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據采集及測定巖石磁參數的儀器，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，磁力勘探儀器經歷了由簡單到復雜，由利用機械原理到現代電子技術的發(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，以及它應用的物理原理，可劃分為：第一代磁力儀。它是應用永久磁鐵與地磁場之間相互力矩作用原理，或利用感應線圈以及輔助機械裝置。如機械式磁力儀、感應式航空磁力儀等。第二代磁力儀。它是應用核磁共振特性，利用高磁導率軟磁合金，以及專門的電子線路。如質子磁力儀，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，如超導磁力儀。一、磁力儀的類別按其內部結構及工作原理，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儀，測量地磁偏角的磁偏計，以及測量水平強度的地磁經緯儀等。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。若從測量磁參數的角度磁力儀可分為：①專門測量巖石磁參數的儀器，無定向磁力儀、旋轉磁力儀等。②其他的質子磁力儀、超導磁力儀等可兼測磁參數。二、磁力儀的幾個主要技術指標

技術指標反映儀器總體性能的技術數據，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指標

精密度它是衡量儀器重復性的指標，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構——外部結構CS2－61G型懸絲磁力儀

一、懸絲式垂直磁力儀

基本結構——內部結構可分為四個部分：磁系光系扭鼓和彈簧夾固開關一、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：工作時磁系旋轉軸(懸絲)應是水平的，磁棒擺動面嚴格垂直于磁子午面。打開儀器開關后，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)平衡基礎上。平衡條件：磁系旋轉軸（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

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；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)；偏轉范圍不超過2°時，由θ角的變化引起的儀器讀數變化與ΔZ成正比。據此可利用Δθ引起的讀數變化測量ΔZ的值。在儀器結構上，利用光系將偏轉角θ放大并反映為活動標線在標尺上的偏離格數。一、懸絲式垂直磁力儀

設在某一點上，地磁場垂直分量為Z1，讀數為S1；在另一點上垂直分量為Z2，讀數為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，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)現在一線圈內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，在線圈上就可測出音頻信號。信號的頻率正比于外磁場。據此發(fā)明了V-4910質子旋進磁力儀，這種儀器在航空、航海及地面磁測等領域均得到了應用。概述質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,機內能存儲上萬組數據,能和計算機進行數據通信

一、質子旋進及測量原理目前質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（質子）在地磁場中產生一定頻率的旋進。(一)質子(核子)的旋進當沒有外界磁場作用于含氫液體時，其中質子磁矩無規(guī)則地任意指向，不顯現宏觀磁矩。極化若垂直地磁場T的方向，加一強人工磁場H0，則樣品中的質子磁矩，將按H0方向排列起來。H0質子磁力儀μp

μp(無外磁場)μp質子磁力儀S

N

μp(質子自旋磁矩)質子磁力儀

ωSNμp

T(有外磁場，質子旋進現象)質子磁力儀S

N

μp(質子自旋磁矩)質子磁力儀μp

μp(無外磁場)μp質子磁力儀S

T(有外磁場)Nμp質子磁力儀

ωSNμp

T(有外磁場，質子旋進現象)

質子磁力儀ω

μpSTN

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

質子磁力儀

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

TT=2πγPif=23.4874f(nT)(一)質子(核子)的旋進拉莫爾旋進切斷磁場H0，則地磁場對質子有μp×T的力矩作用，試圖將質子拉回到地磁場方向。由于質子自旋，因而在力矩作用下，質子磁矩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，氫質子旋進的角速度ω與地磁場T的大小成正比，其關系為：式中，γp為質子的自旋磁矩與角動量之比，叫做質子磁旋比(或回旋磁比率)。它是一個常數。根據國家標準局1982年頒布的質子磁旋比數值是：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子旋進頻率f，乘以常數，就得地磁場T的值。(三)質子旋進信號在圓柱形有機玻璃容器內，裝滿富含氫的工作物質(如水等)，容器置于線圈之中。線圈通以電流，使其內產生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，這時質子產生旋進，并調諧在旋進頻率f上。MP4質子磁力儀(三)質子旋進信號極化線圈亦作為接收線圈，質子磁矩的旋進，質子磁矩的旋進切割線圈，將在接收線圈中產生感應電壓信號為：(三)質子旋進信號式中：C是與線圈截面積、匝數及容器的充填因子有關的系數，對于一定的探頭裝置C是一個常數；κp是質子(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。討論

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

2)信號幅度與質子旋進角頻率（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。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。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)

旋進信號是按指數函數規(guī)律衰減的信號。衰減常數為1／T2′

，它持續(xù)約幾秒鐘。感應信號的衰減，與探頭所處的磁場梯度有關；梯度越大，衰減愈快?？梢跃_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：測量結果不受外界影響，只與原子核的結構有關，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

機箱體積:69X27X20(cm)

主機重：1.75Kg

主機大?。?70X170X85(MM)

國內組裝售價：5.6萬人民幣PMG-1質子磁力儀主要技術指標測量范圍：20,000-100,000nT

測量精度：+/-1nT

分辨率：0.1nT

梯度范圍：5,000nT/m

存貯數據：10,000個讀數

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

存貯數據：245760個讀數

存貯時間：10年

電源電壓：內置可充電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型質子磁力儀GSM-19T質子旋進磁力儀基本參數

1、分辨率：0.1nT

2、調諧范圍：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、數據輸出：USB接口輸出數據

12、WINDOWS環(huán)境下的數據輸出與日變