質(zhì)子旋進磁力儀（PPM）AM502磁力儀

該設(shè)備是高精度的質(zhì)子磁力儀，可用于精確確定地球磁場，精度約為半納米特斯拉。經(jīng)過漫長的開發(fā)階段和許多原型，當(dāng)前版本的數(shù)據(jù)可以到達商用設(shè)備的數(shù)據(jù)。

總磁場磁力儀，用于精確測量地球磁場。質(zhì)子進動的工作原理導(dǎo)致高度穩(wěn)定的讀數(shù)，而讀數(shù)幾乎與傳感器的方向無關(guān)。由于其具有成本效益的設(shè)計和易于操作的特性，AM502質(zhì)子磁力計是許多應(yīng)用的理想選擇，例如礦物勘探，UXO檢測，考古學(xué)，磁性天文臺等等。
 

• 低噪聲全場磁力計
• 分辨率：0.1 nT
• 2 nT精度
• 全自動調(diào)音
• 可充式傳感器
• 簡單直觀的操作和堅固的防風(fēng)雨設(shè)計（IP65）
• 可選的GPS接收器用于磁場測繪

功能AM502磁力儀

磁力計的構(gòu)造不含機電組件（無繼電器），既適合于在穩(wěn)態(tài)操作（例如用于極光預(yù)報或用于檢測太陽風(fēng)暴）中監(jiān)測地球磁場，也可用于移動應(yīng)用。以下是重要的數(shù)據(jù)：

• 測量范圍30000至60000nT
• 測量頻率高每秒1次測量
• 0.1nT分辨率，50ppm精度
• *晶體管化，無繼電器，無易損件
• 全自動調(diào)節(jié)（自動調(diào)諧功能）
• 針對12V鉛酸電池運行進行了優(yōu)化（11-15V，大2A，平均約0.8A）
• 短路和反極性保護
• 非易失性存儲32768個測量值（GPS選項：包括時間/日期和坐標(biāo)）
• 通過串行接口輸出數(shù)據(jù)
• 壓電蜂鳴器，用于報警和按鍵反饋
• 操作和讀取簡單（差異顯示為條形圖）
• 可以永的久運行（天文臺）
• 密封，永的久密封的傳感器，無填充物或類似物 必要
• 堅固的鋁制外殼（德國制造），外殼IP65，連接器IP40或IP65（可選）
• 控制單元尺寸：171x54x130mm（HxWxD）
• 傳感器尺寸：長度：315mm（無連接），直徑：75mm，重量：2.2kg

動機

開發(fā)此設(shè)備的原因是希望從地球磁場中找出其秘密，這恰恰是因為人類感官難以接近它。太陽風(fēng)暴，電流，磁性物體-一切都會不斷影響我們周圍的磁場。海員擔(dān)心可能的磁山將釘子從船上拉出來。有足夠的理由使用一種驚人的測量方法來接近問題，該方法可以接收和評估來自原子內(nèi)部世界的信號。

從第1個原型（圖的右上角）到半專業(yè)設(shè)備的進一步發(fā)展是一種運動野心，它想要完美的東西，當(dāng)然還有參與開發(fā)的其他電子愛好者的動力。因此，現(xiàn)在有一個使用說明書，一部簡短的YouTube電影給人留下了對設(shè)備及其用途的印象！但是，這些說明指的是較早的設(shè)備版本之一。

結(jié)構(gòu)和概述

磁力計使用質(zhì)子核磁共振原理，類似于核磁共振斷層掃描儀中的原理，但場強明顯較低。磁場將盡可能多的核自旋帶到同一方向。關(guān)閉這種“極化”后，核自旋像地球磁場中的小陀螺儀一樣旋轉(zhuǎn)。進動頻率直接取決于地球磁場，并且可以由感應(yīng)線圈檢測到。下圖顯示了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

傳感器（1）由兩個沿相反方向纏繞的線圈組成。這種布置防止了由外部磁場引起的干擾相互消滅。在線圈的中心有一個裝有液體的容器，例如異丙醇或石蠟。盡管水原則上是合適的，但由于有凍結(jié)的危險而將其排除在外。線圈的首要任務(wù)是對準(zhǔn)核自旋。為此，開關(guān)（3）用于通過電流限制器（4）和幾乎無損的反極性保護（5）將線圈系統(tǒng)連接到電源（Ubatt）。該極化階段持續(xù)約0.5至5秒，此后在室溫下幾乎沒有任何自旋對準(zhǔn)。在組裝傳感器之前，先看一下傳感器線圈：

在極化階段之后，電流被開關(guān)裝置（3）中斷。與每個線圈一樣，現(xiàn)在感應(yīng)出一個高電壓，該高電壓通過電壓限制（2）進行限制，直到線圈“放電”為止。在*放電之前，電流和電壓的過程會通過一個電阻來衰減，該電阻也包含在（2）中。

在線圈極化和放電后，自旋對準(zhǔn)并在地球磁場中運行。在地磁場的典型場強下，頻率約為1.5至2.5 kHz。盡管介質(zhì)中沒有金屬物體，也沒有相關(guān)電流流過，但線圈系統(tǒng)（1）中會感應(yīng)出電壓。它通過模擬開關(guān)（7）傳遞到可變開關(guān)電容器組（8）和前置放大器（9）。借助電容器，線圈形成一個諧振器，類似于簡單的無線電接收器，該諧振器在幾微伏的范圍內(nèi)將信號強度提高了十倍。

通過（9）將信號放大1000到2000倍后，盡管諧振器已調(diào)諧，但噪聲仍占主導(dǎo)地位。為了進一步減少這種情況，使用了可編程帶通（10），它再次將帶寬小于100Hz的信號放大了20到50倍。然后，在比較器（11）的幫助下，將以這種方式處理的信號轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)（12）的處理器。在此，以約500 ms的測量間隔確定所有零交叉的時間，并將其用于頻率的數(shù)學(xué)確定。例如，如果德國南部的地球磁場為47500nT，則其頻率約為2022.35Hz。

關(guān)于質(zhì)子磁力計基本功能的更多詳細信息，例如，可以在 Wikipedia上的相應(yīng)文章中找到。

通常應(yīng)注意，質(zhì)子磁力計僅適用于遠離建筑物和電力線的露天場所，因為它們通常會導(dǎo)致較大的磁場波動和梯度。因此，通常不能在建筑物內(nèi)進行操作，在室外，離金屬夾雜物（混凝土）和電力線（也包括地下）的建筑物應(yīng)保持至少5m的無干擾運行。傳感器也應(yīng)在至少1m的高度上運行，因為始終存在于地下的電流和磁性礦物否則也會由于強磁場梯度而導(dǎo)致錯誤的測量值。

測量結(jié)果

下圖（請單擊放大）顯示了2012年7月15日至16日在路德維希堡（紅色）和不倫瑞克（藍色）附近的地球磁場的過程。不倫瑞克工業(yè)大學(xué)設(shè)有一個帶觀測站的磁鐵實驗室，并在其網(wǎng)站上提供 了 新的測量數(shù)據(jù)，從而使這種比較成為可能。

紅色測量曲線的變寬（噪聲）是由于電磁干擾場（例如電力線和通過附近鐵路線的火車）引起的。離群值是在短距離（約10m）內(nèi)通過傳感器的車輛。在這里，您可以看到車輛到達并停在15m外的情況：

甚至在晚上，在有住宅建筑物的建筑區(qū)域中，背景噪聲也為+ -2至3nT：

只能在遠離居民區(qū)的地方再次觀察到波動的減少。到建筑物的距離約為3公里，到下一條街的距離約為1.5公里。為了進行比較，此處顯示的磁力計的測量數(shù)據(jù)以紅色繪制，而藍色數(shù)據(jù)是不倫瑞克專業(yè)Overhauser磁力計的測量結(jié)果：

在大測量頻率（1Hz）下，設(shè)備在偏遠森林地區(qū)的波動?？梢约俣ㄟ@主要是測量設(shè)備的背景噪聲。在此示例中，噪聲的均方根值約為0.25nT。在專業(yè)的Overhauser磁力計領(lǐng)域中，平均4個值會導(dǎo)致本底噪聲為0.1nT（有效）：

后，是激發(fā)質(zhì)子的“聲音”?？偸呛苤缘氖侨绾螐闹T如水之類的液體中產(chǎn)生磁信號。這是WAV格式（165kB）的信號，該信號也記錄在具有許多電源線的密集區(qū)域中。頻譜分析顯示了從50Hz和100Hz到kHz范圍內(nèi)的諧波。這些是如此*，以至于盡管以相反方向連接的傳感器線圈采用了精確的繞線技術(shù)，但仍無法*抑制。這意味著電源線始終是一個問題，尤其是在將質(zhì)子磁力計用于移動應(yīng)用時。

使用磁力計軟件工具（PPMTOOL），可以創(chuàng)建所謂的輪廓圖，該輪廓圖使用記錄的GPS坐標(biāo)在地圖上以彩色顯示磁場強度。以下示例顯示了使用此處介紹的磁力計發(fā)現(xiàn)的地下水管線，顯然是從水箱（東北角，左上）到水塔（右下）鋪設(shè)的。使用KML，此類磁場圖也可以集成為Google Maps中的地面疊加層，然后可以進行交互式操作。

該測試表明，使用業(yè)余設(shè)備也可以實現(xiàn)來自Geometrics，Gemsys和Scintrex的極其昂貴的“專業(yè)設(shè)備”的分辨率和質(zhì)量。

磁力軟件工具

可以將存儲的測量值傳輸?shù)絎indows PC，尤其是用于移動設(shè)備。具有GPS坐標(biāo)的數(shù)據(jù)可以快速輕松地顯示為插值的彩色地毯。

該工具非常簡單，實際上僅用于數(shù)據(jù)下載。數(shù)據(jù)可以CSV格式導(dǎo)出以進行進一步的分析和分析，因此也可用于其他程序（例如，沖浪者）。

無需軟件即可純傳輸當(dāng)前測量值。測量后，值以ASCII格式傳輸。該軟件工具僅對于讀出記錄的數(shù)據(jù)是必需的。

早期版本

在開發(fā)階段，在一個非常小的外殼中創(chuàng)建了一個版本（AM502C）。但是，背面的連接器和不受保護的撥動開關(guān)不太適合移動使用：

下圖（AM502FL）的版本在前面板上提供了更堅固的工業(yè)連接器，但由于采用塑料框架，因此外殼沒有特殊的保護等級，并且不如新版本堅固，但是撥動開關(guān)已被薄膜開關(guān)代替：

進一步資料

這里有一些值得閱讀有關(guān)質(zhì)子磁力計信息的鏈接。

• 便攜式磁力儀應(yīng)用手冊（S. Breiner）。在我看來，這對于在搜索對象時移動使用高靈敏磁力計來說就像是“標(biāo)準(zhǔn)工作”。
• 業(yè)余愛好者建造磁力計的實用指南（第1部分：磁力計技術(shù)簡介）（W。Bayot）。對于質(zhì)子磁力計的詳細結(jié)構(gòu)和功能感興趣的每個人，都有大量信息。該文檔包含許多鏈接，還有一個Excel工作表，用于計算質(zhì)子磁力計的傳感器線圈。
• 業(yè)余愛好者建造磁力計的實用指南（第2部分：實用建筑指南）（W。Bayot）。任何正在考慮制造質(zhì)子磁力計的人都應(yīng)該閱讀此文檔。
• 磁測量和天文臺實踐指南（JERZY JANKOWSKI和CHRISTIAN SUCKSDORFF）。 對于那些不那么關(guān)注移動使用和搜索對象的人，但是對于那些想要從科學(xué)的角度觀察地球磁場的人來說，這非常有趣。
• 協(xié)助撤離武的器附錄A-3.1.2：地球物理學(xué)/磁性學(xué)。聯(lián)邦環(huán)境，自然保護，建筑和核安全部的可讀文章。

對于一般介紹，當(dāng)然也建議在Wikipedia上發(fā)表有關(guān)核磁共振（NMR，核磁共振）和質(zhì)子磁力計的相應(yīng)文章。

該測試表明，使用業(yè)余設(shè)備也可以實現(xiàn)來自Geometrics，Gemsys和Scintrex的極其昂貴的“專業(yè)設(shè)備”的分辨率和質(zhì)量。

磁力軟件工具

可以將存儲的測量值傳輸?shù)絎indows PC，尤其是用于移動設(shè)備。具有GPS坐標(biāo)的數(shù)據(jù)可以快速輕松地顯示為插值的彩色地毯。

該工具非常簡單，實際上僅用于數(shù)據(jù)下載。數(shù)據(jù)可以CSV格式導(dǎo)出以進行進一步的分析和分析，因此也可用于其他程序（例如，沖浪者）。

無需軟件即可純傳輸當(dāng)前測量值。測量后，值以ASCII格式傳輸。該軟件工具僅對于讀出記錄的數(shù)據(jù)是必需的。

早期版本

在開發(fā)階段，在一個非常小的外殼中創(chuàng)建了一個版本（AM502C）。但是，背面的連接器和不受保護的撥動開關(guān)不太適合移動使用：

下圖（AM502FL）的版本在前面板上提供了更堅固的工業(yè)連接器，但由于采用塑料框架，因此外殼沒有特殊的保護等級，并且不如新版本堅固，但是撥動開關(guān)已被薄膜開關(guān)代替：

進一步資料

這里有一些值得閱讀有關(guān)質(zhì)子磁力計信息的鏈接。

• 便攜式磁力儀應(yīng)用手冊（S. Breiner）。在我看來，這對于在搜索對象時移動使用高靈敏磁力計來說就像是“標(biāo)準(zhǔn)工作”。
• 業(yè)余愛好者建造磁力計的實用指南（第1部分：磁力計技術(shù)簡介）（W。Bayot）。對于質(zhì)子磁力計的詳細結(jié)構(gòu)和功能感興趣的每個人，都有大量信息。該文檔包含許多鏈接，還有一個Excel工作表，用于計算質(zhì)子磁力計的傳感器線圈。
• 業(yè)余愛好者建造磁力計的實用指南（第2部分：實用建筑指南）（W。Bayot）。任何正在考慮制造質(zhì)子磁力計的人都應(yīng)該閱讀此文檔。
• 磁測量和天文臺實踐指南（JERZY JANKOWSKI和CHRISTIAN SUCKSDORFF）。 對于那些不那么關(guān)注移動使用和搜索對象的人，但是對于那些想要從科學(xué)的角度觀察地球磁場的人來說，這非常有趣。
• 協(xié)助撤離武 的器附錄A-3.1.2：地球物理學(xué)/磁性學(xué)。聯(lián)邦環(huán)境，自然保護，建筑和核安全部的可讀文章。

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