CN2476826Y

CN2476826Y - 磁偏角补偿测量装置

Info

Publication number: CN2476826Y
Application number: CN 01240117
Authority: CN
Inventors: 印开山
Original assignee: Institute of Earthquake of China Earthquake Administration
Current assignee: Institute of Earthquake of China Earthquake Administration
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-02-13
Anticipated expiration: 2011-05-22

Abstract

本实用新型涉及一种磁偏角的测量装置,尤其涉及一种磁偏角的补偿测量装置。为了解决磁偏角连续绝对观测的困难,而提供一种性价比更高的补偿测量装置。本测量装置主要是由改装的核旋仪、两台恒流源、一个GPS时钟、一套分量仪组成。由于可以同时测量地磁要素的三个分量F、H、D,无时间差;观测结果优于矢量法;可连续实时绝对测量,因此有着广阔的应用前景。

Description

磁偏角补偿测量装置

本实用新型涉及一种磁偏角的测量装置，尤其涉及一种磁偏角的补偿测量装置。

地球磁场(简称地磁)的存在是人类较早发现的地球物理现象之一，早在公元前几个世纪，我们的祖先就已经发现了地磁现象，并于公元八世纪在航海中利用了罗盘。地磁资料在导航、勘探、地球科学研究领域得到了广泛的应用，因此倍受关注。为了观测地球基本磁场的变化，全球有上百个地磁观测台站在日夜不停地运转。

地磁(F)是一个矢量场，如图1(地磁矢量图)所示。确定某一观测点的地磁场需要用三个彼此独立的分量来描述。这些独立的分量称为地磁要素。常用的可供选择的地磁要素有F(地磁总强度，即地磁向量的模)，X、Y、Z(地磁向北、向东、向下的三个分量)，H(地磁水平分量，即地磁在水平面上的投影，其方向为磁子午线方向)，D(地磁偏角，地理北与磁子午线间的夹角)和I(地磁倾角，即地磁场对水平面的倾角)。这些要素可以有多种方式的组合，如X、Y、Z；H、D、Z；F、D、I等，已知其中独立的三个，其它要素就可以计算出来。

目前，国内外采用的磁偏角测量方法及其仪器有：

①磁力测量法。用无扭力吊丝悬挂磁针，当磁针停止时，磁针轴线方向即磁偏角方向。如英国的COOKE磁经纬仪，中国的CJ6磁经纬仪。

②感应测量法。利用电磁感应原理，使线圈在磁场中运动，当线圈平面轴线与磁场平行时，因为不切割磁力线则无感应电流，此轴线方向即为磁场方向。如日本的G·S·I一等磁力仪。

③磁通门测量法。利用磁通门探头有良好的方向性特点，如：加拿大EDA公司的DIM-100、英国BARTINGTON公司的MAG-01H和中国科学院地球物理所的DI仪。

④矢量测量法。利用线圈产生磁场抵消Z分量，再在水平面内产生两个方向相反的磁场，与地磁水平强度分别进行矢量相加测量。按一定的几何关系计算磁偏角。如国外有几个国家、国内有中国科学院地球物理所和江苏省地震局使用了此方法。

由于①②③三种方法是人工手动操作，难于实现自动化观测。第④种方法虽然可以自动连续测量磁偏角，但造价高，无法实时测量，磁扰时误差大。

本实用新型的目的就在于克服上述测量法及其装置存在的缺点和不足。而提出一种磁偏角补偿测量法及其装置，从根本上(原理上)解决了磁偏角连续绝对观测的困难。

本磁偏角补偿测量法是这样实现的，如图2(补偿法原理图)所示，即利用一个水平线圈产生磁场Z′，基本完全补偿地磁垂直分量强度Z；用另一个垂直线圈产生水平磁场H_W，其轴向偏移H的角度为90°+β，可基本完全补偿H分量在线圈轴线上的投影分量H_W′，这时用补偿法可以较精确地测定H_D，只要H_W是水平的，并且它与地理北之间的夹角α是已知的，就可以算出磁偏角D：

D＝β-α＝COS^-1H_D/H-α

α测量有两种方法，一种是传统的比测法，另一种要求线圈及度盘进行精密加工，并配上望远镜***和D标定管，自行标定，直接测定α角度。

本补偿法和国内外通用的矢量法相比，其优点在于：

①补偿法可以同时测量地磁要素的三个分量F、H、D，无时间差；而矢量法则必须在磁偏角线圈中前后分别加上正反两个方向的附加磁场电流并作两次测量，才能与水平磁场强度一同作磁偏角计算，实现磁偏角的测量，这样在磁扰时会带来较大的误差，这一致命的弱点限制了它的应用。

②利用补偿法测量磁偏角，偏角测值是偏角补偿场的最小值点，类同于测量水平或垂直强度。因极值点附近的磁场梯度较小，而矢量法是对偏角附加磁场进行矢量相加，其测值点附近的磁场梯度较大，所以对于同样的测量强度仪器，补偿法可以取得更好的观测资料。

③在磁静时，为获得同样的磁偏角测量精度，矢量法需要万分之一的恒流源稳定度，而补偿法只需要千分之三的稳定度，造价大大节省。

④补偿法的偏角计算公式：

D＝β-α＝COS^-1H_D/H-α(1)

国际通用的矢量法计算公式：

D＝D₀+θ＝D₀+SIN^-1[(R₊ ^2-R_- ²)/4HC](2)

公式(1)中H_D和H两个测值带来误差，公式(2)中R₊、R_-、H三个测值带来误差。同时C不是一个常数，它受到恒流源的不稳定带来的误差。

以上两种计算公式可以明显地看出同样的强度测量仪器，补偿法的观测结果绝对优于矢量法。

⑤补偿法较有效地解决了地磁矢量场连续实时绝对测量的难题。它可以用质子磁力仪(核子旋进磁力仪或OVERHAUSEN双共振质子仪)和能产生有效的补偿场线圈相组合，分别测定F、H、H_D三个磁场强度，而能较精确地计算出地磁三分量的准绝对值。根据武汉地磁台使用G856核子旋进磁力仪和自己组装的补偿线圈测量结果显示：水平分量H的精度为0.3nT，6个月的漂移量小于1.5nT；垂直分量Z的精度为0.4nT，6个月的漂移量小于1.5nT；磁偏角D精度为0.04′，6个月的漂移量小于0.15′。这一结果，在国内外已有的观测资料报道中都是少见的。

根据IAGA(国际地磁学和高空物理协会)介绍的世界上最好的连续观测仪器磁通门磁力仪是一种相对观测仪器，它的基线年漂移量为5nT，要求的环境温度为年温差5℃，实现这样的保温要求耗资是很大的，且国内没有一个地磁观测站能达到这一要求。而用质子磁力仪采用补偿法观测没有任何苛刻的条件。因为它不受温度、湿度等其它因素的影响，只要墩基牢固，无太阳直晒和风吹(墩基倾斜和线圈变形会引起测值漂移)，这些要求是极易实现的。利用补偿法测量磁偏角，可以用较少量的经费，获取的观测资料质量达到或超过国际上最先进台站(测量地磁场长趋变)，并解决了地磁场三分量绝对值自动化连续测量和实时联网传输的一系列问题。这在地磁观测技术上取得了一个大的突破。

采用本补偿法研制的本测量装置主要是由改装的核子旋进磁力仪(G856)(简称核旋仪)、两台恒流源、一个GPS时钟、一个分量仪组成。

下面结合附图详细说明。

图1为瞄述地磁的场矢量要素图；

图2为本补偿法原理图；

图3为本装置组成方框图；

图4为补偿线圈结构图；

图5本装置实施例方框图。

其中：1-改装的核旋仪，1.1-探头；2-分量仪，2.1-Z补偿线圈，2.2-D补偿线圈，2.3-底座；3-计算机；4-GPS时钟；5-稳压器；6-恒流源，6.1-Z补偿恒流源，6.2-D补偿恒流源；7-恒流源控制器；8-控制器；9-定时器；10-并行接口芯片8255A；11-键盘；12-显示器；13-RS-232电平；14-PC机；15-外部存储器。

由图3、图4可知，本装置由核旋仪1分别与计算机3、GPS时钟4、稳压器5、Z补偿恒流源6.1、D补偿恒流源6.2相连接；又核旋仪1的探头1.1置于分量仪2的中心位置；分量仪2由Z补偿线圈2.1、D补偿线圈2.2及底座2.3组成。两组线圈的中心重合；Z补偿线圈2.1水平放置，与Z补偿恒流源6.1相连接；D补偿线圈2.2垂直放置，与D补偿恒流源6.2相连接。底座2.3结构类同于一般经纬仪，即带有刻度的旋转平台，360°方向自由旋转。两个6″精度的水准仪，90°方向分放两边，底座调平精度为1″。

核旋仪1是测定地磁强度的仪器，其探头1.1放置在分量仪2的中心；分量仪2不加补偿电流时，测地磁总强度F。

一组水平放置的Z补偿线圈2.1，其磁轴在垂直面内，当在线圈中通以一定的补偿电流，使产生的磁场等于该点地磁的垂直分量Z值且方向相反时，便会抵消Z，核旋仪1测值出现最小值，此测值即为该点地磁的水平强度H。

另一组垂直放置的D补偿线圈2.2将轴线调整到偏移磁北角度为90°+β，在线圈中通以一定的补偿电流，使产生的磁场值其大小与该点水平强度在磁轴上的投影H_W′相等，方向相反，相互抵消时，核旋仪1测值出现最小值，即为计算磁偏角需要的磁场值H_D。

由以上分析，本测量步骤是：

①测地磁总强度F。

②接通水平放置的Z补偿线圈2.1电流，测定完全补偿时的地磁水平强度H值。

③Z补偿线圈2.1电流不变，再接通垂直放置的D补偿线圈2.2电流，测定完全补偿时的H_D。

④断补偿电流，存储数据至计算机。

计算机根据由GPS控制的观测时间和此时的F、H、H_D，

由于：H＝H

所以：Z＝(F²-H²)^1/2

D＝COS^-1(H_D/H)+α

从而直接计算出此时的地磁H、Z和D的三分量准绝对值。

该装置每分钟测量一次，计算机给出地磁观测台站的三分量分钟值，整点值，极大值和时间，极小值和时间，时均值，日均值，月均值和地磁年报所需要的各种数据，解决了长期以来我国地磁台站人工量图和手工操作的困难，使数字遥测地磁台网成为可能。

该装置的观测精度较过去的人工量图大为提高。H分量由2.5nT提高到0.3nT，Z分量由2.5nT提高到0.4nT，D由0.25′提高到0.04，基线的年变化由30nT减少到3.0nT。此观测结果国内没有，国际罕见，应该说是地磁观测技术的一个突破。

本磁偏角补偿法如果采用GPS时间服务***，同步控制三台Overhausen双共振质子磁力仪在三个测点上分别测量F、H、H_D，消除墩差后可以获得测量周期为毫秒级的连续绝对三分量数据，其分辨率为0.01nT，精度为0.2nT。为了消除墩基倾斜的影响，必须将分量仪2悬挂起来，探头1.1作一些简单的密封和防潮，分量仪2骨架可采用变形系数较小的石英材料，采取这些措施后即可成为年漂移量小于1.0nT，精度为0.2nT的全自动化的连续测量的准绝对观测装置，其准确度取决于比测仪器，这将使地磁观测技术获得一次较大的飞跃。

本装置的实施例如图4所示，由于G856磁力仪的结构紧凑、功能强大，其8K程序存储器已基本占用，从而无法再扩展，所以使用8031CPU单片机作为主CPU，通过控制器8控制G856磁力仪的CDP1802CPU工作。即采用双CPU工作方式。8031CPU通过定时器9控制CDP1802CPU每一分钟测量三次，依次测量地磁总强F、水平分量H、H_D。可编程并行接口芯片8255A10作为键盘11和LCD显示器12的接口，可以接受外部指令和显示数据。由于8031单片机的串行口是标准TTL电平输出，为使其与RS—232C电平13接口，采用MAX202CP作为转换器，转换成RS—232C电平，以实现电平匹配。并与GPS全球定位***串行相接，可接收经纬度和世界时，与PC机14相接可进行双向通讯，通过控制器控制G856磁力仪，将测量存储的数据传送到计算机，做后期数据处理。用于Helmholtz线圈磁分量补偿电流的恒流源部分由MAXIM公司生产的三片高性能集成电路组成，其最大输出电流可达到500毫安，宽电压输入范围(4.5V-15V)和高稳定性。外部存储器15可将地磁总强F、水平分量H、H_D的调谐值进行存储。

本装置性能：

①分辨率：0.1nT，精度F0.3nT；

②测量范围：200000nT-900000nT；

③分量精度：Z(H)0.5nT；偏角D0.05；

④恒流源精度0.05；

⑤环境温度：-10℃-40℃；

⑥采样间隔：1分钟；

⑦时间误差：0.1s/日(GPS自动校时)；

⑧输出接口：RS—232C；

⑨电源：12V直流。

Claims

1、一种磁偏角补偿测量装置，其特征是本装置主要由改装的核旋仪、两台恒流源、一个GPS时钟、一个分量仪组成，其连接关系是：由核旋仪(1)分别与计算机(3)、GPS时钟(4)、稳压器(5)、Z补偿恒流源(6.1)、D补偿恒流源(6.2)相连接；又核旋仪(1)的探头(1.1)置于分量仪(2)的中心位置。

2、按权利要求1所述的一种磁偏角补偿测量装置，其特征是分量仪(2)由Z补偿线圈(2.1)、D补偿线圈(2.2)及底座(2.3)组成；两组线圈的中心重合；Z补偿线圈(2.1)水平放置，与Z补偿恒流源(6.1)相连接；D补偿线圈(2.2)垂直放置，与D补偿恒流源(6.2)相连接；底座(2.3)为一个带有刻度的可360°方向自由旋转的平台，两个6″精度的水准仪，90°方向分放两边，底座调平精度为1″。

3、按权利要求1所述的一种磁偏角补偿测量装置，其特征是分量仪(2)悬挂放置，分量仪(2)的骨架采用变形系数较小的石英材料，探头(1.1)作密封和防潮处理。