荡频率,实现共振信号的自动搜索和跟踪。最后采用CPLD和单片机测量边缘振荡器的振荡频率,根据拉莫尔进动公式转换成待测磁场的磁感应强度,由液晶显示器输出测量结果和核磁共振信号的示意图。本设计从电源、电路设计和印刷电路板制作三个角度保证设计的可靠性,使量程达到0.1T～2T,精度为10-5～10-7,并以实验事实为依据,对边缘振荡器的原理做了进一步探讨。实验证明,本仪器体积小、重量轻、成本低、操作简便、测量精度高且速度快,适合用作标准磁场测量仪。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章引言  11-15
  1.1 磁场测量技术的研究背景  11
  1.2 磁场测量技术的研究意义  11-12
  1.3 磁场测量技术的国内外研究动态  12-13
  1.4 磁场测量技术的发展趋势  13-14
  1.5 本论文主要内容及章节安排  14-15
第2章核磁共振原理及系统设计方案  15-25
  2.1 核磁共振的产生与发展  15
  2.2 核磁共振的应用  15-16
  2.3 核磁共振理论原理  16-18
    2.3.1 原子核的自旋与磁矩  16
    2.3.2 自旋核在静磁场中的行为  16-18
    2.3.3 核磁共振现象和共振条件  18
  2.4 影响核磁共振信号的因素  18-19
    2.4.1 温度和外磁场对NMR信号的影响  18-19
    2.4.2 外磁场均匀性对核磁共振信号的影响  19
  2.5 磁场测量仪的实现方法  19-25
    2.5.1 核磁共振仪整体结构  19
    2.5.2 检测共振信号的方法  19-22
    2.5.3 搜索核磁共振信号的方法  22
    2.5.4 磁场测量仪的整体设计方案  22-25
第3章共振信号产生部分设计实现  25-37
  3.1 边缘振荡器  25-31
    3.1.1 边缘振荡器的概述  25
    3.1.2 边缘振荡器的经典实现方案  25-27
    3.1.3 变容二极管的选择  27-28
    3.1.4 边缘振荡器的设计  28-31
  3.2 探头  31-32
  3.3 磁场调制  32-34
    3.3.1 调制磁场的意义  32-34
    3.3.2 调制磁场的实现  34
  3.4 信号调理  34
  3.5 关于边缘振荡器原理的探讨  34-37
第4章共振信号的自动搜索和跟踪部分设计实现  37-48
  4.1 霍尔器件粗略测量磁场  37-40
    4.1.1 实现方案  37-38
    4.1.2 测量电路设计  38
    4.1.3 粗测结果的数字化  38-40
  4.2 共振信号的自动搜索和跟踪部分实现方案  40-42
    4.2.1 常用实现方案  40
    4.2.2 实现方案的比较与选取  40-42
  4.3 共振—脉冲产生电路  42-43
  4.4 D/A转换器的选取  43-44
  4.5 计时与振荡频率调整部分设计实现  44-48
    4.5.1 单片机程序设计  44-47
    4.5.2 共振信号波形  47-48
第5章频率测量及磁感应强度的转化与显示部分设计实现  48-63
  5.1 设计方案  48
  5.2 振荡频率预处理  48-49
  5.3 CPLD部分程序设计  49-52
    5.3.1 测量状态机模块(controlstate)  49-50
    5.3.2 1KHz信号的产生  50-51
    5.3.3 闸门信号产生模块(devide)  51
    5.3.4 计数模块(count)  51
    5.3.5 传送模块(transmission)  51
    5.3.6 顶层模块  51-52
    5.3.7 测频仿真  52
  5.4 液晶显示器件的选取与连接  52-54
  5.5 单片机部分程序设计  54-61
    5.5.1 系统主程序  54-56
    5.5.2 液晶显示控制器初始化  56
    5.5.3 液晶显示器清屏  56
    5.5.4 字符串显示  56-58
    5.5.5 频率及磁感应强度的计算  58
    5.5.6 NMR波形显示程序设计  58-61
  5.6 显示界面  61-63
第6章磁场测量仪可靠性设计  63-67
  6.1 直流稳压电源  63
    6.1.1 设计直流稳压电源的意义  63
    6.1.2 直流稳压电源的设计  63
  6.2 电路可靠性设计  63-64
    6.2.1 提高单片机抗干扰性能  63-64
    6.2.2 温度保证  64
  6.3 印刷电路板的制作  64-67
    6.3.1 印刷电路板的设计  64-65
    6.3.2 电源与集成芯片去耦  65
    6.3.3 隔离与屏蔽技术  65-67
第7章结束语  67-72
  7.1 测量结果及技术特性  67-68
  7.2 不确定度分析  68-71
    7.2.1 频率测量的不确定度  68-69
    7.2.2 旋磁比的不确定度  69
    7.2.3 探头附加磁化引起的不确定度  69
    7.2.4 自动跟踪的不确定度  69-70
    7.2.5 射频场异向分量微扰引起的不确定度  70
    7.2.6 核磁共振现象的不确定度  70
    7.2.7 合成不确定度  70-71
  7.3 关键技术及创新点  71
  7.4 改进思想  71-72
参考文献  72-76
攻读硕士学位期间发表论文情况  76-77
附录  77-78
致谢  78

基于核磁共振方法的磁场测量仪

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