04磁力仪原理.doc

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： 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； ②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=tanθ，则得 a=d cosβ（重心到支点沿磁轴方向距离）； h= d sinβ: （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 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 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（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。[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 = 磁矩的三个分量为： 为分析方便，设Tz=T(地磁场)；Tx=0;Ty