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)＝Ｐd cｏs(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＝ｔan θ，则得

τ

θ2tan +-=

Ph Pa

mZ （4.２.２）

a=d ｃos β(重心到支点沿磁轴方向距离)；

h= ｄ sin β: （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tan ２θ=２tan θ，则有

f

s s 2tan 0

-=

θ （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： )()(22121212s s s s fm

ph Z Z Z -=-+=

-=∆ετ

(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（H ２O)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

T M dt

p d ⨯= （４．3．１)

P M P γ= (４.3.2）

[]

T

M p dt

p d p dt

M d ⨯==γγ

=

z

y x z y x T T T M M M k j i （4．3.3)

磁矩的三个分量为:

[]

[][]

⎪

⎪

⎭

⎪

⎪⎬

⎫

-=-=-=x y y x p dt

dM z x x z p dt dM y z z y p dt dM T M T M T M T M T M T M z y x γγγ (4．3.4)

为分析方便,设T z =T(地磁场)；Tx=０;Ty=0.将此条件代入式（4.3.４),便得：

⎪⎪

⎭

⎪

⎪⎬⎫

=-==0dt

dM x p dt dM y p dt dM z y x T M T M γγ （4.3.5)

对于(４．3.5）中的第一微分，得

x P dt

dM p

dt

M d M T y

x 2

2

2γγ-==

即

02

22

2=+x p dt M d M T x γ (4.３.6）

显然，式(4.3．6）为简谐运动方程，其解为：

⎪

⎭

⎪

⎬⎫

=+-=+=常数Z t p y t p X M T A M T A M )sin()cos(ϕγϕγ (４.３.7）

同理：

常数==+=A M M M y x 22 （4.3．8)

从式（4.３.７)可看出,M Z 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。