04磁力仪原理与结构Word格式文档下载.docx
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下面为几种型号磁力仪照片
CS2-61型悬丝式垂直磁力仪
Scintrex公司ENVI质子磁力仪
G858便携式铯光泵磁力仪
G856F高精度的智能便携式磁力仪
PMG-1质子磁力仪
SM-5高精度铯光泵磁力仪
4.2机械式磁力仪原理
机械式是磁法勘探中最早使用的一类仪器。
1915年阿道夫·
施密特刃口式磁称问世,20世纪30年代末,相继出现凡斯洛悬丝式磁称,其后它们成为广泛使用的二种地面磁测仪器。
它们都是相对测量的仪器。
因其测量地磁场要素的不同,又分为垂直磁力仪及水平磁力仪。
前者测量Z的相对差值,后者测量平面矢量H在二个方位上的相对值。
CS2-61型悬丝式垂直磁力仪
基本结构——内部结构
可分为四个部分:
1.磁系;
2.光系;
3.扭鼓和弹簧;
4.夹固开关
磁系受到地磁场垂直强度磁力(Z)、重力(g)及悬丝扭力(τ)三个力矩的作用,当力矩相互平衡时,磁棒会停止摆动。
当力矩相互作用,处于静态平衡时,磁棒停止摆动,三个力矩的大小和作用方向为:
磁力矩:
mzcosθ,逆时针
重力矩:
Pdcos(β-θ),顺时针
扭力矩:
2τθ,顺时针
仪器工作原理
磁系主要是一根圆柱形磁棒,它悬吊在铬、镍、钛合金恒弹性扁平丝的中央,丝的一端固定于扭鼓,另一端固定于弹簧,压于压丝台上。
工作时磁系旋转轴(悬丝)应是水平的,磁棒摆动面严格垂直于磁子午面。
打开仪器开关后,磁棒绕轴摆动,它受到地磁场垂直强度力、重力、及悬丝扭力三个力矩的作用,当力矩相对平衡时,磁棒会停止摆动。
如右图所示,则平衡方程为:
m Zcos(θ)=Pdcos(β-θ)+2τθ(4.2.1)
式中:
Z——地磁场垂直分量;
m——磁棒的磁矩;
P——磁系受到的重力;
θ——磁棒偏转角;
d——磁系重心到支点的距离;
β——d与磁轴的夹角;
τ——悬丝的扭力系数。
上式经变换整理,并考虑到仪器设计中偏转角范围很小,不超过2°
,可视θ=tanθ,则得
(4.2.2)
a=dcosβ(重心到支点沿磁轴方向距离);
h=dsinβ:
(重心到支点垂直磁轴方向距离);
在仪器的结构上,利用光系将偏转角θ放大并反映为活动标线在标尺上的偏离格数。
由上图并考虑到θ角很小,可是tan2θ=2tanθ,则有
(4.2.3)
f——光系物镜的焦距;
s——磁棒偏转θ角时光系标尺的读格;
s0——磁棒水平时光系标尺的读格。
将(4.2.3)式代入(4.2.2)式,得:
(4.2.4)
由上式表明,悬丝式垂直磁力仪,只能用于相对测量。
式中(Ph+2τ)/2fm是一个常数,它代表每一读格的磁场值,叫做格值,以符号ε表示。
格值的倒数是灵敏度,通过调节h以改变灵敏度。
(4.2.1)式m大小是磁钢的磁矩,一般来说.它是随着温度的上升而下降的。
这个变化量大约在万分之几。
这个量虽然不大,但对仪器的影响可不小。
4.3质子旋进式磁力仪
质子旋进式磁敏传感器是利用质子在地磁场中的旋进现象,根据磁共振原理研制成功的。
用这种传感器制作的测磁仪器,在国内外均得到广泛应用。
4.3.1质子旋进式磁敏传感器的测磁原理
质子旋进式磁敏传感器是利用质子在地磁场中的旋进现象,根据磁共振原理研究成功的。
物理学业已证明物质是具有磁性的。
若以水分子(H2O)而言,从其分子结构、原子排列和化合价的性质分析得知:
水分子磁矩(即氢质子磁矩)在磁场作用下绕地磁场旋进,如图2.1——1所示。
它的旋进频率f服从公式f=γpT/2π的(式中γp为质子旋磁比;
T为地磁场强)。
不管从经典力学观点,还是从量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。
为方便起见,本文采用经典力学的观点,分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。
设质子磁矩M在地磁场T作用下有一力矩M×
T,于是,它和陀螺一样,其动量矩的变化率等于外加力矩,即
(4.3.1)
(4.3.2)
=(4.3.3)
磁矩的三个分量为:
(4.3.4)
为分析方便,设Tz=T(地磁场);
Tx=0;
Ty=0.将此条件代入式(4.3.4),便得:
(4.3.5)
对于(4.3.5)中的第一微分,得
即
(4.3.6)
显然,式(4.3.6)为简谐运动方程,其解为:
(4.3.7)
同理:
(4.3.8)
从式(4.3.7)可看出,MZ是常数,磁矩M在z轴上的投影是不变的;
磁矩M在x轴的投影是按余弦规律变化的;
磁矩M在y轴是按正弦规律变化的。
由图2.1——2可以看出:
磁矩M在xy平面上的绝对值是一个常数,并且在xy平面上旋进。
综合起来看,质子磁矩M在地磁场T的作用下,绕地磁场T旋进,它的轨迹描绘出一个圆锥体,旋进的角频率为ω,称为拉莫尔频率。
根据简谐运动方程,可得到:
ω=γpT;
ω=2πf,即:
f= (4.3.10)
式中γp=(2.67513_+0.00002)S-1T-1。
将此值代入上式,便得:
(4.3.11)
由上式可看出,频率f与地磁场成正比,只要能测出频率f,即可间接求出地磁场T的大小,从而达到测量地磁场的目的,需要指出的是:
这里没有考虑驰豫时间。
但是,在实际工作中是有驰豫时间的,信号也是衰减的,那么如何在信号衰减的情况下测量地磁场呢?
下面就来介绍这个问题。
4.3.2地磁场的测量与旋进信号
在核磁共振中,共振信号的幅度与被测磁场成正比。
当被测磁场很弱时,信号幅度大大衰减,对地磁场这样微弱的磁场,用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的,为了测得质子磁矩绕地磁场的旋进频率f信号,必须采取特殊方法:
使沿地磁场方向排列的质子磁矩,在激化场的激励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向垂直(或接近垂直)于地磁场方向。
通常采用预极化方法(或辅助磁场方法)来建立质子宏观磁矩。
以增强信号幅度的。
具体作法是:
用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体,作为灵敏元件,在容器周围绕上极化线圈和测量线圈(或共用一个线圈),使线圈轴向垂直于地磁场T方向。
在极化场作用下,容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列,形成宏观磁矩,如图2.1—3所示。
一旦去掉极化场,质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕地磁场旋进,当质子磁矩在旋进过程中切割线圈,使线圈环绕面积中的磁通量发生变化,于是在线圈中就产生感应电动势,如图2.1—4所示。
若量测感应电压的频率,就可测量出地磁场的大小。
因为极化场H大于地磁场,故此法可使信噪比增大倍,设地磁场为0.5×
10-4T,极化场H为100×
10-4T,则可使信噪比增大200倍。
在自由旋进的过程中,磁矩的横向分量以T2(横向驰豫时间)为时间常数并随时间逐渐趋近于零;
在测量线圈中所接收的感应信号,也是以T2为时间常数按指数规律衰减的。
这一现象由图2.1—4和图2.1—5不难说明。
图2.1—6所示为质子旋进式磁敏传感器的示意图.传感器的核心部分是一个容积为500cc左右的有机玻璃容器(内装蒸馏水),在容器外面绕以数百匝的导线,使线圈轴向与地磁场方向大致垂直。
线圈通以1~3A的电流,而形成约0.01T的极化场,使水中质子磁矩指向极化场H的方向。
若迅速撤去极化磁场,则的数值与方向均来不及变化,驰豫过程来不及影响的行为,此时,质子磁矩在自旋和地磁场的作用下以角速度w绕地磁场旋进。
在旋进的过程中,周期地切割外绕的线圈。
杂一测量线圈中产生出的感
应信号。
由于驰豫过程的作用,其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减,其表达式:
式中T2——横向驰豫时间;
V0——信号初始幅度;
如果接收线圈共有w匝,所包围的面积为S,充填因子为a,则质子旋进信号强度的表达式为:
式中 M0——磁化强度。
在实际工作时,线圈轴向与地磁场的夹角θ不正好保持900,并由实测得知:
总磁矩量与sinθ成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅度值和sin2θ成正比例。
又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式为:
由于(2.1—13)可知,θ角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小,而并不影响质子旋进频率,故在实际测量中,探头无需严格定向。
θ=900时,信号最大。
由实验得知,对于几百立方厘米的样本,线圈为数百匝的传感器,在较好的情况下,质子感应信号仅为0.5mV左右。
感应信号的衰减还和地磁场梯度的大小有关。
理论分析和实验表面:
测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁距的旋进频率,这和以前所述的公式是一致的。
用这种质子旋进式磁敏传感器测量地磁场的主要优点是:
精度高,一般在(0.1~10)nT范围内;
稳定性好(因γp是一常数,其值只与质子本身有关,它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关);
工作速度快,可直读地磁场nT值;
绝对值测量等。
其缺点是:
极化功率大,只能进行快速点测;
受磁场梯度影响较大。
4.3.3质子旋进式磁敏传感器的设计
设计某传感器时,首先要知道它应具有何种功能,所测的量又具有什么特点后,才能着手设计。
按此原则。
我们分析一下质子旋进式磁敏传感器设计的几个有关问题:
(一)利用质子旋进原理测量地磁场的特点
首先是测量精度高,由均方误差公式计算得到极限精度为0.02T。
这说明如何设计合理,若采用更先进测试技术,精度还是可以提高的。
其次是稳定性好,这是因为旋磁比γp只是与质子本身有关的物理量有关,而与温度、压力、湿度等因素无关。
另从公式可以看出,测量参数是频率f,若采用先进的测频技术(若采用取倍频措施),则可达到提高精度的目的。
再有,相对磁秤测量地磁场而言,它可以不调水平,不严格定向,因而可快速测定,提高工作效率。
但是应该注意:
测量参数虽然是频率。
必须借助别的办法来直接显示地磁场nT值;
必须考虑到极化功率大(十瓦至数使瓦),极化周期长;
不能连续测量;
受磁场梯度影响大等不里因素。
因此,设计时应想办法充分发挥有利特点,应尽量避免或减少不利因素的影响。
(二)样品选择
选择样本一定要选择水或含有H质子的液体,如酒精、煤油、甘油等。
几种溶液的驰豫时间T1、T2数值见下表。
溶液
时间,s
T1
T2
水
2.3
3
煤油
0.7
1
如果设计的传感器系由于磁测作业,因水的纵向驰豫时间T1和横向驰豫时间T2较长,故适合地面操作;
如果有自动化程度的测频装置,则可选用T1、T2时间短的样本,如果在空中磁测,由于飞机航速快,选择没有作样本则是合适的;
如果在低温工作区,除考虑T1、T