质子磁力仪是基于质子在磁场中拉莫尔进动效应原理的磁场测量仪器,其测量精度高、成本低,因此广泛应用于地质勘测、矿物勘察以及军事探测等弱磁测量领域。由于目前商业质子磁力仪的绝对测量精度约为±1n T,在诸如磁场计量的磁场测量应用领域,需要磁场计量器具的测量精度优于0.1n T,因此目前仪器的精度已经无法满足应用需求。对此,为进一步提高质子磁力仪测量精度,本设计从传感器探头、信号调理电路以及频率测量方法三个方面分别对质子磁力仪进行了设计与优化,具体而言,本文主要研究内容如下:论文首先从结构、工作物质、电磁屏蔽结构以及电感线圈四个方面对质子磁场传感器进行了研究。为提高梯度容忍度,对传感器尺寸与结构进行了优化设计;为提高测量精度,对比分析了不同工作物质的横向与纵向驰豫时间,选择横向驰豫时间为1s,纵向驰豫时间为0.5s的航空煤油作为传感器工作物质;为提高抗干扰能力,对比研究了三种屏蔽方式,并进行了仿真分析,选择铜箔与导电涂料的双层屏蔽结构,仿真结果显示屏蔽效果可达137d B;在线圈设计方面,为获得更大拉莫尔感应信号值,提出了以类方形线圈替代常用的圆形线圈,在确定传感器外壳内径的约束条件下,针对拉莫尔感应信号的幅度最大化问题,对线圈结构参数进行了优化,实验结果表明,类方形线圈的感应信号幅度是圆形线圈的1.43倍,感应信号的信噪比提高了3.1d B。其次,为了测试研制的传感器,论文设计了信号调理电路。电路包含极化、调谐、放大、滤波以及整形五个部分。通过对极化电路接通与关断过程中线圈电流与电压变化过程的分析,设计了相应的开关与保护电路以保证后续电路安全与信号正常接收;然后结合电感线圈参数与拉莫尔信号频率范围,设计了电容配谐方案对线圈输出信号进行选频放大;经选频放大之后的信号仍为微伏级别的低信噪比信号,为将该信号放大到伏级别,本文设计了高增益、低噪声的多级放大电路;为配合测频需求,文章设计了波形转换电路将正弦信号转换为方波信号。通过对调理后的输出信号进行分析,其信噪比达36d B以上。最后,本文在多周期频率测量方法的基础上,针对其信号信息使用不充分的特点,对其进行改进,提出多次多周期频率测量方法。理论计算表明该方法相较于多周期频率测量方法,相对误差降低十余倍;频率测量对比实验表明,在不同信号频率、信噪比及测量时间下,采用十次多周期频率测量方法测量精度均提升3.13倍以上。