04磁力仪原理与结构

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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。它是利用

2、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便携式他光泵磁力仪G856F高精度的智能便携式磁力仪PMG-1质子磁力仪SM-5高精度俺光泵磁力仪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

3、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S 3.幻3 悬缱式蚕直碑朴外89图一目整?3一费简 4调节水 施孔德苦 汗笑虞组,药一开杂税扭1 F一三闵） 票峋理捋一驿头锁紧把手5三脚规厩鸯,10 三成梨本座紧蜗Mt艇*廿一架头E平*；feef 12 把魅割皮雄扭 ia一归蛛宣盘故大税】u温度If埃敝囱1STH/1S.水准鼎基本结构内部结构可分为四个部分：1.磁系

4、；2.光系；3.扭鼓和弹簧；4.夹固开关图悬丝式垂直成秤内部构造囹1反光椭，之一咀匣根* J4一弹簧,5-充ElSfclb白一扭鼓乾建昵fib 7扭酰卸度in日一汕牌杆.-度女箜,I。一网性.1J*il磁系受到地磁场垂直强度磁力（ Z）、重力（g）及悬丝扭力（t ）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：mzcos 0 ,逆时针重力矩：Pdcos（。- 0 ）,顺时针扭力矩：2c。，顺时针仪器工作原理磁系主要是一根圆柱形磁棒，它悬吊在铭、镣、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

5、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（ 0 ）=P d cos（6 -。）+2 r 0z 地磁场垂直分量；m 磁棒的磁矩；P 磁系受到的重力；0 磁棒偏转角；d 磁系重心到支点的距离；3d与磁轴的夹角；T悬丝的扭力系数。mZ cbs（ t） = Pd cos（ -：-） 2.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。=tan0 ,则得xmZ -PatanPh

6、 2a=d cos 3 （重心到支点沿磁轴方向距离）；h= d sin 3 :（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0角很小，可是tan2 0 =2tan 0 ,则有 f光系物镜的焦距；s磁棒偏转0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._ _ph 2 -、,、Z =Z2 _ Z = （s2 _） ； （s2 _）2 fm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 T ） /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

7、节h以改变灵敏度。型号格值 T 格 T格观嵋度 nTCSC-3悬陞式垂辑力仪J(2.1 10)f =4257.8T Hz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H与旋进信号在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场3T成正比。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M绕地磁场的旋进

8、频率 f信号，必须采取特殊方法：使沿地磁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2.1 3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

9、感应电动势，如 图2.1 4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大于地磁场，故此法可使信噪比增大 牛倍，设地磁场T为0.5 X 104T,极化场H为100 X 10 4T,则可使信噪比增大200倍。IS 2-1-3两展化方稣典在自由旋进的过程中，磁矩M的横向分量以T2 （横向驰豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；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2.1 4和图2.1 5不难说明。I I AfjH 2. 1 5 愚应信号甚找示寮国图2.1 6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

10、的有机玻璃容器 （内装蒸储水），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，使水中质子磁矩指向极化场H的方向。若迅速撤去极化磁场，则 M的数值与方向均来不及变化，驰豫过程来不及影响M的行为,此时，质子磁矩在自旋和地磁场T的作用下以角速度w绕地磁场T旋进。在旋进的过程中，周期地切割外绕的线圈。杂一测量线圈中产生出的感tfl 2,1-6质f旋进t硝顺懂霸示恩枢应信号。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:tVt =VeF式中T 2横向驰豫时间；V 0信号初始幅度；如果接收线圈共有 w匝，所包围的面

11、积为 S,充填因子为a,则质子旋进信号强度的表达式为：V0 =10君二：，wSM0sin t式中 M 0磁化强度。在实际工作时，线圈轴向与地磁场 T的夹角。不正好保持90,并由实测得知：总磁矩量与sin。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：_t_Vt EOF ；工八wSM0 sin% sin 虹2由于（2.1 13）可知，0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。0 =900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，

12、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f =T公式是一致的。用这种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 丫 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，

13、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 o这说明如何设计合理，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，这是因为旋磁比丫 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f =志丁可以看出，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

14、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。溶液时间，sT1T2水2.33煤油0.71如果设计的传感器系由于磁测作业，因水的纵向驰豫时间 Ti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Ti、T2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Ti、T2外，还应考虑选

15、择冰点低（如甘油）的样本（三）容器的选择考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的。由实验和理论 计算结果认为：容器的直径和长之比应为1： 1.2 （1.3 ）的圆柱为宜。（四）激发与接收据前述知：极化场方向应垂直于地磁场，极化场的大小应大于被测磁场（如地磁场）200倍，因为地磁场按0.5 X10 4T计算，根据实测经验，应选择对于100 X 10 4T的极化场进行激发较妥， 为得到大的感应信号，接收线圈的轴向应垂直于地磁场。有因为地磁场太弱，必须采用预极化方 式才能接受到旋进的感应信号。接收线圈的种类很多， 有地面传感器用的单线圈，空中用的磁测双线圈， 地震台用的的环

16、行线圈，适合海洋用的三轴式线圈，如图2.1 - （ a）、（b）、（c）、（d）所示。K 2.1 7线圈神类示意囹用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要优点是：精度高，一般在（0.110） nT范围内；稳定性好（因丫 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，可直读外磁场 nT值；绝对值测量其缺点是：极化功率大，只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大4.3.4质子旋进磁力仪方框图质子旋进磁力仪主要由采集磁感应信号的探头、放大部分和频率测量等部分构成。信号的采集和放大是磁力仪准确测量的基础。探头磁感应信号的幅度只在a V量级，因此必须采取有效的放大

17、和防干扰措施来保证磁感应信号的准确获得。探头磁感应信号的采集、放大部分直接影响整个 仪器的勘探效果和工作效率。分离元件搭建的采样放大电路体积庞大，可靠性差，其电路参数不 易调整，且由于器件参数离散造成电路功能存在差异。随着集成电路制造工艺的提高，其在低噪 声方面的控制水平也在逐步提高，采用集成工艺制造的低噪声放大器，并进行适当的设计实现磁 感应信号的采集和放大。频率测量部分是质子旋进磁力仪的核心。通常测频较为广泛采用的方法是锁相倍频计数的方 法。将信号整形后倍频，再通过有门控的计数器计数， 通过数字电路控制门控时间使计数值正好是地磁场值。这种方法的优点是不需要复杂计算就能实 现频率到地磁场的转

18、换， 但是由于信号频率范围较宽(1300Hz 3100Hz),且信号幅度是衰减的， 锁相环很难实现在整个频带内精确倍频，因此这种方法精度较低，且电路复杂，可靠性差。随着 CPLD技术的成熟和发展， 分频测脉宽的方法实现起来变得很容易，采用CPLD方法测频具有测量精度高、速度快、自动化程度高、操作简便的优点。单片机是系统的控制核心。根据仪器功能要求，单片机除实现基本的测量和控制功能外，还 要实现以下功能：可以查询测量数据；保存仪器测量时的日期和时间；可以定时完成磁场 的自动测量；自动完成数据的处理与保存；按键完成数据显示、测量曲线显示、与上位计算 机的串行通讯和打印绘图输出等；由看门狗防止程序跑

19、飞；具有温度监测功能，对仪器进行 温度校正；检测电池电量。另外单片机应低功耗，以适于野外作业。信号采集放大电路以低噪声、低失调放大器为主组成前置放大部分，经开关电容滤波器进行 选频放大，再经压控增益放大电路完成磁感应信号的后级放大。频率测量模块使用 CPLD器件，其最大特点是可通过软件编程对其器件的结构和工作方式进 行重构10，能随时进行设计调整而满足产品升级。具有可靠的性能与完善的配套软件，片上程 序用Verilog HDL语言编写。拉莫尔信号采集与放大的关键技术1磁化控制技术质子旋进磁力仪的探头基本结构是一个充满了水或煤油的螺线管形线圈，使线圈垂直于地磁 场。磁化时线圈中通以直流电流产生磁

20、化磁场，使探头中质子磁矩的合成向量取向趋于磁化磁场 方向，经过一段时间，断开磁化电流，去掉磁化磁场，则质子旋进切割线圈，在线圈中感应出随 时间按指数衰减的旋进信号来。其幅度最弱为数微伏，衰减时间约为2秒。为获得磁感应信号，必须对探头磁化时间进行控制，同时需要对电路进行切换以形成磁感应信号的有效传输线路。2拉莫尔信号米集与放大技术探头输出的信号仅数微伏，必须放大到“伏”数量级才能供测量电路进行数字频率测量。因 此对放大器的要求是低噪声、高增益。为提高输出信号的信噪比，设计放大器应具有选频特性。 通常用改变配谐电容的方法来改变放大器的中心频率以实现选频要求，但这种方法随之而来的是 需要配以大量不同

21、容值的电容，在切换时只能采用波段开关或是以继电器切换，电路容易自激、 不易调节、工作可靠性较低，且体积偏大。开关电容滤波器具有处理速度快，整体结构简单的优 点，且随着集成制造技术的发展，可选择的开关电容滤波器种类很多，故此我们采用开关电容滤 波的方法来实现。为保证足够的放大倍数，放大系统中加入一级增益可调的后级放大。放大器的 各项指标设计要求分别为：工作频率范围13003100Hz,最大增益 118dB，输入阻抗 10k Q,选频通带 f=40100Hz。4.3.5质子旋进磁力仪系统总体设计方案图1是本设计的系统原理图，由CPU提供脉冲极化探头，由探头输出的微弱的质子旋进信号经 调谐后，送入选

22、频放大电路，信号放大后整形输出为 TTL标准at化探头 朴放大器放大电略RS-232接口GPS空重屏模块图1质子磁力仪系统组成单元方波，此信号送入测量部分测量。通过分析质子磁力仪的工作原理，并对几种型号质子磁力仪内部结构分析得知：质子磁力仪的测量部分主要由高精度的频率计完成。所以测量部分通过设计高精度的频率计来实现。频率计 采用新型的CPL皤件来设计。键盘采用5X 4矩阵键盘，CPLD分还实现了键盘扫描功能。质子旋进磁力仪配置了 GPS模块，用来获取测量点的经纬度及测量时的时间，GPS发送的时间非常精准，故在GPS有效定位时可以对系统的日历时钟校准。该系统配置了容量达 2 MB的FLASH的存

23、储器，240 X 128的单色大LCD显示屏，RS232接口和USB 接口。USB接口支持主机模式和从机模式 ，在主机模式下，可接USB存储器、USB外设(鼠标、键盘 和打印机等)；在从机模式下，可接PC机进行数据交换。探头配谐原理：探头是感性元件，所测量的信号是频率信号。质子磁力仪利LC并联谐振回路进行选频测量，根 据谐振公式：f = 1/2 兀(LC ) 1/2 ( 1)式中，f为LC谐振回路的中心频率；L为探头的电感量；C为仪器中配谐的电容值。只要使探头 的电感L和仪器中配谐电容 C较准确地配谐，就会使回路的谐振频率f谐振在探头中质子旋进频 率的附近。地磁场在短时间内变化较小 ，质子磁力

24、仪利用这一特性实现了仪器选频测量的自动跟踪 功能，利用上一次测量的频率值f (磁场值T)，根据下式计算出下 一次选频测量的配谐电容值 C :2L1_ - 2 （2二f ）2谐振回路的品质因数：Q =WL/R ( 3)为了在全测量范围内都能谐振于旋进频率，要把电容C换成可调的，简单实用的办法是用多档开关来换接若干个电容。由于探头配谐电路工作在极弱的信号下，本系统选用低导通电阻的模拟开关ADG7067 来切换谐配电容。电容配谐系统示意图如图2所示。该模拟开关为16 :1模式。图2电容配谐系统示意图信号放大原理：整个信号放大部分整体流程框图如图3所示。探头接收到的信号十分微弱，需要逐级进行放大。对放

25、大电路的要求是低噪声、高阻抗、低失调电流。前置放大器的作用是为整个系统提供较 高的共模抑制比，将探头输出的差分信号转换为单端信号。前置放大器输出的信号经50 Hz陷波器以消除工频干扰，经滤波后进入一次程控放大器 ，再经滤波（二阶带通），此时波形已比较接近正弦 波了，再进入二次程控放大器，此为主放大器，倍数比较大，信号完成放大。为进一步保证滤除信号 中的高低频干扰，在二次程控放大后，再接入一级二阶带通滤波器。经滤波后的信号还是正负电压 范围，故需要将其截取只保留正电压部分，在信号截取后将其通过比较器 ，可进一步滤除干扰，以完成整形，干净的波形即可送入数字测频部分进行频率测量。信号调理部分整体流程

26、框图前量放大 放大MflJ1 1| 顾350GHzJfcfclOtt借理诚波；一 带理蠹波尊一S SO-3500Hz放大LOW850-3500Hz 一信号频率测量：目前通用的频率测量方法有测频和测周。测频就是直接测量频率，通过记录单位时间内通过闸门的脉冲个数，来计算测量信号的频率。测周通过记录被测周期单位周期内通过的标准信号频率 计算出被测信号的频率。两种方法各有优点。对于高频信号 ，选用测频，可以减少土 1测量误差 得到较高的测量精度，但在低频测量时，土 1误差相对测量结果偏大，测量精度较低，此时测量周 期的方法可以减少土 1误差。4.3.6 CZM- 4型质子磁力仪主要技术指标CZM -

27、4型质子磁力仪是利用氢质子磁矩在地磁场中自由旋进的原理研制成的高灵敏度弱磁测 量装置，其磁场测量精度为土 1n T ,分辨率高达0.1n T ,完全符合原地矿部发布的地面高精度磁 测工作规程要求。其特有的大存储容量、高分辨率和灵活性可广泛用作便携式、移动式和基站 式磁力仪。1 主要特点地磁场总场绝对值测量范围达20000100000n T,可用于全球任一地域；既可全量程自动配谐，也可人工配谐；自动测量地磁场值，对于不清楚当地正常地磁场值的用户，尤为方便。中文操作界面，数据自动记录和存储，并可实时显示磁测剖面曲线，操作简单；随机所配专用软件可对野外实测数 据进行平滑去噪、日变改正、绘制剖面曲线等

28、相关预处理，方便用户对当天工作效果进行室内评估;USB210通讯接口，使仪器向电脑传输数据更快捷；可用于磁性标本参数测定；可选配1GB或2GB数据存贮器及一组备份电池，实现长时间磁测工作需求；可应用户要求外接GPS接收机，存储测点坐标值；可为用户选配专业磁法数据处理软件绘制等值线图、平面剖面图、作正反演解释等。2 主要技术指标(I) 测程范围:20000 100000n T ；分辨率:0.1n T ；(3 ) 测程精度：总场绝对强度50000n T时土 1n T ；(4) 梯度容限： 5000nT/ m ；(5) 液晶点阵：192 X 64 ；(6) 数据存储量：不小于8000个测点数据(选配

29、大容量存贮器时存贮量超过500万读数)； 工作环境温度:-15 + 50 C ；(8) 工作环境湿度： 95 %(25 C )；(9) 电源：锂离子电池，12181618V/ 5Ah，连续工作不少于17小时(日变方式下，典型读数间隔 为10秒时)；(10) 主机外形尺寸(L X W X H) : 220 X 90 X 200mm ；(II) 主机重量：2kg ；(12) 探头外形尺寸：力74 X 150mm ；(13) 探头重量：018kg。3 应用领域由于CZM - 4质子磁力仪具有磁测精度高，便携等优点，可广泛应用于以下领域：(1) 磁性矿产勘查，特别适用于具有弱磁性的多金属矿产；(2)

30、油气田、盐丘地质构造、磁性岩体圈定，地质填图；(3) 航空、海洋磁测的地面日变站；(4) 地磁台站的长期与定期观测；(5) 地震预报研究；(6) 磁测设备(如大型螺线管或亥姆霍兹线圈)的校准；物性(磁化率)测量；(8) 环境及军事地球物理工作：油气管线、地下未爆炸弹等的探测；(9) 考古：古墓、古城堡的探测。4.3.7 ENVI质子旋进式磁力仪ENVI地球物理系统是加拿大先达利（SCINTREX公司的最新产品。它竖固、轻便（1.7公斤）、有大屏幕LCD显示器、大容量的存储器、可充电电池、RS-232通讯接口，并有丰富的支持软件，野外一个人即可操作。同时它具有多项测量功能，其中包括先进的磁力仪/

31、磁梯度仪（ENVIMAG/ENVI GRAD测量和甚低频（ENVI VLF）测量。一、磁力仪测量方式1、地磁总场强度测量方式（ ENVI MAG该方式很方便地用来测量地磁总场强度，与其它类刑磁力仪不同之处是，该系统不但可采用 传统的定点方式来进行测量，而且还可以采用连续行走方式进行测量。此外，该系统的测量探头 还可以安装在背架上进行测量，这比探头安装在探针上测量速度要快得多。该方式也可以进行日变定点观测，其目的用于对其它同类仪器的日变校正。这样做必然要专 门指定一台ENVI MAG磁力仪负责日变观测。 另外本测量方式还新增加了一项功能，即自身日变校正功能。它不需要设立专门的日变观测站，只在测区

32、内预先设置好的若干连结点上按不同时间 重复读数不定期进行校正。2、磁梯度仪测量方式（ENNI GRAD该方法可同时提供总场和梯度的数据。梯度测量的优点可以消除日变的影响，即使在强磁扰 和磁暴发生时也可照常工作。为了工作方便也可将两个探头固定在背架上来测量地磁总场的垂直 梯度。3、甚低频测量方式（ENVI VLF）该测量方式观测来自三个不同甚低频发射点所感应出来的二次场和总场的甚低频信号相位和 相位差。唯一的三线圈探头为一个全方位探头。所以，使用者不必相对于每一个测点来选择探头 的方向，这可简化野外工作手续并能大大地提高测量速度。此外，该甚低频测量系统也可利用两 个探头或三个探头（无需定向装置的

33、电阻或电容电极）来测量甚低频感应电场，最后给出视电阻 率和相位角度。当然,ENVI系统也可同时进行磁法总场测量（ MAG和甚低频（VLF）测量，也可同时进行磁 法总场测量（MAG和磁梯度（GRAD测量。这两种测量系统与过去的 MP-4质子磁力仪有某些相 似之处，但总体来说不同之处还是占了绝大部分，由于技术的进步，特别是微电子学与计算机科学的日新月异，ENVI MAG和ENVI GRAD系统的工作过程更加自动、快速和精确。同时对操作者来，菜单显示各种信息又大大地加强了人机对话功能，初学者又可以很容易地掌握该系统的整 个测量环节。二、技术参数1、总场测量范围：20000到100000nT;2、总场

34、测量精度：土 1 nT;3、灵敏度：0.1 nT （在2秒时间读数的情况下）4、读数时间：0.5秒、1秒、2秒。三、控制台参数1 、显示器：LCD 8行、40个字符（64 X 240点）2 、键盘：17个键。4.4光泵式磁力仪光泵式磁敏传感器是高灵敏磁测设备的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的 塞曼分裂为基础，并用光泵和磁共振技术研制成的。利用光泵传感器做成的磁测仪器，是目前实际生产和科学技术应用中灵敏度最高的一种磁测 仪器，它同质子旋进式磁敏传感器相比有以下特点：灵敏度高，一般为0.01nT量级，理论灵敏度高达 10-210-4nT;响应频率高，可在快速变化 中进行测量；可测量地

35、磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量，而质子旋进式磁敏传感器只能进行点测。利用光泵磁敏传感器做成的磁力仪的种类甚多。按共振元素的不同，可分为氮（He）光泵磁力，其中又分为Heh HS光泵磁力仪；碱金属光泵磁力仪，其共振元素有钏（Rt85、Rt）7）、俺（Cs133）、 钾（k39）、汞（Hg）等。对碱金属而言，受温度影响较大，如俺（Cs133）元素在恒温43左右，方可变成蒸汽状态，而只有在蒸汽状态时才能产生光泵作用。对He4、He3而言，因其本身是气体状态，无需加热至恒温，但需将它激励使其处于亚稳态，才能产生光泵作用。这些条件在设计与制造仪 器时，必须予以重视。光泵磁力仪一经出现，即引人注

36、目，到目前为止，除在地球物理勘探外， 还应用于国防工程、空间磁场测量、地磁场微变测量、区分矿与非矿异常以及预报天然地震等广 泛的领域中。本节主要介绍 hS光泵磁敏传感器的物理基础、测磁原理、传感器组成及其应用。4.4.1氮（He4 ）光泵式磁敏传感器的物理基础原子物理学中有关于原子能级和能级量子化，以及原子能级分布规律等问题是了解和认识He4光泵式磁敏传感器的理论基础，现分述相关的几个物理概念。（一）塞曼效应塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象，它是光泵磁测的理论基础，图（1.22 ）所示是塞曼效应实验实例示意图。在实例中，将发光元素置于。点，并处在弱磁场中，此时谱线产生了分裂。在垂直

37、于磁场方向（即y方向）观察时，发现谱线分裂情况是：中间一条 V。是沿磁场方向偏振 的，两边的V1、V2是以为V。中心呈对称状态的，而 V1-V o=VbV 2.在V1和V2处的谱线，是沿垂直磁 场方向偏振的。沿磁场方向（即x方向）观察时，中间那条 V。谱线消失了， V1、V2处各出现了旋转方向相反的 圆偏振光（见图1.22）。图1.22塞曼效应实验示意图正常塞曼效应是：在弱磁场中，电子自旋量子数为零时（S=0）时产生的塞曼效应。反常塞曼效应是：在弱磁场中，电子自旋量子数不为零时（S丰0）时产生的塞曼效应。这里要介绍的光泵式磁敏传感器，不管是碱金属 Cs、Rb还是He4、He3光泵传感器，电子自

38、旋量子数均不为零（S丰0）,并且均是在弱磁场中工作，故属反常塞曼效应。（二）反常的塞曼效应的能级分裂当原子在弱磁场 H中时，总的轨道动量矩 Pl和总的自旋动量矩 Ps之间的“耦合”没有被 拆开，这时，原子的壳层动量矩将带着 Pl和PS一起绕磁场H旋进。如图1.23所示。由图中可 看出，磁场将使原子获得的附加能量为：式中（j.H） 磁场H和壳层磁矩Uj之间的夹角。图1.23弱磁场中Pj、Pl、Ps的旋进如果像碱金属那样，只有一个外层电子在起作用，问题即变得简单了，这里只考虑单电子的在上述偏振光中，称沿磁场方向偏振的为 线分裂是以原子能级分裂为基础的，分裂间距塞曼效应有正常和反常塞曼效应之分。兀成

39、分，其它两条偏振光的为cr成分。我们知道谱V1-V c=vc-v 2与外磁场强度成正比。 Eh=- UjHcos(j.H)(1.15)内量子数就可以，即： EH=- Uj H=-UjHcos(j.H)(i.i6)式(1.16)可写成下列形式： EH=- UjH H(1.17)式中UjLL - Uj在磁场H方向上的投影；Ujgmuo(1.18)将(1.18)代入(1.17)式得： EH=- g jR!UoH=gjmf oh(1.19)式中f O-拉莫尔旋进频率；Uo=eh/(4兀mc) 玻尔磁子；h 普朗克常数；m -电子的静止质量；C 光速。假设原子跃迁能级为E1、E2,在外磁场作用下，这两个

40、能级各自有附加能量巳、 E2,原子就在附加能量的能级上产生跃迁(如图1.24所示)。根据玻尔频率条件，这时的跃迁频率为：V =pE1 .七-仕2 .旧)】=vo (gj2mj2 一 g m)亨=V0 (gj2mj2 -gj1mj)f0(1.20)式中V。-无外磁场作用时 E1,E2间的跃迁频率，即：g j1, g j2E 1,E2能级的郎得因子；m j1, mj2E 1,E2能级的磁量子数。图1.24原子能级跃H：示意图由式(1.20)可以看出，在磁场中产生分裂后的谱线，相对于中心频率的间距为： V = (gj2mj2 -g jimji) f0(1.21)根据原子物理学原理得知，原子磁子能级间

41、的跃迁是按跃迁规则进行的： m1 = 0,二 1当mj =0时，有：Av =mj(gj2 gj1)fo(1.22)当Amj = 1时，有V = kj gj2 -gj1 -gj1 k(1.23)式(1.22)和(1.23)就是原子在磁场中产生反常塞曼效应时谱线分裂的间距，分裂后谱线的条 数和间距大小，视具体情况而定。(三)M (He4)原子能级的塞曼分裂氮原子有两个电子，两个质子和两个中子，核自旋互相抵消，核磁矩为零。在一般情况下，两个电子都处在1S轨道，充满n=1轨道，1=0，表现不出轨道磁矩； 根据泡利不相容原理， 两个电 子的自旋也必然相反，也显示不出电子的自旋磁矩，因而氮原子在外磁场中不

42、会产生塞曼分裂，也就无法利用He4进行光泵磁测了。但是，人类终于使没有磁矩的H产生了磁矩，并用它来测量磁场。具体办法是：将一电子激发到较高能级的轨道上，另一电子仍处在1S态(基态)。处在激发态的高能级上的电子，根据空间量子化原理，其自旋状态有两种取向，一种是和处在基态(1S)的电子的自旋方向相同，另一种是相反。相同时所表现的总自旋量子数S=1/2+1/2=1 ,相反时，S=1/2-1/2=0 。当S=0时，由于l 1=1 2=0,所以J=0,即在磁场作用下，能级不发生分裂，表现为单重能级， 称这种情况为仲氮。当S=1时，由于l 1=1 2=0,所以J=1，在外磁场作用下，能级分裂为2J+1=3

43、个能级，能级表现为三重态，这种情况称为正氮。原子物理学告诉我们， 氮原子发生跃迁服从的选择定则是： 1= 土 1。由于辐射过程不影响电子的自旋运动，因而 S=0,这样就 J=0、 土 1。根据选择定则，S能级只可以和 P能级之间产 生跃迁，而P能级也只可以和 S能级之间产生跃迁。由于 S=0,所以在单项能级和三重能级之间不存在跃迁，也就是说，在仲氮和正氮之间不能直接产生跃迁，根据选择定则，单项能级和三重 能级不可能直接跃迁到基态，相对而言，23S1态是比较稳定的，称这种状态为亚稳态，光泵式磁敏传感器就是利用亚稳正氮作样品的。He4亚稳态的各项量子数和 g因子数值，见表(1.1)所列。其在磁场中

44、的分裂能级，如图2.2-4 所示。.4. 一 表(1.1) He各项量子数和g因子数值表状态LSjgM (ms)23So01110, 土 123Po110-023P11113/20, 土 123P21123/20, 土 1, 土 2通过对塞曼效应的分析，可得到以下几点结论：(1) 塞曼分裂后，相邻能级之间的能量差极小，要观察这样小的分裂情况，只有通过能级间受激跃迁的方法，也就是用磁共振的方法进行检测。这里所指的受激跃迁，受激能量来自光，也就是通常所说的光泵方式。(2) 磁共振的频率大小取决于相邻能级间的能量差( E), E=hu。(3) 塞曼分裂后，磁子能级间能量很小， 信号只有微伏量级， 要

45、观察这样小看信号， 必须外加 一射频场并用电子接收技术来完成。(4) 在磁共振过程中，其它量子数不发生变化，而只有磁量子数在选择定则的范围内变化，光 泵式磁敏传感器就是在这种情况下工作的。图1.25 亚稳态正氮塞曼分裂能级图4.4.2氮(He4)光泵式磁敏传感器的测磁原理根据上述可知，原子 He4在稳态下既不具有核磁矩，也不具有壳层磁矩，整个原子不显示磁4 、性，在外磁场中不产生塞曼能级分裂。然而，当把原子He中一电子激发到亚稳态时，对正氮S=1的情况，则具有电子自旋磁矩。这时我们可将此情况归结为单个电子的自旋磁矩来考虑，也就是 原子的总磁矩 甬等于电子的总自旋磁矩，即 禹=无。由于电子自旋磁

46、矩是在地磁场作用下, 故在地磁场方向上的投影为:-sy = -ms s 4 -(1.24) 式中丫 s-电子的总旋磁比。由前面所述，地磁场T(弱磁场)作用在磁矩s- j上的附加能量为. ：E = - JjTcos(J.T)=STcos(J.T)- - 言丁(1.25)式中(J.T) T和诉j之间的夹角。将式(1.24)代入式(1.25)中可得：Et = sms 兴T (1.26)在亚稳态(23s)中j-1 , m=o和土 1。对于J=1的亚稳态在地磁场中分裂为三个能级，两相邻 磁子能级间的能量差为：E = s 打(1.27)式(1.27)说明，由于塞曼效应，氮原子在地磁作用下产生能级分裂之后，

47、相邻磁子能级间的能量差是在地磁场T的函数，并且与外磁场成正比。如果我们能设法测出Et的大小，由于丫 s旋磁比是已知的，地磁场 T也就知道了。由上述分析得知：跃迁过程中辐射的光子能量恰好等于两相邻能级间的能量，即： E=hf (1.28)式中f-辐射频率；h 普朗克常数。将式(1.28)代入式(1.27)得：hf =七爵丁 即是：f=T (1.29 )由式(1.29)可看出：频率f与地磁场T成正比关系，只要测出频率 f即可求得地磁场 T的大 小。式(1.29)为HS光泵式磁敏传感器测磁原理公式。为进一步理解测磁原理的作用机理，下面分别对光泵作用和磁共振作用进行介绍。(一) 光泵作用为产生光泵作用

48、，首先需要有一个光源，这个光源就是氮灯。灯管中充满光谱纯99.99%的氮4 气，管内气压为78mmHg用3050MH痢频激发振荡器激发，使灯管中He原子的一个电子激发到2P态上去，由P态到S态之间产生自发跃迁，这种跃迁产生D线（D0、D1、D2），用D线去照射吸收室中的亚稳态正氮。 吸收室中的He4气体，用高频激发振荡器将He4气体激发到23S1亚稳态，亚稳态 He4在地磁场T作用下产生能级分裂。分裂后的能级上原子，吸收灯射来的D线，跃迁到高能级上去，于是便产生光泵作用。 光泵作用的实质就是利用光使原子磁矩达到定向排列的过程，故也称光学取向。 下面以D1线右旋光为例进一步加以说明。 由He4灯

49、发生的D1线照射吸收室中亚稳态正氮时，由于光线方向和地磁场方向一致，因而D1线中的兀成分不起作用（在光敏元件中接收不到）；b成分将使符合选择定则 mj=+1样品的原子 产生跃迁，对于右旋偏振光的D1线，使样品原子产生跃迁按选择定则 mj=+1进行，如图（1.26）所示。由图中可以看出，23S1态的0、-1磁子能级上的原子，按选择定则跃迁到23P1态的J=1的+1、0磁子能级上，在此停留时10-8s后，又以相等几率自发跃迁回到23S1亚稳态的各个磁子能级上去。不难看出，经过上述过程往复一段时间后，将使原子富集在mj=+1的能级上，这种在光线作用下使原子向某一能级富集的过程便形成光泵作用。光泵作用

50、的结果是使原子的磁矩达到定 向排列。图1.26 Di作用下He4亚稳态原子的光泵作用示意图（二）磁共振作用在上述情况下，用射频场打乱原子磁矩定向排列的过程，叫做磁共振作用。其具体过程是：在垂直于地磁场方向（即垂直与光轴）加一交变的磁场-射频场，使射频场的频率 f等于相邻磁子能级间的跃迁频率。根据受激跃迁原则，射频场将使富集在m=+1磁子能级的原子产生受激跃迁，首先向m=0磁子能级跃迁，再逐渐先向 m=-1的磁子能级跃迁，使原子的分布规律服从玻 尔兹曼分布律。于是原子磁矩的定向排列被打乱，完成了磁共振的整个过程。下面从吸收室光的强弱（也就是从光学检测）的角度出发，分析光泵作用和磁共振作用的全过程

51、。在原子磁矩取向前，吸收室中大量亚稳态正氮原子吸收着由氮灯射来的D线，原子通过光泵作用将原子磁矩定向排列到某一能级上去，这时透过吸收室的光线相对比较少，此时刻称作光弱（暗）。当原子磁矩取向时刻，吸收室内的原子磁矩已排列好，不再吸收D线，而透过吸收室的光相对变强，此时被称作光强（亮）。当发生共振时，即原子磁矩向被打乱，吸收 D线产生光泵作 用而重新取向，此时为暗。我们若能测量出通过吸收室样品光线最暗的射频场频率，也就求得了 磁共振（吸收）频率。磁共振频率在数值上等于原子在亚稳态（23Si）的磁子能级间的跃迁频率 f。由式（2.2 16）可得到：foT =28.02356 Hz(1.30)式中T一

52、被测地磁场值。上式也可写成：T=0.03568426 f o(nT) (1.31)这和我们前面所推导磁测公式是一致的。当测出磁共振是射频场的频率 f0时，被测的地磁场T也就得到了。4.4.3氮（He4）光泵式磁敏传感器的组成及工作原理H光泵式磁敏传感器系由吸收室、氮灯、两个透镜、偏振片、入/4和光敏元件等元器件组成。图1.27所示为其组成框图。Anv图1.27 He4光泵式磁敏传感器的组成框图1、高频激发振荡器；2、氮灯；3、透镜；4、偏振片；5、1/4入；6、吸收室； 7、RF振荡器；8、射频线圈；9、透镜；10、光敏元件。现根据图示，将主要部件介绍如下：（一） 吸收室吸收室内充以 H气体，

53、形状如图中（6）所示。一般呈圆柱形（直径 3.5cm，长5cm）以便 使圆偏振光通过吸收室时反射为最小，提高光的利用效率。吸收室的体积大小要综合考虑。从原子极化情况考虑，体积原子极化原子极化多、信号也大。 但体积大，会使各点磁场不均匀，使共振线加宽，降低测量精度。另外，体积大则需要大功率激 发。根据实验与理论计算综合考虑，吸收室体积约45cm3左右为宜。另外，吸收室内气压大小的选择也必须予以重视，如果气压太高，泵激原子增多，固然可使共振信号加强，但也使驰豫时间 变短，使原子碰撞次数加多，产生强烈的去取向作用，从而使共振线加宽，降低测量精度。一般 认为取0.22mmHg气压为宜。吸收室一般采用无

54、电极激发方式，这是一种电离过程，它可以使电子动能传给原子，使He原子由基态1S,被激发到亚稳定态 23S1。即要求激发的动能等于两个能级之间的能量差，符合 E=hf公式。通过计算，可得到：f - ekT, E1 一 4玲Ph匚ekT(1.32 )式中k玻尔兹曼常数；T一绝对温度；b 原子半径；P一气压；E一电场强度；e一电子；H一普郎克常数。由式（1.32 ）可见：如果跃迁频率不变的话， 必须使外加电场 E和气压P的关系为正比关系。 这为设计和制作高频激发振荡器提供依据。 另外，关于吸收室制作材料选用 GG5建派勒克斯玻璃 为宜，且真空度要求在 10 6mmH（gAo（二）光源氮灯氮灯是一个发

55、光器件。 要求它能产生 D线，照射吸收室。对氮灯的要求有两个： 一是要求有 足够的光强度，二是要求发出的光具有一定波长。光的强度是通过灯中气压保证的，而一定波长 的光则由激发的强弱决定。如果气压加大则亮度增加，如果气压太高，使原子热碰撞增加，致使 散射加大，使氮灯中谱线复杂，光敏元件接收的噪声增加。经过实验和理论计算认为：气压约等 于5mmH的宜。氮灯选用亚铃形（见图2.2-6中2）为宜，其颈部使光集中而类似于点光源，能发生的光较强。（三）透镜由图1.27中的3和9所示，透镜1的作用是将电光源变成平行光。这里点光源指的是氮灯。 透镜2是把吸收室射出的平行光变成聚焦光，便于光敏元件的检测。制作时

56、可将焦距做得小些， 使体积亦小些。（四）圆启偏器由偏振片和4入组成，其目的是将1.08 a波长的平行光变成圆周极化光。从物理学中知，右 旋光为 m=+1，左旋光为 m=-1 ,线偏振光 m=0。为此，第一步是用偏振片将1.08 波长的光变成线偏振光，也就是将正常光变为极化光。之后，再用 4入波长片把线偏振光变成圆周极化 光。（五）光敏元件光敏元件为光电转换器件。要求噪声小，响应波长要与共振元素的波长相对应，下表列出不同 的共振元素谱线的波长，供选用光敏元件时参考。不同共振元素波长（入）表类型Cs133Rb87Rb85He4D1线894379487948D0 :10829.08D1 :10830.25D2852578007800D2 :10830.34对自激式光泵式磁传感器，由于响应频率较高，对He4有1.4M/0.5 X 10 4T,应选用响应