毕业设计论文核磁共振 精品Word格式文档下载.docx

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地面核磁共振找水噪声测量弱信号放大器数据采集

外文摘要

TitleDesignofSimpleNoiseMeasurementDevice

Abstract

Wateristhemostvaluablenaturalresourcesforthesurvivalofmankind.TosolvethewatercrisisHigh-techinvestigationofgroundwaterhasbecomeanurgenttask.Themagneticresonancesoundingmethod（MRS）istheonlydirectdetectionofground-watermethod.However1kHzto3kHzenvironmentelectromagneticnoiseinfluencestheNMRwaterdetectorsignificantly.Inthispaper,theenvironmentinsuchasituation1kHz~3kHzpriortotheelectromagneticnoiseisestimatedthatwaterdetectorforfieldMRSexperimentsprovideabasisforselectingthemeasuringpoint.

Thedesignusesamulti-turnloopantennawith1msidetoreceiveelectromagneticnoise,aftertheweaksignalamplifierforamplification,throughtheaveragevaluedemodulator,thesignalrecordsaresampled.ThedataisprocessedinMCUandnoiseresultisdisplayedontheliquidcrystaldisplay,whichestimatetheelectromagneticnoiseenvironment.Thedevicecaneffectivelyassesstheelectromagneticnoiseintensityaccordingtoalargenumberoflabandfieldtestselectromagneticnoise.

Keywords：

magneticresonancesoundingnoisemeasurement

weaksignalamplifierdataacquisition

1绪论

1.1本课题研究背景

水是人类赖以生存的最宝贵的自然资源之一。

随着人类社会的进步和经济的发展以及人口的增加，对淡水的用量急增，加之水资源浪费与污染，使淡水资源越来越难以满足需要。

世界上有几十个国家严重缺水，2/3的人口面临缺水问题。

我国被列为世界上13个人均水资源缺乏的国家之一。

特别是西北、西南、华北、东北部分地区，缺水更为严重。

为解决中国的水危机，用高新技术勘察地下水成为当务之急。

核磁共振技术是当前世界上的尖端技术，用该技术找水是核磁共振技术应用的新领域，开创了应用地球物理方法直接找水的先河。

与其他地球物理找水方法相比，核磁共振找水方法主要具有以下优点：

一是能够直接找水，特别是找淡水。

二是信息量丰富，具有量化的特点。

三是经济、快速，完成一个核磁共振侧脸的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的1/10，可以快速地提供井位及划定找水远景区。

2006年9月，科技部在“十一五”国家科技支撑计划中设立了“科学仪器设备研制和开发”重大项目。

其中，由吉林大学等承担的“核磁共振找水仪的研制与开发”已进入完善阶段，该研究成功已经打破了法国仪器的垄断地位，使我国跃居使用该技术的世界先进国家行列。

该仪器已经再内蒙古、通辽等地进行了找水试验，为这些地区打井取用地下水提供了依据。

核磁共振找水仪需要检测nV级的信号，极易受电磁环境干扰，急需一种能对试验地点的环境电磁噪声进行检测的装置，在开展核磁共振实验前，首先对核磁共振实验区开展噪声检测，用于确定该点是否可以进行核磁共振找水。

1.2本课题研究目的和意义

电磁噪声（electromagneticnoise）指一种明显不传送信息的时变电磁现象。

它的频率、相位和振幅的变化是随机的,具有不规则性。

在射频频段内的电磁噪声，称为无线电噪声；

由机电或其他人为装置产生的电磁现象，称为人为噪声；

来源于自然现象的电磁噪声称为非人为噪声。

各种电磁噪声的存在，会对信号微弱的地质探测仪器产生干扰，导致地质探测仪器无法正常运行。

核磁共振找水仪器是一种直接的找水方法，其信号微弱，极易受到外界电磁噪声的干扰。

针对本文中的吉林大学研制的核磁共振找水仪，对于随机噪声，有很好的消除作用，但若主要噪声在1kHz-3kHz的频带内，如果设计者在不清楚这些电磁噪声的情况下选择测点，就可能由于噪声干扰而无法进行有效的找水实验，从而浪费大量时间。

这时需要一个噪声测试仪器针对环境中1kHz-3kHz的电磁噪声进行事先估计。

本篇论文就是基于上述要求，设计并实现一种可以估计环境中电磁噪声强弱的简易装置，并用该装置到不同的实验地点开展实验，为核磁共振找水仪工作测点的选择提供参考。

1.3本课题研究内容

本文主要工作是设计一套可以为核磁共振找水仪实验点提供依据的噪声测量装置。

全文共为七章，其结构和内容安排如下：

第1章为绪论，主要介绍了本论文的研究背景、意义和主要研究内容。

第2章对简易噪声测量装置的整体结构进行了介绍，给出了该装置的整体设计方案。

第3章微弱信号放大器模块整体设计与实现，详细介绍了其模拟部分、数字部分等。

第4章数据采集模块的设计与实现，介绍了该模块采集数据、处理数据、显示数据和对放大器模块设置修改。

第5章介绍了本测量装置的软件设计。

第6章介绍了测量装置装置的整体实现和实验结果。

2简易噪声测量装置总体设计

2.1总体电路框图

系统整体上要完成的功能主要有，电磁噪声信号的接收、放大，信号的滤波，信号幅值的测量、显示。

整体电路框图如下图2.1。

可分为三部分来进行设计，第一部分为接收环境电磁噪声天线的设计，第二部分为弱信号放大器模块的设计，第三部分为采集模块的设计。

图2.1系统的整体设计框图

2.2接收天线

接收噪声天线的设计有两点要求：

1、携带方便。

2、可以感应到一定幅值的电压信号。

基于这两点要求，并经过实验测试，最后选取用漆包线绕制50匝1mX1m多匝天线。

天线参数为L=10mH,R=59欧姆。

2.3弱信号放大

微弱信号放大器的设计主要有三点要求：

一是噪声小，二是满足通频带稳定，三是各级之间的阻抗匹配。

低噪声设计主要是在给定信号源的条件下，使放大器在信号工作频率范围内有最小的噪声。

同时，要得到良好的低噪声性能，还需要尽量避免来自外部环境的各种干扰。

因此，一个低噪声放大器不仅要尽量降低内部噪声，而且要很好地排除外部干扰。

外部干扰与器件内部噪声不同，通常具有一定的规律及传送的途径，可以采取适当措施抑制各种外部干扰。

针对本文设计的放大器，根据核磁共振找水仪要求和接收线圈的等效面积，此信号为纳伏数量级，而满足A/D采集的可靠信号应在10毫伏以上，所以放大器增益应不小于100dB。

而在实验室使用时，电磁噪声信号很大，放大器增益应远小于100dB。

之间相差很大，所以把增益设计为两个档位，并且设计为可程控，各档位依放大器各级输出不饱和为原则，增益尽可能的大。

本文放大器需要测量纳伏级微弱信号，而接收天线却是50匝1mX1m的多匝天线，干扰非常大，因此需要设计一个宽带滤波器，先粗略滤除我们不需要的干扰信号，此宽带滤波器通带到阻带过度区的陡度应尽可能地大。

它最主要的应用效果是抑制工频50Hz及其2次谐波干扰以及手机、电视台、广播电台等通讯设备发出的电磁波干扰。

滤波器只能滤除从信号线引入的干扰，而从空间辐射的电磁波干扰还需加入严密的屏蔽措施和适当的接地措施。

且各级间需仔细设计阻抗匹配。

通过上述分析，放大器设计的基本要求为：

1、增益为两个档位：

高增益档位可在150000-2500000之间调整，低增益档位可在4500-50000之间调整。

2、宽带滤波器的高频截止频率为4.5kHz，低频截止频率为1kHz，滤波器通带到阻带过度区的陡度应尽可能地大，通带平稳；

3、选频滤波部分要求中心频率可变，且带宽及通带增益都可程控；

4、整体抗干扰能力强、噪声低、系统稳定。

弱信号放大器的整体电路框图可在图2.1中看出，共分为四级，电源部分由开关电源产生，数字系统用于对MAX260进行控制。

本文弱信号放大器由前置放大器，宽带滤波器，开关电容窄带选频放大器，末级程控放大器组成，分级对无用的信号抑制，并实现对所需要信号有效放大，整体放大器置于金属屏蔽壳中。

电磁噪声通过接收线圈进入弱信号放大器，经过低噪声前置放大器的放大输入给宽带滤波器，宽带滤波器由通带特性良好的双二次型高通滤波器和低通滤波器级联组成，主要是为了抑制工频50Hz及其2次谐波干扰以及手机、电视台、广播电台等通讯设备发出的电磁波干扰。

然后输入到开关电容窄带选频滤波器，选频滤波器由2片MAX260开关电容滤波芯片构成，并用DDS芯片给MAX260提供时钟，通过单片机程控，可以实现对选频滤波器的中心频率、带宽、增益等进行灵活调整，增加了放大器灵活性。

选频滤波器输出信号经过程控增益放大电路放大后输出。

整个放大器系统通过屏蔽、阻抗匹配、电源滤波等手段，抑制从接收线圈以外得到的外界电磁噪声。

2.4数据采集模块

为了在野外携带方便，选取由单片机系统控制的数据采集模块，由单片机采集、处理、显示数据，由于单片机的处理数据能力有限，所以本文需要选择一种可以简便的估计噪声情况的信号测量方案，基于这种要求，本文采用平均值检波器，检波电路输出的直流电压正比于输入交流电压绝对值的平均值，测得检波后的直流电压平均值，即可估计当前电磁噪声强度。

采集模块采集信号幅度范围为0-3.5V，考虑到采样精度，需要选用采样位数不小于10位的A/D,而且考虑到对控制器的工作速度没有过高的要求，在节约成本和节省空间上的基础上，选用带A/D功能的控制器。

本模块需要人手动输入一些数据和进行控制以及显示数据处理结果，因此增加键盘输入单元和液晶显示单元。

并且可通过串口与弱信号放大器通信。

3弱信号放大器模块设计与实现

3.1前置放大器

要检测微弱信号，必然要使用放大器对其进行放大。

而放大器本身产生的噪声，对本来信噪比就比较低的微弱信号造成进一步污染。

因此，尽量降低放大器本身的噪声是首先考虑的问题，防止在信