CN106772683A - 一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法 - Google Patents

一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，通过将标量磁力仪探头安装在磁倾角线圈内的支架上，将两个高稳定度直流恒流源分别与磁倾角线圈和磁偏角线圈连接后，利用高稳定度直流恒流源依次分别对磁倾角线圈和磁偏角线圈施加大小相等、方向相同或相反的电流，再依次同时对磁倾角线圈和磁偏角线圈加大小相等、方向相同或相反的电流，分别测定各种情况下的合成磁场，从而算出分量正交线圈的正交角度。其中过程无需精密的机械轴向对准操作，消除了由于装配的不一致性带来的误差，可高效、准确地测量出两维或三维线圈的正交角度，方便科研或生产使用。

Description

一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法。
背景技术
矢量磁力仪是一种连续测量、记录地磁场偏角D和倾角I的时间变化量及总强度F的相对记录仪器。其中，矢量磁力仪中的分量正交线圈包括相互正交的磁偏角线圈和磁倾角线圈，利用分量正交线圈为标量磁力仪探头提供保证其正常工作的均匀磁场，根据偏置原理可以测得地磁场偏角D和倾角I的变化量。分量正交线圈产生的偏置磁场需要满足标量磁力仪探头工作区域的磁场均匀性要求，而稳定性则需要满足分量正交线圈和标量磁力仪探头长期工作不发生偏移的要求。研究表明，矢量磁力仪观测数据的不一致性与其分量正交线圈正交性误差有相当大的关系。
常规分量正交线圈的形式为：亥姆霍兹线圈，或者为改进型三线圈、四线圈系统的布朗贝克线圈。这些线圈系统最大的缺点是体积较大，在有限空间内产生一个均匀磁场时，载流圆线圈是组成这类均匀磁场装置的基本单元。其中，圆线圈个数越多，磁场的均匀性越好。
现有分量正交线圈正交度的测量方法主要包括：1、采用磁通门经纬仪测量，但要求分量正交线圈的尺寸足够大，以满足人为操作仪器的需要；2、磁矢量投影法，操作要求标量磁力仪探头放在磁场线圈产生的磁场均匀区内并使一轴线与被测轴磁场方向平行，该操作耗时较长，且对设备和操作人员的要求较高。
发明内容
鉴于上述情况，本发明旨在提供一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，以满足高效、高精度、快速测量两维或三维分量正交线圈正交度的需要。
本发明通过标量磁力仪探头和高稳定度直流恒流源来精确测量分量正交线圈的正交度。首先，确保分量正交线圈产生的均匀磁场满足标量磁力仪探头的正常工作需要，并且分量正交线圈的轴载水平面和磁子午面内与地磁场矢量大致正交。通过高稳定度直流恒流源依次分别对磁倾角线圈和磁偏角线圈施加大小相等、方向相同或相反的电流，再依次同时对磁倾角线圈和磁偏角线圈加大小相等、方向相同或相反的电流，分别测定各种情况下的合成磁场，通过几何三角函数关系便可算出分量正交线圈的正交度Ф。
本发明是通过以下技术来实现的：
一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，具体步骤包括：
步骤1、将待测磁倾角线圈和磁偏角线圈通过无磁性夹具固定，标量磁力仪探头安装在磁倾角线圈内的支架上，两个高稳定度直流恒流源分别与磁倾角线圈和磁偏角线圈连接，信号处理单元通过数据线与标量磁力仪探头相连。
步骤2、调整磁倾角线圈的轴向平行于当地地磁场总强度方向，调整磁偏角线圈的轴向平行于地理的东西方向。
步骤3、在磁静日，通过对应的高稳定度直流恒流源对磁倾角线圈依次施加大小相等、方向相反的电流，通过信号处理单元依次读取标量磁力仪探头测得的合成磁场和，以及未加载电流情况下当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系得到对应的偏置磁场和，因，依据偏置磁场值和施加电流值计算出磁倾角线圈的线圈常数；设定磁倾角线圈施加的偏置磁场值为当地地磁总强度磁场值的1/4，根据计算出高稳定度直流恒流源在当地所需施加的电流值。
步骤4、依据步骤3的方式，通过对应的高稳定度直流恒流源对磁偏角线圈依次施加大小相等、方向相反的电流，得出对应的偏置磁场和，因，最终计算出对应的高稳定度直流恒流源在当地对磁偏角线圈所需施加的电流值。
步骤5、根据步骤3、4中计算得出的电流值，通过两个高稳定度直流恒流源同时对磁倾角线圈和磁偏角线圈施加正向的偏置磁场和，以及同时施加反向的偏置磁场和，分别测定出这两种情况下的合成磁场和，以及未加电流的当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系计算出施加的偏置磁场大小，因，所以，
。
步骤6、根据步骤3、4中计算得出的电流值，在同一时间内，两个高稳定度直流恒流源分别对相应的磁倾角线圈和磁偏角线圈施加正向的偏置磁场和反向的偏置磁场，然后再各自反向施加，得到反向的偏置磁场和正向的偏置磁场，分别测定这两种情况下的合成磁场和，以及未加电流的当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系计算出施加的偏置磁场大小，因，所以，
。
步骤7、依据步骤5得到的偏置磁场大小，根据几何三角函数关系计算出磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度：
；
；
依据步骤6得到的偏置磁场大小，根据几何三角函数关系计算出磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度：
；
。
步骤8、如得到的上述两个值相同，即为待测磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度；否则重复上述步骤2-7。
还可重复上述步骤3-7，对计算得到的多组正交角度取算术平均值；或，调整两个高稳定直流恒流源施加的电流大小，取多组正交角度的算术平均值。
所述步骤1中，两个高稳定度直流恒流源和信号处理单元与待测磁倾角线圈及磁偏角线圈的距离分别保持在5米以上。
本发明所述一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法的有益效果包括：
1、通过高稳定度直流恒流源对分量正交线圈施加偏置磁场，标量磁力仪探头测量合成磁场的大小，此过程无需精密的机械轴向对准操作，消除由于装配的不一致性带来的误差。
2、本方法可较快地测得两维或三维线圈装置的正交度，且达到较高的精度。
3、测量方式简单、操作容易，体积小、成本低，适合在科研或生产领域测量使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明中磁倾角线圈中产生的偏置磁场与当地地磁总强度磁场的合成磁场示意图；
图3为本发明中分量正交线圈中产生的偏置磁场与合成偏置磁场示意图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2和图3对本发明做进一步的描述：
本发明所述的一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，具体步骤包括：
步骤1、将待测磁倾角线圈和磁偏角线圈通过无磁性夹具固定，标量磁力仪探头安装在磁倾角线圈内的支架上，两个高稳定度直流恒流源分别与磁倾角线圈和磁偏角线圈连接，信号处理单元通过数据线与标量磁力仪探头相连。两个高稳定度直流恒流源和信号处理单元与待测磁倾角线圈及磁偏角线圈的距离分别保持在5米以上。
步骤2、调整磁倾角线圈的轴向平行于当地地磁场总强度方向，调整磁偏角线圈的轴向平行于地理的东西方向。
此步骤中调整轴向平行为大致平行，其并不要求绝对的平行，从而简化了调整过程。
步骤3、在磁静日，通过对应的高稳定度直流恒流源对磁倾角线圈依次施加大小相等、方向相反的电流，通过信号处理单元依次读取标量磁力仪探头测得的合成磁场和，以及未加载电流情况下当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系得到对应的偏置磁场和，因带有电流方向的，依据偏置磁场值和施加电流值以及线圈常数S的对应关系：，计算出磁倾角线圈的线圈常数；设定磁倾角线圈施加的偏置磁场值为当地地磁总强度磁场值的1/4，计算出高稳定度直流恒流源所需施加的电流值。
依据实验证明，线圈施加的偏置磁场值大致应为当地地磁总强度磁场值的1/4时，可以获得较低的测量误差，从而在此设定所需的偏置磁场值。
因为此测试过程需要持续几分钟，即需要在地磁背景噪声较好的地磁台站的磁静日进行，以确保测量的准确性。通常情况下，高稳定度直流恒流源对磁倾角线圈施加大小约10mA的电流来进行测量。
其中，如图2所示，磁倾角线圈的偏置磁场、与合成磁场、以及当地地磁总强度磁场的关系为：
由于：,将上式分别相减和相加，得到；
步骤4、依据步骤3的方式，通过对应的高稳定度直流恒流源对磁偏角线圈依次施加大小相等、方向相反的电流，得出对应的偏置磁场和，因，最终计算得出对应高稳定度直流恒流源对磁偏角线圈所应施加的电流值。
由上述步骤3可知，计算得到的磁偏角线圈的偏置磁场的大小为：
步骤5、根据步骤3、4中计算得出的电流值，通过两个高稳定度直流恒流源同时对磁倾角线圈和磁偏角线圈施加正向的偏置磁场和，以及同时施加反向的偏置磁场和，分别测定出这两种情况下的合成磁场和，以及未加电流的当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系计算出施加的偏置磁场大小，因，所以，
步骤6、根据步骤3、4中计算得出的电流值，在同一时间内，两个高稳定度直流恒流源分别对相应的磁倾角线圈和磁偏角线圈施加正向的偏置磁场和反向的偏置磁场，然后再各自反向施加，得到反向的偏置磁场和正向的偏置磁场，分别测定这两种情况下的合成磁场和，以及未加电流的当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系计算出施加的偏置磁场大小，因，所以，
步骤7、如图3所示，依据步骤5得到的偏置磁场大小，根据几何三角函数关系计算出磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度：
；
；
依据步骤6得到的偏置磁场大小，根据几何三角函数关系计算出磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度：
；
步骤8、如得到的上述两个值相同，即为待测磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度；否则重复上述步骤2-7。
当然，如需进一步提高分量正交线圈正交度测量的准确性，还可将上述步骤3-7进行多次重复，以多组测试取平均值的方式来进行校正；或者，通过调整两个高稳定直流恒流源施加的电流大小来改变偏置磁场的大小，从而实现多组测试取平均值的目的。

Claims (3)

1.一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1、将待测磁倾角线圈和磁偏角线圈通过无磁性夹具固定，标量磁力仪探头安装在磁倾角线圈内的支架上，两个高稳定度直流恒流源分别与磁倾角线圈和磁偏角线圈连接，信号处理单元通过数据线与标量磁力仪探头相连；
步骤2、调整磁倾角线圈的轴向平行于当地地磁场总强度方向，调整磁偏角线圈的轴向平行于地理的东西方向；
步骤3、在磁静日，通过对应的高稳定度直流恒流源对磁倾角线圈依次施加大小相等、方向相反的电流，通过信号处理单元依次读取标量磁力仪探头测得的合成磁场和，以及未加载电流情况下当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系得到对应的偏置磁场和，因，依据偏置磁场值和施加电流值计算出磁倾角线圈的线圈常数；设定磁倾角线圈施加的偏置磁场值为当地地磁总强度磁场值的1/4，根据计算出高稳定度直流恒流源在当地所需施加的电流值；
步骤4、依据步骤3的方式，通过对应的高稳定度直流恒流源对磁偏角线圈依次施加大小相等、方向相反的电流，得出对应的偏置磁场和，因，最终计算出对应的高稳定度直流恒流源在当地对磁偏角线圈所需施加的电流值；
步骤5、根据步骤3、4中计算得出的电流值，通过两个高稳定度直流恒流源同时对磁倾角线圈和磁偏角线圈施加正向的偏置磁场和，以及同时施加反向的偏置磁场和，分别测定出这两种情况下的合成磁场和，以及未加电流的当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系计算出施加的偏置磁场大小，因，所以，
；
步骤6、根据步骤3、4中计算得出的电流值，在同一时间内，两个高稳定度直流恒流源分别对相应的磁倾角线圈和磁偏角线圈施加正向的偏置磁场和反向的偏置磁场，然后再各自反向施加，得到反向的偏置磁场和正向的偏置磁场，分别测定这两种情况下的合成磁场和，以及未加电流的当地地磁总强度磁场，依据几何三角函数关系计算出施加的偏置磁场大小，因，所以，
；
步骤7、依据步骤5得到的偏置磁场大小，根据几何三角函数关系计算出磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度：
；
；
依据步骤6得到的偏置磁场大小，根据几何三角函数关系计算出磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度：
；
；
步骤8、如得到的上述两个值相同，即为待测磁倾角线圈和磁偏角线圈的正交角度；否则重复上述步骤2-7。
2.根据权利要求1所述的一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，其特征在于，重复上述步骤3-7，对计算得到的多组正交角度取算术平均值；或，调整两个高稳定直流恒流源施加的电流大小，取多组正交角度的算术平均值。
3.根据权利要求1或2所述的一种简易测量矢量磁力仪中分量正交线圈正交度的方法，其特征在于，所述步骤1中，两个高稳定度直流恒流源和信号处理单元与待测磁倾角线圈及磁偏角线圈的距离分别保持在5米以上。
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