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04磁力仪原理与结构

磁力仪的原理与结构

4.１磁力仪概述

通常把进行磁异常数据采集及测定岩石磁参数的仪器，统称为磁力仪。

为利用磁力勘探研究和勘查矿产资源,必须准确测量磁异常的量值,这就需要有高精度的仪器。

从20世纪至今，磁力勘探仪器经历了由简单到复杂,由利用机械原理到现代电子技术的发展过程。

按照磁力仪的发展历史，以及它应用的物理原理,可划分为:

第一代磁力仪。

它是应用永久磁铁与地磁场之间相互力矩作用原理,或利用感应线圈以及辅助机械装置。

如机械式磁力仪、感应式航空磁力仪等。

第二代磁力仪。

它是应用核磁共振特性,利用高磁导率软磁合金,以及专门的电子线路。

如质子磁力仪,光泵磁力仪,及磁通门磁力仪等。

第三代磁力仪。

它是利用低温量子效应,如超导磁力仪

磁力仪按其测量的地磁场参数及其量值，可分为:

1相对测量仪器,如悬丝式垂直磁力仪等，它是测量地磁场垂直分量的相对差值；

2②绝对测量仪器,如质子磁力仪等，它是测量地磁场总强度的绝对值；不过亦可测量梯度值。

若从磁力仪使用的领域来看,它们可分为：

地面磁力仪、航空磁力仪、海洋磁力仪以及井中磁力仪。

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