CN1017939B - 全自动测量地磁场分量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属地磁场测量的方法，主要用于地震台测量地磁场的垂直和水平分量。

本发明与传统的全补偿法不同，采用部份补偿法，即以磁力仪内部的微处理器控制自动在补偿线圈上产生与被补偿场方向相同和相反而其绝对值小于被补偿场的磁场，测量二次补偿前后的磁场即可计算出垂直和水平分量，补偿线圈的不垂直度可以预先加以修正。

本发明在测量时，不需要人为旋转补偿线圈，因此可以遥控测量和记录，达到全自动测量的目的。

Description

本发明属地磁场测量的方法

测量地磁场的垂直分量和水平分量是监测地震的重要手段之一。

地磁场T是一个矢量，它可分解为对地球水平面垂直的垂直分量Z和平行于水平面的水平分量H，如图1所示，倾角α随纬度的减小而减小，其模值为：

Z＝TSinα    （1）

H＝TCOSα    （2）

T＝Z²+H²（3）

低纬度地区α小，Z值小，高纬度地区α大，H值小。

所以在低纬度地区以测H值为主，高纬度地区以测Z为主。

长期以来，国内外测量地磁场分量Z及H的方法是使用全补偿法。即将磁力仪探头5置于产生补偿场的霍姆赫茨（Helmholt₂）补偿线圈4中心。当补偿线圈4中通以直流电，补偿线圈4中产生一平行于探头的磁场，当补偿线圈4直立安装垂直于水平面时，则补偿线圈4产生的补偿磁场平行于地磁场水平分量H。当补偿线圈4水平安装平行于水平面，则补偿磁场平行于地磁场垂直分量Z。当补偿线圈4产生的补偿磁场与地磁场的水平分量H平行，且与H相等相反，则磁力仪3测得的值即为地磁场的垂直分量Z。如补偿线圈4平放（探 头5垂直于水平面），则磁力仪3测得的是地磁场水平分量H。

这种将某一分量抵消后测量另一分量的方法称之为全补偿法。

由于补偿线圈4的制造和安装问题，要使补偿线圈4达到绝对垂直和水平是办不到的，如线圈有0.1°的不垂直度，以北京地区为例，垂直分量Z的测量误差可达50nT。

当线圈直径加大，制造精密，安装平台质量高，其误差可以相对减小，如不垂直度为0.1′其测量误差亦将近1nT，但制造成本将大幅度增加，不是一般台站所能承受的。

目前，我国地震台站使用的霍姆赫茨补偿线圈4的直径有三种～40Cm、60Cm及100Cm。直径为100Cm的只有极少数骨干台站使用，其它绝大多数台站均采用40Cm的一种，因此，目前的测量方法是在一个方向测量数次，然后将线圈转动180°，再测量数次，取其平均值作为测量值。这种测量方法其误差是较大的。

而且加在补偿线圈4上的电源是靠电池供电，电流表监视，电位器调整的办法，但由于地磁场值是随时变化的，用全补偿法所加的电流不是一个定值，而是在测量时，以能测得最小值为准，（因补偿完全则α→90°，H→0，T≈Z，得最小值）。用此办法，要在10⁴nT量级的地磁场下调整万分之一量级，亦是很困难的。

另外一般台站的观测点均设在离住地有一定距离，环境磁场比较平静，干扰小的地方。这样的测量，对工作人员是很不方便的。

以上所有测量都是手工操作和计算，因此出现误差和错误亦是在所难免的。

日本专利昭57-179779所述的在海底自动测量地磁场系统是测量地磁场总场T而不能测量分量，其计算机和计数系统是与磁力仪系统分开，是一种比较庞大且价格昂贵的系统，且要求交流的保证，其目的在于解决远距离测量问题。

由于质子旋进磁力仪能够精确测量地磁场的绝对值。因此，国内外的地震监测站大多采用质子旋进磁力仪，如有美国的G-805型，加拿大的MP-2型，我国使用的多为北京地质仪器厂生产的CHDS-72型，其测量灵敏度约为1nT或更低。

本发明的目的在于：

1.提供一种新的补偿方法即部份补偿法，籍带微处理器的磁力仪使测量全过程达到完全自动化。

2.提供一种全自动测量分量的装置，即采用微处理器控制的磁力仪，按测量分量的特殊要求设置硬、软件，磁力仪的灵敏度采用目前国际上地面使用的质子旋进磁力仪最高的水平-显示灵敏度达0.1nT。

本发明采用部份补偿法，配合带有微处理器7的质子旋进磁力仪3，实现全自动测量地磁场T及垂直水平分量（Z与H），本方法是 与已有技术一样，将磁力仪3的探头5置于霍姆赫茨补偿线圈4中心如图2，在补偿线圈4中通以直流电流，使补偿线圈4产生一补偿场。

本发明的特点是：

本发明的补偿场是部份补偿被补偿的地磁场之水平或垂直分量，其值是被补偿分量的40-90%。如被补偿场是地磁场T的水平分量H，则由磁力仪3内专用的稳定电源6提供的，受磁力仪3内微处理器7控制的按测量步骤顺序向补偿线圈4输出方向相反、大小相等的直流电流在补偿线圈4上产生±△H（见图3），由机内微处理器7控制连续自动测量补偿前后的磁场值，并自动计算出垂直和水平分量（Z和H）。其测量步骤是：

（1）不加补偿场测得地磁总场T;

（2）在补偿线圈4上产生一与被补偿场H方向相反的磁场△H测得当时的磁场值T₁;

（3）补偿场大小保持不变，只改变其方向，即加一与被补偿场H方向相同的磁场△H测得当时的磁场值T₂;

（4）根据T、T₁、T₂，机内微处理器7按下列公式自动计算出Z及H。

T²＝Z²+H²（4）

T² ₁＝Z²+（H-△H）²（5）

T² ₂＝Z²+（H+△H）²（6）

由（4）至（6）式得出：

$\mathrm{H\; =}\frac{T^2{}_2{\mathrm{-\; T}}^2{}_1}{\sqrt{{\mathrm{8\; (T}}^2{}_2{\mathrm{+\; T}}^2{}_1{\mathrm{-\; 2T}}^2)}}\mathrm{(7)}$

$\mathrm{Z\; =}\sqrt{T{}^2-\frac{{\mathrm{(T}}^2{}_2{\mathrm{-\; T}}^2{}_1{)}^2}{{\mathrm{(T}}^2{}_2{\mathrm{+\; T}}^2{}_1{\mathrm{-\; 2T}}^2)}}\mathrm{(8)}$

测量并计算完毕，其测量值和计算值顺序于显示器上显示并存入微处理器内存，亦可同时通过输出接口自动打印，或事后输入外部计算机处理。从启动磁力仪3开始经测量至记录完毕的全过程是在20秒钟内完成的。

以上的测量和计算，可以根据需要由磁力仪3内部微处理器7设定程序，予定每天测量次数和测量时间，自动定时启动磁力仪进行补偿、测量、计算和输出，测量完毕自动停机。测量间隔可从20秒以秒步进直至一个月一次。

由于补偿线圈4的制造和安装都不可能做到理想的垂直或水平而产生测量误差。本发明的方法是在按装本测试系统时，将补偿线圈4作正反180°的旋转测得修正参数，该修正参数是一个常值，测得该修正参数后将其存入机内微处理器7，将在正式测量时在计算中对测量值加以修正，因此，在正式测量时不需要再转动补偿线圈4。

从上所述，本发明的方法达到了完全自动化的程度，测量者可以自由设定每天测量次数、时间，并隔一定天数收取打印记录，亦可通 过传输，将信号传送到测量者的办公室进行记录或处理。

为完成本发明的测量方法提供一套完整的全自动测量地磁场垂直和水平分量的装置。该装置包括补偿线圈4，专用磁力仪3及电源（1及2），补偿线圈4可以利用地震观测台已经使用的而不需另外配备，专用磁力仪3是一台装有微处理器7的灵敏度达0.1nT的质子旋进磁力仪，内部还装有专为补偿线圈提供高稳定度的，由磁力仪微处理器按设定程序控制其方向相反大小相等的电流之稳定电源6，该电源能提供不少于150mA电流，其短期稳定度（30秒内）不低于10^-5。

考虑到不同台站使用，有停电的可能，故本装置的磁力仪3可以交直流两用供电。即将磁力仪3和电池组2，并连接于充电机1上，充电机1向电池组2充电并同时向磁力仪3供电，在交流电停电时，电池组2自动向磁力仪3供电，这就保证本装置可以连续不间断使用。

本发明与已有技术相比较，有如下优点：

（1）分量的测量与计算记录完全自动化;

（2）测量灵敏度高;

（3）操作没有人为影响，提高测量可信度;

（4）不受停电影响。

附图说明：

图1为地磁场的矢量图，T为总场，Z为垂直分量，H为水平分量，α为倾角。

图2为本发明的装置框图。

1.充电机    5.磁力仪探头

2.电池组    6.供补偿线圈产生补偿场电流的

3.磁力仪    稳定电源

4.霍姆赫茨补偿线圈    7.磁力仪内部微处理器

图3为部份补偿法的矢量图。

T为未补偿时测得的地磁总场。

T₁为加反向补偿场后测得的磁场值

T₂为加正向补偿场后测得的磁场值

△H为水平补偿场（±△H方向相反大小相等）

H为地磁场水平分量

Z为地磁场垂直分量

本发明实施例的技术指标：

（1）地磁总场测量灵敏度：优于0.1nT

（2）垂直和水平分量准确度：优于1nT

（3）测程：32000-70000nT

（上端可扩至90000nT，下端可扩至20000nT）

（4）测量时间间隔：20秒-30天（以1秒步进）

（5）多参数显示并输出：总场T、垂直分量Z

水平分量H及时、分、秒

（6）输出接口    数据输出供PC-1500微机

或打印输出，亦可为指定计算机

配接口

（7）工作温度    -20°-+50℃

（8）工作湿度    ＞80%RH

（9）功耗：DC：25V-18V    1-1.5A

（10）体积：仪器主体225×210×90mm

探头Φ75×140mm

（11）重量：仪器主体1.5kg

探头1.5kg

Claims (3)

1、一种全自动测量地磁场垂直和水平分量的方法，是将磁力仪探头置于霍姆赫茨补偿线圈中心，线圈中通以直流电流，使线圈产生一补偿场以抵消一项分量测量一项分量，其特征在于：

(1)采用部分补偿法，其步骤是：

a.不加补偿场测得地磁场总场T；

b.使补偿线圈(4)产生一与被补偿场同向、其值小于被补偿场绝对值的补偿场△H，测得磁场T₂；

c.使补偿线圈(4)产生一与被补偿场反向、其绝对值与同向补偿场相同的补偿场-△H测得磁砀T₁；

d.补偿场的绝对值为被补偿地磁场的40-90%。

e.由磁力仪(3)机内微处理器(7)设定的控制程序连续自动测量出补偿前后的磁场值T、T₁和T₂并自动计算出地磁场的垂直分量Z和水平分量H。

(2)以磁力仪(3)机内微处理器(7)设定的控制程序从磁力仪内部电源(6)自动向补偿线圈(4)提供稳定电流产生补偿磁场；

(3)根据使用者的需要，由磁力仪(3)内部微处理器(7)设定程序定时启动磁力仪(3)和进行补偿前后的磁场测量、计算和输出，测量完毕磁力仪自动停机；

(4)在按装测试系统时，将线圈作正反向180°旋转测得固定的修正参数存入微处理器(7)，供计算时修正。

2、根据权利1要求所说的全自动测量地磁场垂直和水平分量的方法，其特征在于：从启动磁力仪（3）开始测量至记录完毕的全过程是在20秒内完成的。

3、根据权利1要求所说的全自动测量地磁场垂直和水平分量的方法，其特征在于：测量间隔可根据需要由微处理器程序设定从20秒以秒步进直至一个月一次。

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