第三章磁力仪

第三章磁力仪第一节概述磁力仪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。磁力仪的作用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。磁力仪的发展过程从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。本章主要介绍几种不同类型磁力仪的基本原理。一、磁力仪的类别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。一、磁力仪的类别按其内部结构及工作原理，大体上可分为：①机械式磁力仪。如悬丝式磁秤、刃口式磁秤等。②电子式磁力仪。如质子磁力仪、光泵磁力仪、磁通门磁力仪等。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z的相对差值。②绝对测量仪器。如质子磁力仪等，它们是测量地磁场总强度T的绝对值；不过亦可测量相对值，或梯度值。一、磁力仪的类别若按测量地磁要素或磁异常的不同，分为：①测量地磁要素的仪器，如测量地磁倾角的地磁感应仪，测量地磁偏角的磁偏计，以及测量水平强度的地磁经纬仪等。②测量磁异常的各种相对测量磁力仪。若从使用磁力仪的领域来看，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。若从测量磁参数的角度磁力仪可分为：①专门测量岩石磁参数的仪器，无定向磁力仪、旋转磁力仪等。②其他的质子磁力仪、超导磁力仪等可兼测磁参数。二、磁力仪的几个主要技术指标

技术指标反映仪器总体性能的技术数据，通常包括：灵敏度、精密度、准确度、稳定性、测程范围等等。灵敏度磁力仪反映地磁场强度最小变化的能力(敏感程度)，有时也称作分辨率。二、磁力仪的几个主要技术指标

精密度它是衡量仪器重复性的指标，系指仪器自身测定磁场所能达到的最小可靠值。由一组测定值与平均值的平均偏差表示。在仪器说明书中称为自身重复精度。准确度仪器测定真值的能力，即与真值相比的总误差。精度在磁力勘探工作中，通常把精密度与准确度不予区分，统称为精度。第二节机械式磁力仪概述

它是磁力勘探中最早使用的一类仪器。1915年阿道夫·施密特刃口式磁秤问世，20世纪30年代末出现凡斯洛悬丝式磁秤，它们成为广泛使用的两种地面磁测仪器。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——测定z的相对差值水平磁力仪——测定平面矢量H在两个方位上的相对值。一、悬丝式垂直磁力仪基本结构——外部结构CS2－61G型悬丝磁力仪

一、悬丝式垂直磁力仪

基本结构——内部结构可分为四个部分：磁系光系扭鼓和弹簧夹固开关一、悬丝式垂直磁力仪

磁系（核心部分）：磁棒（用于感受地磁场变化）、灵敏度螺丝、温度螺丝、悬丝、反光镜、铝框架一、悬丝式垂直磁力仪

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。一、悬丝式垂直磁力仪

磁系：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。

N极一端稍短，S极一端稍长一、悬丝式垂直磁力仪

工作原理简介（以垂直磁秤为例）建立在静态平衡基础上。平衡条件：磁系旋转轴（悬丝）水平倾斜角α=0°磁棒放置于磁东西方向，即磁棒的摆动面严格垂直于磁子午面磁棒的摆动面垂直于水平分量，故不受水平分量的影响，即H的作用力矩=0磁系重心位置位于磁棒下方偏向S面一侧

磁系工作原理上地面SS0下θθfS西oβθ东NP一、悬丝式垂直磁力仪

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，顺时针一、悬丝式垂直磁力仪

磁棒停止摆动时的力矩平衡方程式为：mzcosθ=Pdcos(β-θ)＋2τθ式中：τ——扭力系数；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与磁轴的夹角一、悬丝式垂直磁力仪

可以证明，图中Z的变化ΔZ可引起θ角的变化(Δθ)；偏转范围不超过2°时，由θ角的变化引起的仪器读数变化与ΔZ成正比。据此可利用Δθ引起的读数变化测量ΔZ的值。在仪器结构上，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。一、悬丝式垂直磁力仪

设在某一点上，地磁场垂直分量为Z1，读数为S1；在另一点上垂直分量为Z2，读数为S2。则它们之间的垂直分量差值为ΔZ=Z2–Z1=ε（S2–S1）表明，悬丝式垂直磁力仪只能是用于相对测量。式中ε是一个常数，它代表每一个读格的磁场值，叫做格值。

二、常用机械磁力仪

第三节质子旋进磁力仪概述20世纪50年代中期，帕卡德和互里安首先发现在一线圈内装满水溶液并向线圈通以强电流，当极化电流突然中断后大约一秒钟内，在线圈上就可测出音频信号。信号的频率正比于外磁场。据此发明了V-4910质子旋进磁力仪，这种仪器在航空、航海及地面磁测等领域均得到了应用。概述质子旋进磁力仪的特点属于电子式磁力仪灵敏度，准确度高可测量地磁场总强度了的绝对值，或相对值、梯度值。精度高,稳定性好,使用方便,机内能存储上万组数据,能和计算机进行数据通信

一、质子旋进及测量原理目前质子磁力仪都是利用氢原子旋进的特点来达到测量地磁场的目的。蒸馏水、酒精、煤油、苯等富含氢的液体中氢原子核（质子）在地磁场中产生一定频率的旋进。(一)质子(核子)的旋进当没有外界磁场作用于含氢液体时，其中质子磁矩无规则地任意指向，不显现宏观磁矩。极化若垂直地磁场T的方向，加一强人工磁场H0，则样品中的质子磁矩，将按H0方向排列起来。H0质子磁力仪μp

μp(无外磁场)μp质子磁力仪S

N

μp(质子自旋磁矩)质子磁力仪

ωSNμp

T(有外磁场，质子旋进现象)质子磁力仪S

N

μp(质子自旋磁矩)质子磁力仪μp

μp(无外磁场)μp质子磁力仪S

T(有外磁场)Nμp质子磁力仪

ωSNμp

T(有外磁场，质子旋进现象)

质子磁力仪ω

μpSTN

质子磁力仪ωSTN质子磁力仪T(有外磁场)质子磁力仪T(有外磁场，核子顺磁性)质子磁力仪HT仪器原理质子磁力仪T仪器原理8

质子磁力仪

Tω=γPiTγP=(2.6751987±0.0000075)×10(T-1s-1)质子磁力仪

TT=2πγPif=23.4874f(nT)(一)质子(核子)的旋进拉莫尔旋进切断磁场H0，则地磁场对质子有μp×T的力矩作用，试图将质子拉回到地磁场方向。由于质子自旋，因而在力矩作用下，质子磁矩μp将绕着地磁场的方向作旋进运动(叫做拉莫尔旋进)。H0(二)测量原理理论物理分析研究表明，氢质子旋进的角速度ω与地磁场T的大小成正比，其关系为：式中，γp为质子的自旋磁矩与角动量之比，叫做质子磁旋比(或回旋磁比率)。它是一个常数。根据国家标准局1982年颁布的质子磁旋比数值是：γp=(2.6751987±0．0000075)×108T-1s-1(二)测量原理又因ω=2πf，则有：由式可见，只要能够准确测量出质子旋进频率f，乘以常数，就得地磁场T的值。(三)质子旋进信号在圆柱形有机玻璃容器内，装满富含氢的工作物质(如水等)，容器置于线圈之中。线圈通以电流，使其内产生n×l04A／m的极化(磁化)磁场H0，其方向沿线圈轴线，大致垂直于地磁场T。通电三秒钟后，快速切断电流，这时质子产生旋进，并调谐在旋进频率f上。MP4质子磁力仪(三)质子旋进信号极化线圈亦作为接收线圈，质子磁矩的旋进，质子磁矩的旋进切割线圈，将在接收线圈中产生感应电压信号为：(三)质子旋进信号式中：C是与线圈截面积、匝数及容器的充填因子有关的系数，对于一定的探头装置C是一个常数；κp是质子(核子)磁化率；H0是极化磁场的强度；θ是线圈轴线与T之夹角；t1是切断极化场时刻起算的时间；1／T2′是衰减常数。讨论

1)感应信号的幅度与κp×H0成正比。κp×H0是在极化磁场作用下，质子的磁化强度。即溶液中质子数目越多，极化磁场越大，故尽量采用氢原子含量高的物质作媒体讨论

2)信号幅度与质子旋进角频率（ω=γpT）成正比。若地磁场弱(T值小)，则旋进角频率ω低，信号幅度也就小。目前，质子磁力仪的测程一般是20000~100000nT，相当于旋进频率由851.52~4257.60Hz；此频率范围对于地面、海洋、及航空磁测来说，一般是足够的。讨论3)信号幅度亦与sin2θ有关。线圈轴线与T的夹角θ，在0°~90°之间变化，其大小会影响旋进信号的振幅，而与旋进频率（f）无关。当θ=π/4，信号幅度只降低到最大幅度的一半。因此，对探头定向只要求大致与T相垂直。θ接近于零度，则是探头的工作盲区。

θ=π/2，线圈轴垂直地磁场，信号最强。讨论4)

旋进信号是按指数函数规律衰减的信号。衰减常数为1／T2′

，它持续约几秒钟。感应信号的衰减，与探头所处的磁场梯度有关；梯度越大，衰减愈快。可以精确地测定旋进频率(即测定地磁场值)所允许存在的地磁场最大梯度，叫做仪器的梯度容限。讨论属于测频式：测量结果不受外界影响，只与原子核的结构有关，无零点漂移，稳定性好；不适用于磁场梯度较大的地区工作，也不适用于较强的电磁干扰区工作.G-856系列磁力仪G856F、G-856A和G-856AX是一种高精度的智能便携式磁力仪分辨力（灵敏度）:0.1NT

精度:0.5NT（常温下）

调谐范围:25000--100000NT

梯度宽限:4000NT/M

环境温度:-20度至50度

工作电压:DC12V采样时间:4秒至999秒可调

机箱体积:69X27X20(cm)

主机重：1.75Kg

主机大小：270X170X85(MM)

国内组装售价：5.6万人民币PMG-1质子磁力仪主要技术指标测量范围：20,000-100,000nT

测量精度：+/-1nT

分辨率：0.1nT

梯度范围：5,000nT/m

存贮数据：10,000个读数

存贮时间：10年

主机尺寸：240x90x200mm

主机重量：包括电池3.5公斤

PM-2质子磁力仪测量范围：25,000-80,000nT

测量精度：±1nT

分辨率：0.1nT

梯度范围：5,000nT/m

存贮数据：245760个读数

存贮时间：10年

电源电压：内置可充电4Ah锂电池

主机尺寸：232x100x145mm

传感器：直径70mm，长140mm

主机重量：包括电池1.9公斤

传感器：0.8公斤

温度范围：-10℃到+50℃

CZM-4型质子磁力仪GSM-19T質子旋進磁力儀基本参数

1、分辨率：0.1nT

2、调谐范围：20000nT-100000nT

3、采样率：4s-999s

4、梯度容限：5000nT/M

5、精度：0.5nT

6、电源：内置12V4.4AH充电锂电池

7、显示器：双排显示（LED）

8、操作台：18×27×9cm；

9、传感器：9×13cm；

10、工作温度：-20度~50度

11、数据输出：USB接口输出数据

12、WINDOWS环境下的数据输出与日变