第三章磁力儀

第三章磁力儀第一節(jié)概述磁力儀通常把進行磁異常數(shù)據(jù)采集及測定巖石磁參數(shù)的儀器，統(tǒng)稱為磁力儀。磁力儀的作用為利用磁力勘探研究和勘查礦產(chǎn)資源，必須準確測量磁異常的量值，這就需要有高精度的儀器。磁力儀的發(fā)展過程從20世紀至今，磁力勘探儀器經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜，由利用機械原理到現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展過程。本章主要介紹幾種不同類型磁力儀的基本原理。一、磁力儀的類別按照磁力儀的發(fā)展歷史，以及它應(yīng)用的物理原理，可劃分為：第一代磁力儀。它是應(yīng)用永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用原理，或利用感應(yīng)線圈以及輔助機械裝置。如機械式磁力儀、感應(yīng)式航空磁力儀等。第二代磁力儀。它是應(yīng)用核磁共振特性，利用高磁導(dǎo)率軟磁合金，以及專門的電子線路。如質(zhì)子磁力儀，光泵磁力儀，及磁通門磁力儀等。第三代磁力儀。它是利用低溫量子效應(yīng)，如超導(dǎo)磁力儀。一、磁力儀的類別按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，大體上可分為：①機械式磁力儀。如懸絲式磁秤、刃口式磁秤等。②電子式磁力儀。如質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、磁通門磁力儀等。按其測量的地磁場參數(shù)及其量值，可分為：①相對測量儀器，如懸絲式垂直磁力儀等，它是測量地磁場垂直分量z的相對差值。②絕對測量儀器。如質(zhì)子磁力儀等，它們是測量地磁場總強度T的絕對值；不過亦可測量相對值，或梯度值。一、磁力儀的類別若按測量地磁要素或磁異常的不同，分為：①測量地磁要素的儀器，如測量地磁傾角的地磁感應(yīng)儀，測量地磁偏角的磁偏計，以及測量水平強度的地磁經(jīng)緯儀等。②測量磁異常的各種相對測量磁力儀。若從使用磁力儀的領(lǐng)域來看，可分為：地面磁力儀，航空磁力儀，海洋磁力儀，以及井中磁力儀。若從測量磁參數(shù)的角度磁力儀可分為：①專門測量巖石磁參數(shù)的儀器，無定向磁力儀、旋轉(zhuǎn)磁力儀等。②其他的質(zhì)子磁力儀、超導(dǎo)磁力儀等可兼測磁參數(shù)。二、磁力儀的幾個主要技術(shù)指標

技術(shù)指標反映儀器總體性能的技術(shù)數(shù)據(jù)，通常包括：靈敏度、精密度、準確度、穩(wěn)定性、測程范圍等等。靈敏度磁力儀反映地磁場強度最小變化的能力(敏感程度)，有時也稱作分辨率。二、磁力儀的幾個主要技術(shù)指標

精密度它是衡量儀器重復(fù)性的指標，系指儀器自身測定磁場所能達到的最小可靠值。由一組測定值與平均值的平均偏差表示。在儀器說明書中稱為自身重復(fù)精度。準確度儀器測定真值的能力，即與真值相比的總誤差。精度在磁力勘探工作中，通常把精密度與準確度不予區(qū)分，統(tǒng)稱為精度。第二節(jié)機械式磁力儀概述

它是磁力勘探中最早使用的一類儀器。1915年阿道夫·施密特刃口式磁秤問世，20世紀30年代末出現(xiàn)凡斯洛懸絲式磁秤，它們成為廣泛使用的兩種地面磁測儀器。都是相對測量的儀器。因其測量地磁場要素的不同，又分為：垂直磁力儀——測定z的相對差值水平磁力儀——測定平面矢量H在兩個方位上的相對值。一、懸絲式垂直磁力儀基本結(jié)構(gòu)——外部結(jié)構(gòu)CS2－61G型懸絲磁力儀

一、懸絲式垂直磁力儀

基本結(jié)構(gòu)——內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四個部分：磁系光系扭鼓和彈簧夾固開關(guān)一、懸絲式垂直磁力儀

磁系（核心部分）：磁棒（用于感受地磁場變化）、靈敏度螺絲、溫度螺絲、懸絲、反光鏡、鋁框架一、懸絲式垂直磁力儀

磁系：主要是一根圓柱形磁棒，它懸吊在鉻、鎳、鈦合金恒彈性扁平絲的中央，絲的一端固定于扭鼓，另一端固定于彈簧。一、懸絲式垂直磁力儀

磁系：工作時磁系旋轉(zhuǎn)軸(懸絲)應(yīng)是水平的，磁棒擺動面嚴格垂直于磁子午面。打開儀器開關(guān)后，磁棒繞軸擺動。

N極一端稍短，S極一端稍長一、懸絲式垂直磁力儀

工作原理簡介（以垂直磁秤為例）建立在靜態(tài)平衡基礎(chǔ)上。平衡條件：磁系旋轉(zhuǎn)軸（懸絲）水平傾斜角α=0°磁棒放置于磁東西方向，即磁棒的擺動面嚴格垂直于磁子午面磁棒的擺動面垂直于水平分量，故不受水平分量的影響，即H的作用力矩=0磁系重心位置位于磁棒下方偏向S面一側(cè)

磁系工作原理上地面SS0下θθfS西oβθ東NP一、懸絲式垂直磁力儀

磁系受到地磁場垂直強度磁力（Z）、重力（g）及懸絲扭力（τ）三個力矩的作用，當力矩相互平衡時，磁棒會停止擺動。當力矩相互作用，處于靜態(tài)平衡時，磁棒停止擺動，三個力矩的大小和作用方向為：磁力矩：mzcosθ，逆時針重力矩：Pdcos(β-θ)，順時針扭力矩：2τθ，順時針一、懸絲式垂直磁力儀

磁棒停止擺動時的力矩平衡方程式為：mzcosθ=Pdcos(β-θ)＋2τθ式中：τ——扭力系數(shù)；z——地磁場垂直分量；m——磁棒的磁矩P——磁系受到的重力；θ——磁棒偏轉(zhuǎn)角；d——磁系重心到支點的距離。β——d與磁軸的夾角一、懸絲式垂直磁力儀

可以證明，圖中Z的變化ΔZ可引起θ角的變化(Δθ)；偏轉(zhuǎn)范圍不超過2°時，由θ角的變化引起的儀器讀數(shù)變化與ΔZ成正比。據(jù)此可利用Δθ引起的讀數(shù)變化測量ΔZ的值。在儀器結(jié)構(gòu)上，利用光系將偏轉(zhuǎn)角θ放大并反映為活動標線在標尺上的偏離格數(shù)。一、懸絲式垂直磁力儀

設(shè)在某一點上，地磁場垂直分量為Z1，讀數(shù)為S1；在另一點上垂直分量為Z2，讀數(shù)為S2。則它們之間的垂直分量差值為ΔZ=Z2–Z1=ε（S2–S1）表明，懸絲式垂直磁力儀只能是用于相對測量。式中ε是一個常數(shù)，它代表每一個讀格的磁場值，叫做格值。

二、常用機械磁力儀

第三節(jié)質(zhì)子旋進磁力儀概述20世紀50年代中期，帕卡德和互里安首先發(fā)現(xiàn)在一線圈內(nèi)裝滿水溶液并向線圈通以強電流，當極化電流突然中斷后大約一秒鐘內(nèi)，在線圈上就可測出音頻信號。信號的頻率正比于外磁場。據(jù)此發(fā)明了V-4910質(zhì)子旋進磁力儀，這種儀器在航空、航海及地面磁測等領(lǐng)域均得到了應(yīng)用。概述質(zhì)子旋進磁力儀的特點屬于電子式磁力儀靈敏度，準確度高可測量地磁場總強度了的絕對值，或相對值、梯度值。精度高,穩(wěn)定性好,使用方便,機內(nèi)能存儲上萬組數(shù)據(jù),能和計算機進行數(shù)據(jù)通信

一、質(zhì)子旋進及測量原理目前質(zhì)子磁力儀都是利用氫原子旋進的特點來達到測量地磁場的目的。蒸餾水、酒精、煤油、苯等富含氫的液體中氫原子核（質(zhì)子）在地磁場中產(chǎn)生一定頻率的旋進。(一)質(zhì)子(核子)的旋進當沒有外界磁場作用于含氫液體時，其中質(zhì)子磁矩?zé)o規(guī)則地任意指向，不顯現(xiàn)宏觀磁矩。極化若垂直地磁場T的方向，加一強人工磁場H0，則樣品中的質(zhì)子磁矩，將按H0方向排列起來。H0質(zhì)子磁力儀μp

μp(無外磁場)μp質(zhì)子磁力儀S

N

μp(質(zhì)子自旋磁矩)質(zhì)子磁力儀

ωSNμp

T(有外磁場，質(zhì)子旋進現(xiàn)象)質(zhì)子磁力儀S

N

μp(質(zhì)子自旋磁矩)質(zhì)子磁力儀μp

μp(無外磁場)μp質(zhì)子磁力儀S

T(有外磁場)Nμp質(zhì)子磁力儀

ωSNμp

T(有外磁場，質(zhì)子旋進現(xiàn)象)

質(zhì)子磁力儀ω

μpSTN

質(zhì)子磁力儀ωSTN質(zhì)子磁力儀T(有外磁場)質(zhì)子磁力儀T(有外磁場，核子順磁性)質(zhì)子磁力儀HT儀器原理質(zhì)子磁力儀T儀器原理8

質(zhì)子磁力儀

Tω=γPiTγP=(2.6751987±0.0000075)×10(T-1s-1)質(zhì)子磁力儀

TT=2πγPif=23.4874f(nT)(一)質(zhì)子(核子)的旋進拉莫爾旋進切斷磁場H0，則地磁場對質(zhì)子有μp×T的力矩作用，試圖將質(zhì)子拉回到地磁場方向。由于質(zhì)子自旋，因而在力矩作用下，質(zhì)子磁矩μp將繞著地磁場的方向作旋進運動(叫做拉莫爾旋進)。H0(二)測量原理理論物理分析研究表明，氫質(zhì)子旋進的角速度ω與地磁場T的大小成正比，其關(guān)系為：式中，γp為質(zhì)子的自旋磁矩與角動量之比，叫做質(zhì)子磁旋比(或回旋磁比率)。它是一個常數(shù)。根據(jù)國家標準局1982年頒布的質(zhì)子磁旋比數(shù)值是：γp=(2.6751987±0．0000075)×108T-1s-1(二)測量原理又因ω=2πf，則有：由式可見，只要能夠準確測量出質(zhì)子旋進頻率f，乘以常數(shù)，就得地磁場T的值。(三)質(zhì)子旋進信號在圓柱形有機玻璃容器內(nèi)，裝滿富含氫的工作物質(zhì)(如水等)，容器置于線圈之中。線圈通以電流，使其內(nèi)產(chǎn)生n×l04A／m的極化(磁化)磁場H0，其方向沿線圈軸線，大致垂直于地磁場T。通電三秒鐘后，快速切斷電流，這時質(zhì)子產(chǎn)生旋進，并調(diào)諧在旋進頻率f上。MP4質(zhì)子磁力儀(三)質(zhì)子旋進信號極化線圈亦作為接收線圈，質(zhì)子磁矩的旋進，質(zhì)子磁矩的旋進切割線圈，將在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號為：(三)質(zhì)子旋進信號式中：C是與線圈截面積、匝數(shù)及容器的充填因子有關(guān)的系數(shù)，對于一定的探頭裝置C是一個常數(shù)；κp是質(zhì)子(核子)磁化率；H0是極化磁場的強度；θ是線圈軸線與T之夾角；t1是切斷極化場時刻起算的時間；1／T2′是衰減常數(shù)。討論

1)感應(yīng)信號的幅度與κp×H0成正比。κp×H0是在極化磁場作用下，質(zhì)子的磁化強度。即溶液中質(zhì)子數(shù)目越多，極化磁場越大，故盡量采用氫原子含量高的物質(zhì)作媒體討論

2)信號幅度與質(zhì)子旋進角頻率（ω=γpT）成正比。若地磁場弱(T值小)，則旋進角頻率ω低，信號幅度也就小。目前，質(zhì)子磁力儀的測程一般是20000~100000nT，相當于旋進頻率由851.52~4257.60Hz；此頻率范圍對于地面、海洋、及航空磁測來說，一般是足夠的。討論3)信號幅度亦與sin2θ有關(guān)。線圈軸線與T的夾角θ，在0°~90°之間變化，其大小會影響旋進信號的振幅，而與旋進頻率（f）無關(guān)。當θ=π/4，信號幅度只降低到最大幅度的一半。因此，對探頭定向只要求大致與T相垂直。θ接近于零度，則是探頭的工作盲區(qū)。

θ=π/2，線圈軸垂直地磁場，信號最強。討論4)

旋進信號是按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減的信號。衰減常數(shù)為1／T2′

，它持續(xù)約幾秒鐘。感應(yīng)信號的衰減，與探頭所處的磁場梯度有關(guān)；梯度越大，衰減愈快。可以精確地測定旋進頻率(即測定地磁場值)所允許存在的地磁場最大梯度，叫做儀器的梯度容限。討論屬于測頻式：測量結(jié)果不受外界影響，只與原子核的結(jié)構(gòu)有關(guān)，無零點漂移，穩(wěn)定性好；不適用于磁場梯度較大的地區(qū)工作，也不適用于較強的電磁干擾區(qū)工作.G-856系列磁力儀G856F、G-856A和G-856AX是一種高精度的智能便攜式磁力儀分辨力（靈敏度）:0.1NT

精度:0.5NT（常溫下）

調(diào)諧范圍:25000--100000NT

梯度寬限:4000NT/M

環(huán)境溫度:-20度至50度

工作電壓:DC12V采樣時間:4秒至999秒可調(diào)

機箱體積:69X27X20(cm)

主機重：1.75Kg

主機大?。?70X170X85(MM)

國內(nèi)組裝售價：5.6萬人民幣PMG-1質(zhì)子磁力儀主要技術(shù)指標測量范圍：20,000-100,000nT

測量精度：+/-1nT

分辨率：0.1nT

梯度范圍：5,000nT/m

存貯數(shù)據(jù)：10,000個讀數(shù)

存貯時間：10年

主機尺寸：240x90x200mm

主機重量：包括電池3.5公斤

PM-2質(zhì)子磁力儀測量范圍：25,000-80,000nT

測量精度：±1nT

分辨率：0.1nT

梯度范圍：5,000nT/m

存貯數(shù)據(jù)：245760個讀數(shù)

存貯時間：10年

電源電壓：內(nèi)置可充電4Ah鋰電池

主機尺寸：232x100x145mm

傳感器：直徑70mm，長140mm

主機重量：包括電池1.9公斤

傳感器：0.8公斤

溫度范圍：-10℃到+50℃

CZM-4型質(zhì)子磁力儀GSM-19T質(zhì)子旋進磁力儀基本參數(shù)

1、分辨率：0.1nT

2、調(diào)諧范圍：20000nT-100000nT

3、采樣率：4s-999s

4、梯度容限：5000nT/M

5、精度：0.5nT

6、電源：內(nèi)置12V4.4AH充電鋰電池

7、顯示器：雙排顯示（LED）

8、操作臺：18×27×9cm；

9、傳感器：9×13cm；

10、工作溫度：-20度~50度

11、數(shù)據(jù)輸出：USB接口輸出數(shù)據(jù)

12、WINDOWS環(huán)境下的數(shù)據(jù)輸出與日變