CN103995298B - 一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，属于磁场强度检测的技术领域。优化选择配谐电容的方法有确定配谐电路***参数、确定固定最小电容C_min、逐次确定配谐电容的过程。本发明针对有限电容组合配谐会出现某些频点不在配谐电路带宽之内的情况，提出依据配谐电路带宽优化选择配谐电容的方法，使整个配谐电路带宽可以全覆盖***带宽；同时针对实际电容与理想电容之间存在误差的情况，分析得到包含电容误差的电路配谐方法，解决了由于电容容值误差导致的配谐频率发射偏移，从而出现某些频率点不在电路带宽范围内的问题。本方法可实现不同测量范围对配谐电容的选择，提高后期测量信号的精度。

Description

一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法

技术领域

本发明属于磁场强度检测的技术领域，具体涉及一种用于弱磁场测量的质子旋进磁力仪的优化选择配谐电容的方法，可解决某些频点不在配谐电路带宽内致使其信号质量变差的问题。

技术背景

质子旋进磁力仪利用氢质子在磁场中做旋进运动的原理而制成，用于测量地磁场总强度(参见参考文献J.A.Koehler,“Proton Precession Magnetometer”,Rev 2 Comox,BC,Canada,November 2004.)。它是一种精度较高的磁力仪，可以感知地磁场的微弱变化。自上世纪50年代以来，质子旋进磁力仪得到了迅猛发展，广泛应用于地质勘查，地震预报，日变监测等(参见参考文献刘建本.质子旋进式磁力仪在我国的发展及应用(综述)[J].国际地震动态.1982(3).)。

质子旋进磁力仪主要由探头和主机两部分组成。探头部分有线圈和溶液(煤油、甲醇、水等)，主要用于质子的极化以及质子旋进信号的提取；主机部分分为极化***和接收***，主要为质子旋进激励提供能量，以及对接收得到的旋进信号进行调理(参见参考文献W.D.S Ruhunusiri and M.K.Jayananda,“Construction of a Proton Magnetometer”,Proceedings of the Technical Sessions,2008,24:78-85.)。本专利申请中所涉及的配谐电路处于接收***第一级，它主要利用LC并联谐振特性对信号进行选频与放大。LC并联选频电路的特点是：在谐振中心频率上信号可以获得较高的增益，而在谐振电路带宽之外信号增益迅速下降，所以如果不能使信号正好落在配谐电路带宽之内，信号质量将得不到保证。

实际的质子旋进磁力仪所能测量的地磁场范围一般可以达到20000～90000nT，根据lamer旋进规律得到，质子自由衰减信号的频率范围为0.85～3.83kHz，所以质子旋进磁力仪均采用多种配谐电容组合的形式实现宽频配谐。中国专利CN 1041222A利用配谐电容的多组合形式，提供一种自动跟踪配谐方法，满足不同需要的精确测量。然而，尽管有多个配谐电容的组合，但这些有限个配谐电容组合而成的电容容值并不连续，因此会出现某些频点不在配谐电路带宽之内的情况。在该情况下，信号质量变差，影响测量精度；另外，配谐电容的容值误差也会使配谐电路带宽、中心频率发生变化，从而导致配谐失败。但上述专利并没有分析和解决所有频点如何被配谐电路带宽全覆盖和容值误差导致配谐电路的不确定问题，以及如何具体选择配谐电容的容值。因此，针对这两个问题本发明提出一种优化选择配谐电容的方法，在考虑配谐电容容值误差的条件下，实现配谐电路带宽能够覆盖整个测量频带，从而保证待测信号的信号质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种优化选择配谐电容的方法，可以有效解决由于电容容值误差而致使某些频点不在配谐电路带宽内，从而导致质量变差的问题，保证任意待测信号的质量，从而提高质子磁力仪的测量精度。

利用LC并联配谐电路时，通过一系列配谐电容组合的方式得到多种容值，实现不同频率信号的配谐。这些容值对应的谐振频率将测量范围划分成若干个频段，每一个频段的大小由其相邻谐振频率决定。若相邻谐振频率所对应的的带宽将其对应频段区域内的所有频点都覆盖，则从配谐电路输出信号的最小幅值不会降低-3dB以下。

首先，本发明将所有频点被配谐电路带宽全覆盖的问题转化为相邻谐振频率与带宽之间的关系，根据配谐电路带宽与谐振频率的关系，进而转化为相邻谐振频率之间的关系。其次，本发明针对实际配谐电容的容值误差导致谐振频率偏移的问题，通过理论计算与分析，给出在一定误差条件下，两个相邻谐振频率之间的约束关系，从而可以根据其中一个谐振频率得到另一个谐振频率，最终获得配谐电容的取值。

为解决本发明的技术问题，给出如下技术方案，该方法的应用条件是如图1所示的配谐电路：

一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，具体的配谐过程如下：1)确定配谐电路的***参数，2)确定固定最小电容，3)确定配谐电路的频带全覆盖条件，4)根据实际电容误差，计算出最终匹配的谐振频率与配谐电容。

1)所述的确定配谐电路***参数，是指确定探头电感L感值，探头内阻r阻值，匹配电阻R阻值，电容容值误差ΔC/C，***测量频率的范围f_min～f_max。

2)所述的确定固定最小电容，是根据质子磁力仪动态测量范围，将最大测量频率f_max对应的电容值作为固定最小电容C_min。该固定最小电容不需开关控制，直接连接于配谐电路。因此固定最小电容始终参与容值组合。针对如图1所示的配谐电路，固定最小配谐电容C_min与最大谐振频率f_max关系如下：

C_min＝1/((2πf_max)²*L) (1)

3)所述的确定配谐电路频带全覆盖条件，是指将选择配谐电容的问题转化为在全覆盖条件下相邻谐振频率之间的限制问题。即根据谐振频率与带宽的对应关系，从高谐振频率逐步递推得到相邻的低谐振频率，配谐电路带宽BW与谐振频率f的关系为：

BW＝r/2πL+2πLf²/R (2)

进一步分析如下：

首先建立如图2所示模型，在理想条件下配谐电路谐振频率为f₁，f₂(f₁＜f₂)，分别对应配谐电容为C₁和C₂(C₁＞C₂)，BW₁，BW₂为对应的带宽。在频段(f₁，f₂)内，两个配谐带宽存在三种状态：①带宽有交集状态，②带宽临界状态，③带宽无交集状态。①和②状态中，所有f₁与f₂之间的频点皆处于配谐电路带宽之内，而③状态中，某些频点遗漏在配谐电路带宽之外，因此，满足相邻谐振频率的配谐电路带宽将其谐振频率点之间频点全部覆盖的条件为：

f₂-f₁≤(BW₁+BW₂)/2 (3)

4)所述的根据实际电容与理想电容的误差，确定配谐电容选择的方法是指针对实际电容容值误差致使配谐频率偏移的问题，通过获得相邻谐振频点之间的约束关系，最终获得相邻电容之间的关系。进一步分析如下：

实际条件下电容容值误差ΔC/C致使谐振频率偏移，从而影响配谐。容值误差越大，谐振频率偏移程度越严重。图3为实际条件下电容容值误差ΔC/C致使谐振频率偏移与配谐带宽变化示意图。谐振频率偏移程度Δf与电容容值误差ΔC/C的关系为：

或

如图4所示，任意相邻电容C₁和C₂(C₁＞C₂)的实际谐振频率与理论谐振频率f₁，f₂的四种偏移状态。其中，A状态下，实际谐振频率偏移量分别为+Δf₁和-Δf₂；B状态下，实际谐振频率偏移量分别为+Δf₁和+Δf₂；C状态下，实际谐振频率偏移量分别为-Δf₁，-Δf₂；D状态下，实际谐振频率偏移量分别为-Δf₁，+Δf₂。

A状态下，使f₁与f₂范围内所有频点全部被配谐电路带宽覆盖的条件为

Δf₂＜1/2BW₂′ (5)

Δf₁＜1/2BW₁′ (6)

f₂-f₁-Δf₁-Δf₂≤1/2(BW₁′+BW₂′) (7)

其中BW₁′，BW₂′为其在A状态下相应配谐电路带宽。

B状态下，使f₁与f₂范围内所有频点全部被配谐电路带宽覆盖的条件为：

Δf₁＜1/2BW₁′ (8)

f₂-f₁-Δf₁≤1/2(BW₁′+BW₂′) (9)

其中BW₁′，BW₂′为其在B状态下相应配谐电路带宽。

C状态下，使f₁与f₂范围内所有频点全部被配谐电路带宽覆盖的条件为：

Δf₂＜1/2BW₁′ (10)

其中BW₁′，BW₂′为其在C状态下相应配谐电路带宽。

D状态下，使f₁与f₂范围内所有频点全部被配谐电路带宽覆盖的条件为：

f₂-f₁≤1/2(BW₁′+BW₂′) (12)

其中BW₁′，BW₂′为其在D状态下相应配谐电路带宽。

因此若使频点被配谐带宽全覆盖必须同时满足A、B、C、D四种实际状态下的条件。而电容容值误差ΔC/C范围为3％～10％。条件(5)、(6)、(8)和(10)恒成立。故只需讨论条件(7)、(9)、(11)、(12)。并将公式(2)带入条件(7)、(9)、(11)、(12)中获得：

A状态下频点全覆盖的条件为：

B状态下频点全覆盖的条件为：

C状态下频点全覆盖的条件为：

D状态下频点全覆盖的条件为：

f₁ ²πL/(R(1+ΔC/C))+f₁+f₂ ²πL/(R(1-ΔC/C))-f₂+r/2πL≥0 (16)

若假设(13)、(14)、(15)和(16)式中f₂(相邻谐振频率中较大谐振频率)已知，即可求得f₁(相邻谐振频率中较小谐振频率)的取值范围，且最小值f_min可通过上述方程求得。

f_min＜f₁＜f₂ (17)

A状态下，谐振频率f₁的最小值f_{1 min}公式为

B状态下，谐振频率f₂的最小值f_{1 min}公式为

C状态下，谐振频率f₂的最小值f_{1 min}公式为

D状态下，谐振频率f₂的最小值f_{1 min}公式为

因此，在实际配谐中，若已知相邻谐振频率点中较大谐振频率f₂，即可对较小谐振频率f₁的取值范围进行限定。较小谐振频率f₁均大于上述最小值，即同时满足四种实际状态下频点全部被配谐带宽覆盖。

进一步对(18)—(21)式分析发现，f₁的最小值只要满足(21)式，则必然满足(18)、(19)、(20)三式，即在所有条件中，(21)式条件是最苛刻的，所以下面的分析中，仅分析满足(21)式的结果。

如图5所示，为实际配谐电路示意图。其中开关由数字信号控制，用于决定配谐电容是否与配谐电路连接。若已知相邻电容中的较小电容，该较小电容的谐振频率作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂，通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}，其对应的容值即为相邻电容中较大电容的最大值。故已知相邻电容中较小容值，即可对相邻中较大电容的取值范围进行判定。因此通过相邻谐振频率之间的关系，最终获得相邻电容之间的关系。需注意的是本配谐方法需按照配谐电容容值大小依次确定。

本发明的配谐方法如下：

1、确定配谐电路***参数：探头电感L感值，探头内阻r阻值，匹配电阻R阻值，电容容值误差ΔC/C，***测量频率的范围f_min，f_max。

2、确定固定最小电容C_min，根据质子旋进磁力仪测量范围的最大值计算固定最小电容。

3、确定配谐电路中被开关控制的配谐电容。

(a)确定配谐电容C₁。与配谐电容C₁有关的两个相邻电容分别为固定最小电容C_min与C_min+C₁。C_min为固定最小电容，且容值已知。将C_min对应的谐振频率作为较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}，并获得较大电容C_min+C₁的最大值C_{1 max}。即C₁的取值范围为：C₁≤C_{1 max}-C_min。选择该范围内的配谐电容C₁均可满足频点全覆盖。

(b)确定配谐电容C₂。与配谐电容C₂相关的两个相邻电容为C_min+C₁与C_min+C₂。C_min+C₁为相邻电容中较小电容，且容值已知。将C_min+C₁对应的谐振频率作为较大谐振频率f₂。通过(21)式，利用上述方法，获得相邻电容中较大容值C_min+C₂的最大值C_{2 max}。即C₂的取值范围：C₂≤C_{2 max}-C_min。选择该范围内的配谐电容C₂均可满足频点全覆盖。

(c)确定配谐电容C₃。与配谐电容C₃相关的两个相邻电容分别为C_min+C₂与C_min+C₃。C_min+C₂为相邻电容的较小电容，且容值已知。将C_min+C₂对应的谐振频率作为较大谐振频率f₂。通过(21)式，利用上述方法，获得相邻电容中较大容值C_min+C₃的最大值C_{3 max}。即C₃的取值范围为：C₃≤C_{3 max}-C_min。选择该范围内的配谐电容C₃均可满足频点全覆盖。以此类推，求出余下配谐电容，直至满足最小测量范围。

(d)选择好所有配谐电容后，需检查所有相邻配谐电容之间是否全部符合实际全覆盖。利用MATLAB或EXCEL等辅助软件，将大大提高计算容值范围的速度，使选择配谐电容更方便快捷。

通过以上分析，得到本发明的具体的技术方案如下。

一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，有确定配谐电路***参数、确定固定最小电容C_min、逐次确定配谐电容的过程；

所述的确定配谐电路***参数，是由接收***中的LC并联选频电路(即配谐电路)决定的探头电感L感值、探头内阻r阻值、匹配电阻R阻值、电容容值误差ΔC/C和根据所测地磁场范围确定***测量频率的范围f_min～f_max；

所述的确定固定最小电容C_min，是根据质子旋进磁力仪测量范围的最大值相对应的最大测量频率f_max计算固定最小电容C_min；

所述的逐次确定配谐电容，是以固定最小电容C_min为基础确定相邻的配谐电容C₁，再以C_min+C₁为基础确定与C₁相邻的配谐电容C₂，以C_min+C₂为基础确定与C₂相邻的配谐电容C₃，…以C_min+C_i-1为基础确定与C_i-1相邻的配谐电容C_i…,直至确定到与最小测量频率f_min对应的最大配谐电容C_max；在配谐电路中的各配谐电容C₂～C_max是被开关控制的；具体的确定配谐电容C_i的方法是：

根据较大谐振频率f_i-1计算与其相邻谐振频率f_i的最小值f_imin，计算公式如下：

根据f_imin计算得到对应的最大配谐电容C_imax，则需要通过开关引入的配谐电容C_i满足C_i≤C_{i max}-C_min。

在优化选择质子磁力仪配谐电容的方法中，所述的确定配谐电路***参数，可以是探头电感L感值为17.4mH～35mH、探头内阻r阻值为5.9Ω～20Ω、匹配电阻R阻值为1KΩ～10KΩ、电容容值误差ΔC/C≤5％、***测量频率的范围0.85kHz～3.83kHz；用于约20000nT～90000nT的地磁场测量范围。

本发明针对有限电容组合配谐会出现某些频点不在配谐电路带宽之内的情况，提出依据配谐电路带宽优化选择配谐电容的方法，使整个配谐电路带宽可以全覆盖***带宽；同时针对实际电容与理想电容之间存在误差的情况，分析得到包含电容误差的电路配谐方法，解决了由于电容容值误差导致的配谐频率发射偏移，从而出现某些频率点不在电路带宽范围内的问题。本方法可实现不同测量范围对配谐电容的选择，提高后期测量信号的精度。

附图说明

图1：配谐电路原理图；

图2：理想条件下任意相邻电容的配谐带宽在其频段区域内的三种状态；

图3：实际条件下电容容值误差导致的谐振频率偏移；

图4：实际条件下任意相邻电容的实际谐振频率与理论谐振频率的四种偏移状态；

图5：实际配谐电路示意图。

具体实施方式

实施例1：低Q值配谐电路***

质子旋进磁力仪磁场测量范围为20000nT～90000nT，频率测量范围为850～3830Hz。探头电感L为17.4mH，探头内阻r为5.9Ω，匹配电阻R为1KΩ，配谐电容使用校正聚丙烯电容，误差为±5％。

1、确定固定最小电容C_min。根据磁场最大测量范围90000nT，获得固定最小电容C_min为100nF，它始终与配谐电路连接。

2、确定配谐电路中被开关控制的配谐电容。

(a)确定配谐电容C₁：与配谐电容C₁相关的两个相邻配谐电容为C_min与C_min+C₁。C_min为相邻电容中较小容值，且C_min＝100nF，对应谐振频率为3830Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2623Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值为211.6nF。配谐电容C₁的取值范围为C₁＜111.6nF，可选择配谐电容为100nF。

(b)确定配谐电容C₂：与配谐电容C₂相关的两个相邻电容为C_min+C₁与C_min+C₂。C_min+C₁为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2698Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2042Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值为349nF。配谐电容C₂的取值范围为C₂≤249nF，可选择配谐电容为249nF。

(c)确定配谐电容C₃：与配谐电容C₃相关的两个相邻电容C_min+C₂与C_min+C₃。C_min+C₂为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2042Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1635Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值为544nF。配谐电容C₃的取值范围为C₃≤444nF。可选择配谐电容C₃为440nF。

(d)确定配谐电容C₄：与配谐电容C₄相关的两个相邻电容为C_min+C₃与C_min+C₄。C_min+C₃为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1642Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1358Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值分别为789nF。配谐电容C₄的取值范围为C₄≤689nF。可选择配谐电容C₄为685nF。

(e)确定配谐电容C₅：与配谐电容C₅相关的两个相邻电容为C_min+C₄与C_min+C₅。C_min+C₄为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1362Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1150Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值分别为1100.5nF。配谐电容C₅的取值范围为C₅≤1000.5nF。可选择配谐电容为1000nF。

(f)确定配谐电容C₆：与配谐电容C₆相关的两个相邻电容为C_min+C₅与C_min+C₆。C_min+C₅为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1150Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为984Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值分别为1502nF。配谐电容C₆的取值范围为C₅≤1402nF。可选择配谐电容为1400nF。

(g)确定配谐电容C₇：与配谐电容C₇相关的两个相邻电容为C_min+C₆与C_min+C₇。C_min+C₆为相邻电容中较小容值，其谐振频率为984Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为849Hz，即得到对应相邻电容中较大电容值的最大值分别为2017nF。配谐电容C₇的取值范围为C₇≤1917nF。可选择配谐电容为1900nF。此时***谐振频率为853Hz，已经完全满足要求

3、确定使用如下7个配谐电容：

配谐电容	Cmin	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7
									容值(nF)	100	100	249	440	685	1000	1400	1900
谐振频率(Hz)	3830	2698	2042	1642	1362	1150	984	853

实施例2：高Q值、高电感、低功耗配谐电路***

质子旋进磁力仪磁场测量范围为20000nT～90000nT，频率测量范围为850～3830Hz。探头电感L为35mH，探头内阻r为20Ω，匹配电阻R为10KΩ，配谐电容使用校正聚丙烯电容，误差为±3％。

1、确定固定最小电容C_min。根据磁场最大测量范围90000nT，获得固定最小电容C_min为49.3nF，它始终与配谐电路连接。

2、确定配谐电路中被开关控制的配谐电容。

(a)确定配谐电容C₁：与配谐电容C₁相关的两个相邻配谐电容为C_min与C_min+C₁。C_min为相邻电容中较小容值，对应谐振频率为3830Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为3493.7Hz，得到对应的电容为59.3nF。配谐电容C₁的取值范围为C₁≤10.0nF。可选择配谐电容为10.0nF。

(b)确定配谐电容C₂：与配谐电容C₂相关的两个相邻电容为C_min+C₁与C_min+C₂。C_min+C₁为相邻电容中较小容值，其谐振频率为3493.7Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过((21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为3201.9Hz，得到对应的电容为70.6nF，配谐电容C₂的取值范围为C₂＜21.3nF。可选择配谐电容为20nF。

(c)确定配谐电容C₃：与配谐电容C₃相关的两个相邻电容C_min+C₂与C_min+C₃。C_min+C₂为相邻电容中较小容值，其谐振频率为3231.6Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式分别获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2970Hz，得到对应电容为82.0nF，配谐电容C₃的取值范围为C₃≤32.7nF。可选择配谐电容为30nF。

(d)确定配谐电容C₄：与配谐电容C₄相关的两个相邻电容为C_min+C₃与C_min+C₄。C_min+C₃为相邻电容中较小容值，其谐振频率为3021Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2784.7Hz，即得到对应电容为93.3nF，配谐电容C₄的取值范围为C₄≤44nF。可选择配谐电容为44nF。

(e)确定配谐电容C₅：与配谐电容C₅相关的两个相邻电容为C_min+C₄与C_min+C₅。C_min+C₄为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2784.7Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2572.9Hz，即得到对应电容为109.3nF，配谐电容C₅的取值范围为C₅＜60nF。可选择配谐电容为60nF。

(f)确定配谐电容C₆：与配谐电容C₆相关的两个相邻电容为C_min+C₅与C_min+C₆。C_min+C₅为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2572.9Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2381.3Hz，即得到对应电容为127.6nF，配谐电容C₆的取值范围为C₆≤78.3nF，可选择配谐电容为78nF。

(g)确定配谐电容C₇：与配谐电容C₇相关的两个相邻电容为C_min+C₆与C_min+C₇。C_min+C₆为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2384.4Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2209.3Hz，即得到对应电容为148.3nF，配谐电容C₇的取值范围为C₇＜99nF。可选择配谐电容为99nF。

(h)确定配谐电容C₈：与配谐电容C₈相关的两个相邻电容为C_min+C₇与C_min+C₈。C_min+C₇为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2209.3Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为2048.3Hz，得到对应电容为172.5nF。配谐电容C₈的取值范围为C₈≤123.2nF。可选择配谐电容为122nF。

(i)确定配谐电容C₉：与配谐电容C₉相关的两个相邻电容为C_min+C₈与C_min+C₉。C_min+C₈为相邻电容中较小容值，其谐振频率为2043.6Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1894.8Hz，得到对应电容为201.6nF，配谐电容C₉的取值范围为C₉＜152.3nF，可选择配谐电容为152nF。

(j)确定配谐电容C₁₀：与配谐电容C₁₀相关的两个相邻电容为C_min+C₉与C_min+C₁₀。C_min+C₉为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1896.1Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1753Hz，得到电容为235.5nF，配谐电容C₁₀的取值范围为C₁₀＜186.2nF，可选择配谐电容为186nF。

(k)确定配谐电容C₁₁：与配谐电容C₁₁相关的两个相邻电容为C_min+C₁₀与C_min+C₁₁。C_min+C₁₀为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1753.8Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1623.2Hz，得到对应电容为274.7nF，配谐电容C₁₁的取值范围为C₁₁＜225.4nF，可选择配谐电容为225nF。

(l)确定配谐电容C₁₂：与配谐电容C₁₂相关的两个相邻电容为C_min+C₁₁与C_min+C₁₂。C_min+C₁₁为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1624.3Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1501.4Hz，得到对应电容为321nF，配谐电容C₁₂的取值范围为C₁₂＜271.7nF，可选择配谐电容为270nF。

(m)确定配谐电容C₁₃：与配谐电容C₁₃相关的两个相邻电容为C_min+C₁₂与C_min+C₁₃。C_min+C₁₂为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1505.5Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1388.6Hz，得到对应电容为375.3nF，配谐电容C₁₃的取值范围为C₁₃＜326nF，可选择配谐电容为326nF。

(n)确定配谐电容C₁₄：与配谐电容C₁₄相关的两个相邻电容为C_min+C₁₄与C_min+C₁₄。C_min+C₁₃为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1388.6Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1277.1Hz，得到对应电容为443.7nF，配谐电容C₁₄的取值范围为C₁₄＜394.4nF，可选择配谐电容为394nF。

(o)确定配谐电容C₁₅：与配谐电容C₁₅相关的两个相邻电容为C_min+C₁₄与C_min+C₁₅。C_min+C₁₄为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1277.7Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1170.8Hz，得到对应电容为528.0nF，配谐电容C₁₅的取值范围为C₁₅＜478.6nF，可选择配谐电容为478nF。

(p)确定配谐电容C₁₆：与配谐电容C₁₆相关的两个相邻电容为C_min+C₁₅与C_min+C₁₆。C_min+C₁₅为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1171.5Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为1068.5Hz，得到对应电容为633.9nF，配谐电容C₁₆的取值范围为C₁₆＜584.6nF，可选择配谐电容为584nF。

(q)确定配谐电容C₁₇：与配谐电容C₁₇相关的两个相邻电容为C_min+C₁₆与C_min+C₁₇。C_min+C₁₆为相邻电容中较小容值，其谐振频率为1068.5Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为968.8Hz，得到对应电容为771.1nF，配谐电容C₁₇的取值范围为C₁₇＜721.8nF，可选择配谐电容为721nF。

(r)确定配谐电容C₁₈：与配谐电容C₁₈相关的两个相邻电容为C_min+C₁₇与C_min+C₁₈。C_min+C₁₇为相邻电容中较小容值，其谐振频率为969.3Hz，作为相邻谐振频率中较大谐振频率f₂。通过(21)式获得较小谐振频率f₁的最小值f_{1 min}为872.3Hz，得到对应电容为951.0nF，配谐电容C₁₈的取值范围为C₁₈＜902nF，可选择配谐电容C₁₈为902nF。此时带宽为107Hz，下限截止频率达到818.3已经远低于850Hz，完成全带宽内配谐。

3、因此确定使用如下18个配谐电容：

配谐电容	Cmin	C1	C2	C3	C4	C5	C6	C7	C8	C9
											容值(nF)	49.3	10	20	30	44	60	78	99	122	152
谐振频率(Hz)	3830	3494	3232	3202	2784	2572	2384	2209	2043	1896

配谐电容	C10	C11	C12	C13	C14	C15	C16	C17	C18
										容值(nF)	186	225	270	326	394	478	584	721	902
谐振频率(Hz)	1753	1624	1505	1388	1277	1171	1068	963	872

在上面的实施例中，在确定了质子旋进磁力仪磁场测量范围、探头的固定的电路元件的参数、Q值大小的基础上，就可以优选配谐电容。

Claims (2)

1.一种优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，有确定配谐电路***参数、确定固定最小电容C_min、逐次确定配谐电容的过程；

所述的确定配谐电路***参数，是由接收***中的LC并联选频电路决定的探头电感L感值、探头内阻r阻值、匹配电阻R阻值、电容容值误差ΔC/C和根据所测地磁场范围确定***测量频率的范围f_min～f_max；

所述的确定固定最小电容C_min，是根据质子旋进磁力仪测量范围的最大值相对应的最大测量频率f_max计算固定最小电容C_min；

所述的逐次确定配谐电容，是以固定最小电容C_min为基础确定相邻的配谐电容C₁，再以C_min+C₁为基础确定与C₁相邻的配谐电容C₂，以C_min+C₂为基础确定与C₂相邻的配谐电容C₃，…以C_min+C_i-1为基础确定与C_i-1相邻的配谐电容C_i…,直至确定到与最小测量频率f_min对应的最大配谐电容C_max；在配谐电路中的各配谐电容C₂～C_max是被开关控制的；具体的确定配谐电容C_i的方法是：

根据谐振频率f_i-1计算与其相邻的谐振频率f_i的最小值f_imin，计算公式如下：

$f_{i\min }=-(R(1+\mathrm{\Δ}C/C)+\sqrt{R^2{(1+\mathrm{\Δ}C/C)}^2-4\mathrm{\π}LR(1+\mathrm{\Δ}C/C)({{\mathrm{\πLf}}_{i-1}}^2/(R(1-\mathrm{\Δ}C/C))-f_{i-1}+r/2\mathrm{\π}L)})/2\mathrm{\π}L$

根据f_imin计算得到对应的最大配谐电容C_imax，则需要通过开关引入的配谐电容C_i满足C_i≤C_imax-C_min。

2.根据权利要求1所述的优化选择质子磁力仪配谐电容的方法，其特征在于，所述的确定配谐电路***参数，探头电感L感值为17.4mH～35mH、探头内阻r阻值为5.9Ω～20Ω、匹配电阻R阻值为1KΩ～10KΩ、电容容值误差ΔC/C≤5％、***测量频率的范围0.85kHz～3.83kHz；用于20000nT～90000nT的地磁场测量范围。