CN102590765A - 一种全张量磁力梯度仪 - Google Patents

Abstract

一种全张量磁力梯度仪，属于测量技术领域。其特征是：本发明中的全张量磁力梯度仪由多探头探测装置、开关转换器和磁力仪三部分组成。多探头装置由8个探头组成，采用立方体8顶点的阵列布置形式。开关转换器，由电源、微处理器、通信接口、8×1矩阵电子开关组成。本发明的效果和益处是：可测量磁场梯度张量的9个参数、磁场梯度张量不变量和磁场梯度张量的模量；且构造简单、精度高，可应用到水下目标定位、金属物探、水域探测、城市工程物探、考古以及物探。

Description

一种全张量磁力梯度仪

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种全张量磁力梯度仪，用于磁场测量。

背景技术

磁场是具有方向和幅值的矢量场，在三维空间中，具有3个磁感应强度的分量B_x，B_y，B_z，同时，磁场梯度可以用由9个(3×3的矩阵)参数B_xx，B_xy，B_xz，B_yx，B_yy，B_yz，B_zx，B_zy，B_zz组成的张量来表示。磁场梯度张量能获得更多的反映场源特点与细节的信息，对磁异常的解释十分重要。测量磁场分量的空间变化率，即磁场梯度张量，是目前各国地球物理学领域的研究开发的热点，可应用到水下目标定位、金属物探、水域探测、城市工程物探、考古以及军事物探等，磁力梯度技术也日益得到人们的重视。

磁场梯度张量测量系统可得到磁场矢量分量的梯度，不受总场测量的限制，所测量的结果能够反映目标的矢量磁矩信息，张量元素受地磁场的倾角、偏角影响小。磁场梯度张量不变量本身具有许多很好的性质，由磁场梯度张量计算得到的张量不变量不需要额外的处理即可以很好地描述磁场源，且磁场梯度张量反演能够很好地描述场源体的磁化方向和几何形态，如倾向、走向等，提高了对磁源体的分辨率。磁场梯度张量的不变量等值线图不受地磁场方向影响，能够很好地勾画出场源边界。当有多个靠得很近的场源时，磁场梯度张量不变量比总场能够更好地区分场源。磁场梯度张量的模量直接随与磁性物体的接近程度而变化，常用磁场梯度张量的模量值确定探测界限范围，并评估测量系统的性能。

在目前的磁场梯度测量中，主要有两种方法：(1)通过人工移动探头位置，测得多个位置的磁感应强度，不同位置的磁感应强度的差值除以探头移动的位置，即可得到该方向的磁感应强度的变化率，即磁场梯度；(2)布置多个磁传感系统，同时测得多个位置的磁感应强度，不同位置的磁感应强度的差值除以磁传感系统之间的距离，即可得到该方向的磁感应强度的变化率，即磁场梯度。

由于磁场梯度张量中有9个参量，第(1)种方法，需要至少需要测量18个位置的磁感应强度，需要移动探头18次，在实际操作中，存在人为主观经验的因素，误差较大、且操作繁琐、耗费时间。第(2)种方法，至少需要布置6个三轴磁传感器或者更多数量的单轴磁传感器，方可测得9个磁场梯度参数，造价高昂、且构造复杂。因此，目前一般的磁力梯度仪中仅布置2个三轴磁传感器，一次可测得沿一个方向的磁场变化率，即3个磁场梯度参数，故目前的磁力梯度仪仅为部分张量磁力梯度仪。

综上所述，目前的磁力仪和部分张量磁力梯度仪，不能直接测得磁场梯度9个参数，更不能直接测得磁场梯度张量不变量和磁场梯度张量的模量。

鉴于目前磁场测量领域，对于磁场梯度张量、磁场梯度张量不变量、磁场梯度张量模量等测量的重大需求，以及目前在磁场梯度测量领域存在的诸多问题，本发明提供一种全张量磁力梯度仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全张量磁力梯度仪，解决在一个测点得到磁场梯度张量的9个参量、以及磁场梯度张量不变量和磁场梯度张量的模量的测量问题。

本发明的技术方案是：

一种全张量磁力梯度仪，包括多探头装置、开关转换器和磁力仪；多探头装置由8个探头组成，采用立方体8顶点的阵列布置形式，外壳采用环氧复合材料；环氧复合材料的电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击，如环氧工程塑料。探头之间的基线距离为0.5或1.0米，每一个探头均可探测其所在位置的磁感应强度3个分量B_x，B_y，B_z；多探头装置通过开关转换器连接磁力仪；开关转换器能够接收磁力仪的通信信号并根据该信号选择多探头装置的不同探头，并将待测量的磁场在该探头处激发的信号传给磁力仪，磁力仪处理后得到该探头处的磁感应强度。

本发明的效果和益处是：采用多探头装置、开关转换器和磁力仪，组成全张量磁力梯度仪，可在一个测点上直接得到磁场梯度张量的9个参数、梯度张量不变量和梯度张量的模量。本发明的全张量磁力梯度仪操作简单、测试精度高、性能稳定可靠，可在广泛应用于水下目标定位、金属物探、水域探测、城市工程物探、考古等领域。

附图说明

附图1是本发明的结构框图。

附图2是本发明的多探头装置中的探头布置的示意图。

附图3是本发明的全张量磁力梯度仪的通信传输示意图。

图中：1多探头装置；2磁力仪；3开关转换器；4 8×1矩阵电子开关；5电源；6微处理器；7通信接口。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的开关转换器包括电源5、微处理器6、通信接口7和8×1矩阵电子开关4。磁力仪2与开关转换器的通信接口7相连接。多探头装置与开关转换器的8×1矩阵电子开关连接。8个探头与开关转换器的相应通道连接，且此8个信号通道的通断状态受控制电路、即微处理器的控制。磁力仪通过通信接口，控制微处理器。微处理器实时控制8×1矩阵电子开关，当矩阵电子开关接通某一通道时，磁力仪接受到的信号，正是矩阵电子开关处于接通状态的这个通道所连接的探头处由待测磁场所激发的，此时，磁力仪测得的磁感应强度则为该探头所在位置的磁感应强度3个分量B_x，B_y，B_z。

将多探头装置1布置在需要测量磁场梯度张量的位置，磁力仪2通过开关转换器3中的通信接口7控制微处理器6，微处理器6控制8×1矩阵电子开关4依次接通多探头装置1中的8个探头，测得8个探头所在位置的磁感应强度B_xi，B_yi，B_zi，(i＝1，…，8)，8×1矩阵电子开关4依次将多探头装置1中的8个探头的磁感应强度传送到磁力仪2。

由式(1)～式(9)即可得到多探头装置1所在位置的磁场梯度张量的9个分量：

$B_{\mathrm{xx}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_x}{\mathrm{\Δx}}=\frac{(B_{x1}-B_{x2})+(B_{x4}-B_{x3})+(B_{x5}-B_{x6})+(B_{x8}-B_{x7})}{4d}---\left(1\right)$

$B_{\mathrm{xy}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_x}{\mathrm{\Δy}}=\frac{(B_{x1}-B_{x4})+(B_{x2}-B_{x3})+(B_{x5}-B_{x8})+(B_{x6}-B_{x7})}{4d}---\left(2\right)$

$B_{\mathrm{xz}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_x}{\mathrm{\Δz}}=\frac{(B_{x1}-B_{x5})+(B_{x2}-B_{x6})+(B_{x3}-B_{x7})+(B_{x4}-B_{x8})}{4d}---\left(3\right)$

$B_{\mathrm{yx}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_y}{\mathrm{\Δx}}=\frac{(B_{y1}-B_{y2})+(B_{y4}-B_{y3})+(B_{y5}-B_{y6})+(B_{y8}-B_{y7})}{4d}---\left(4\right)$

$B_{\mathrm{yy}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_y}{\mathrm{\Δy}}=\frac{(B_{y1}-B_{y4})+(B_{y2}-B_{y3})+(B_{y5}-B_{y8})+(B_{y6}-B_{y7})}{4d}---\left(5\right)$

$B_{\mathrm{yz}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_y}{\mathrm{\Δz}}=\frac{(B_{y1}-B_{y5})+(B_{y2}-B_{y6})+(B_{y3}-B_{y7})+(B_{y4}-B_{y8})}{4d}---\left(6\right)$

$B_{\mathrm{zx}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_z}{\mathrm{\Δx}}=\frac{(B_{z1}-B_{z2})+(B_{z4}-B_{z3})+(B_{z5}-B_{z6})+(B_{z8}-B_{z7})}{4d}---\left(7\right)$

$B_{\mathrm{zy}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_z}{\mathrm{\Δy}}=\frac{(B_{z1}-B_{z4})+(B_{z2}-B_{z3})+(B_{z5}-B_{z8})+(B_{z6}-B_{z7})}{4d}---\left(8\right)$

$B_{\mathrm{zz}}\≈\frac{{\mathrm{\ΔB}}_z}{\mathrm{\Δz}}=\frac{(B_{z1}-B_{z5})+(B_{z2}-B_{z6})+(B_{z3}-B_{z7})+(B_{z4}-B_{z8})}{4d}---\left(9\right)$

上式中，d为探头之间的基线距离，建议取0.5或1.0米。

张量不变量I₁为：

$I_1=B_{\mathrm{xx}}{B}_{\mathrm{yy}}+B_{\mathrm{xx}}{B}_{\mathrm{zz}}+B_{\mathrm{yy}}{B}_{\mathrm{zz}}-B_{\mathrm{xy}}^2-B_{\mathrm{xz}}^2-B_{\mathrm{yz}}^2---\left(10\right)$

张量不变量I₂为：

I₂＝det G          (11)

式中det表示行列式，G为磁场梯度张量，即9个磁场梯度参数形成的对称矩阵：

$G=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{\mathrm{xx}}& B_{\mathrm{xy}}& B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yx}}& B_{\mathrm{yy}}& B_{\mathrm{yz}}\\ B_{\mathrm{zx}}& B_{\mathrm{zy}}& B_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]---\left(12\right)$

磁场梯度张量的模量：

$C_T=\sqrt{B_{\mathrm{xx}}^2+B_{\mathrm{xy}}^2+B_{\mathrm{xz}}^2+B_{\mathrm{yx}}^2+B_{\mathrm{yy}}^2+B_{\mathrm{yz}}^2+B_{\mathrm{zx}}^2+B_{\mathrm{zy}}^2+B_{\mathrm{zz}}^2}---\left(13\right)$

由式(10)～式(13)，可得到多探头装置1所在位置的磁场梯度张量不变量和磁场梯度张量的模量。

对于任一测点，通过磁力仪2和开关转换器3，测得多探头装置1中8个探头所在位置的磁感应强度，通过主机内部的程序，采用公式(1)～(13)，实时计算即可得到该测点磁场梯度张量G的9个磁场梯度参数、磁场梯度张量不变量I₁和磁场梯度张量的模量I₂。

Claims (2)

1.一种全张量磁力梯度仪，包括多探头装置、开关转换器和磁力仪，其特征在于：多探头装置由8个探头组成，采用立方体8顶点的阵列布置形式；多探头装置通过开关转换器连接磁力仪；开关转换器能够接收磁力仪的通信信号并根据该信号选择多探头装置的不同探头，并将待测量的磁场在该探头处激发的信号传给磁力仪，磁力仪处理后得到该探头处的磁感应强度。

2.根据权利要求1所述的一种全张量磁力梯度仪，其特征在于：开关转换器包括电源、微处理器、通信接口和8×1矩阵电子开关；磁力仪与开关转换器的通信接口相连接，多探头装置与开关转换器的8×1矩阵电子开关连接。

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