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1、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
2、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； 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。
3、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（）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：mzco
4、s，逆时针重力矩：Pdcos(-)，顺时针扭力矩：2，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()=P d cos( -)+2Z地磁场垂直分量；m磁棒的磁矩；P磁系受到的重力；磁棒偏转角；d磁系重心到支点的距离；d 与磁轴的夹角；悬丝的扭力系数。上式经变换整理，并考虑到仪器设计
5、中偏转角范围很小，不超过 2，可视 =tan，则得2tanPhamZa=d cos（重心到支点沿磁轴方向距离） ；h= d sin: （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 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 角很小，可是 tan2=2tan，则有fs2tan0f光系物镜的焦距；s磁棒偏转 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)()(2121212 ssfmphZ由上式表明，悬丝式垂直磁力仪，只能用于相对测量。式中（Ph+2）/2fm 是一个常数，它代表每一读格的磁场值，叫做格值，以符号 表示。格值的倒数是灵敏度，通过调
6、节 h 以改变灵敏度。2mZcos()Pdcs()2cos()dcs()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 2.11 所示。它的旋进频率 f 服从公式 f= pT/2。式中 p 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
7、。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 MT，于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即dtpP=TMpdtpdtM zyxTMkji磁矩的三个分量为： xyyxpdtMzztd yypt Tzyx为分析方便，设 Tz=T(地磁场)；Tx=0;Ty=0.将此条件代入式（2.14） ，便得:0dtMxptydtzyx对于（2.15）中的第一微分，得 xPdtpdtTyx 22即 022xpdtMx显然，式（2.16）为简谐运动方程，其解为： 常 数ZtpyXTA)sin(co同理： 常 数Myx2从式（2.
8、17）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 2.12 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 ，称为拉莫尔频率（Larmor frequency） 。根据简谐运动方程，可得到：= pT;=2f，即：f= Tp2式中 p=（2.67513_+0.00002）S -1T-1。将此值代入上式，便得：（2.110）HzTfnf8.425
9、73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。23T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M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
10、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 2.13 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 2.14 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
11、磁场 ，故此T法可使信噪比增大 倍，设地磁场 为 0.5104 T，极化场 H 为 100104 T，则可使信噪比TH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M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 2.14 和图 2.15 不难说明。图 2.16 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 13A 的电流，而形成约 0.01T 的极化场，使水中
12、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MM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，TT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：20TteVt式中 T 2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：tMsin41080式中 M 0磁化强度。在实际工作时，线圈轴向与地磁场 的夹角 不正好保持 900，并由实测得知：总
13、磁矩量与Tsin 成正比例，所以，自由旋进感应信号的电压幅度值和 sin2 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：2sin410208 TtewSMVt 由于（2.113）可知， 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。=90 0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。Tfp2用这种
14、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（0.110）nT范围内；稳定性好（因 p 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 0.02nT。这说明如何设计合理，
15、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 p 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，Tfp2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（十瓦至数十瓦） ，极化周期长；不能连续测量；受磁场梯度影响大等不利因素。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。 时间，s溶液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、T 2时间短的样本，如果在空中磁测，由于飞机航速快，选择煤油作样本则是合适的；如果在低温工作区，除考虑 T1、T 2外，还应考虑选择冰点低（如甘油
