04磁力仪原理与结构
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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
机械式磁力仪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)=P d cos(β-θ)+2τθ
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
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tan2θ=2tan θ,则有
f
s s 2tan 0
-=
θ 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。 由以上两式得 )()(22121212s s s s fm
ph Z Z Z -=-+=
-=∆ετ
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。
4.3 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
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=γp T/2π。[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,此处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 ⨯=
P M P γ=
[]
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
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
为分析方便,设T z =T(地磁场);Tx=0;Ty=0.将此条件代入式(2.1——4),便得:
⎪⎪
⎭
⎪
⎪⎬⎫
=-==0dt
dM x p dt dM y p dt dM z y x T M T M γγ
对于(2.1——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
显然,式(2.1——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
同理:
常数==+=A M M M y x 22
从式(2.1——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