專利名稱：全自動測量地磁場分量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬測量地磁場分量的方法和裝置。
測量地磁場的垂直分量和水平分量是監(jiān)測地震的重要手段之一。
地磁場T是一個矢量，它可分解為對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，如圖1所示，傾角α隨緯度的減小而減小，其模值為Z＝TSinα (1)H＝TCOSα (2)T＝Z2+H2(3)低緯度地區(qū)α小，Z值小，高緯度地區(qū)α大，H值小。
所以在低緯度地區(qū)以測H值為主，高緯度地區(qū)以測Z為主。
長期以來，國內(nèi)外測量地磁場分量Z及H的方法是使用全補償法。即將磁力儀探頭5置于產(chǎn)生補償場的霍姆赫茨(Helmholt2)補償線圈4中心。當(dāng)補償線圈4中通以直流電，補償線圈4中產(chǎn)生一平行于探頭的磁場，當(dāng)補償線圈4直立安裝垂直于水平面時，則補償線圈4產(chǎn)生的補償磁場平行于地磁場水平分量H。當(dāng)補償線圈4水平安裝平行于水平面，則補償磁場平行于地磁場垂直分量Z。當(dāng)補償線圈4產(chǎn)生的補償磁場與地磁場的水平分量H平行，且與H相等相反，則磁力儀3測得的值即為地磁場的垂直分量Z。如補償線圈4平放(探頭5垂直于水平面)，則磁力儀3測得的是地磁場水平分量H。
這種將某一分量抵消后測量另一分量的方法稱之為全補償法。
由于補償線圈4的制造和安裝問題，要使補償線圈4達到絕對垂直和水平是辦不到的，如線圈有0.1°的不垂直度，以北京地區(qū)為例，垂直分量Z的測量誤差可達50nT。
當(dāng)線圈直徑加大，制造精密，安裝平臺質(zhì)量高，其誤差可以相對減小，如不垂直度為0.1′其測量誤差亦將近1nT，但制造成本將大幅度增加，不是一般臺站所能承受的。
目前，我國地震臺站使用的霍姆赫茨補償線圈4的直徑有三種～40Cm、60Cm及100Cm。直徑為100Cm的只有極少數(shù)骨干臺站使用，其它絕大多數(shù)臺站均采用40Cm的一種，因此，目前的測量方法是在一個方向測量數(shù)次，然后將線圈轉(zhuǎn)動180°，再測量數(shù)次，取其平均值作為測量值。這種測量方法其誤差是較大的。
而且加在補償線圈4上的電源是靠電池供電，電流表監(jiān)視，電位器調(diào)整的辦法，但由于地磁場值是隨時變化的，用全補償法所加的電流不是一個定值，而是在測量時，以能測得最小值為準，(因補償完全則α→90°，H→0，T≈Z，得最小值)。用此辦法，要在104nT量級的地磁場下調(diào)整萬分之一量級，亦是很困難的。
另外一般臺站的觀測點均設(shè)在離住地有一定距離，環(huán)境磁場比較平靜，干擾小的地方。這樣的測量，對工作人員是很不方便的。
以上所有測量都是手工操作和計算，因此出現(xiàn)誤差和錯誤亦是在所難免的。
日本專利昭57-179779所述的在海底自動測量地磁場系統(tǒng)是測量地磁場總場T而不能測量分量，其計算機和計數(shù)系統(tǒng)是與磁力儀系統(tǒng)分開，是一種比較龐大且價格昂貴的系統(tǒng)，且要求交流的保證，其目的在于解決遠距離測量問題。
由于質(zhì)子旋進磁力儀能夠精確測量地磁場的絕對值。因此，國內(nèi)外的地震監(jiān)測站大多采用質(zhì)子旋進磁力儀，如有美國的G-805型，加拿大的MP-2型，我國使用的多為北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的CHDS-72型，其測量靈敏度約為1nT或更低。
本發(fā)明的目的在于1、提供一種新的補償方法即部份補償法，籍帶微處理器的磁力儀使測量全過程達到完全自動化。
2 提供一種全自動測量分量的裝置，即采用微處理器控制的磁力儀，按測量分量的特殊要求設(shè)置硬、軟件，磁力儀的靈敏度采用目前國際上地面使用的質(zhì)子旋進磁力儀最高的水平-顯示靈敏度達0.1nT。
本發(fā)明采用部份補償法，配合帶有微處理器7的質(zhì)子旋進磁力儀3，實現(xiàn)全自動測量地磁場T及垂直水平分量(Z與H)，本方法是與已有技術(shù)一樣，將磁力儀3的探頭5置于霍姆赫茨補償線圈4中心如圖2，在補償線圈4中通以直流電流，使補償線圈4產(chǎn)生一補償場。
本發(fā)明的特點是本發(fā)明的補償場是部份補償被補償?shù)牡卮艌鲋交虼怪狈至?，其值是被補償分量的40-90%。如被補償場是地磁場T的水平分量H，則由磁力儀3內(nèi)專用的穩(wěn)定電源6提供的，受磁力儀3內(nèi)微處理器7控制的按測量步驟順序向補償線圈4輸出方向相反、大小相等的直流電流在補償線圈4上產(chǎn)生±ΔH(見圖3)，由機內(nèi)微處理器7控制連續(xù)自動測量補償前后的磁場值，并自動計算出垂直和水平分量(Z和H)。其測量步驟是(1)不加補償場測得地磁總場T;
(2)在補償線圈4上產(chǎn)生一與被補償場H方向相反的磁場ΔH測得當(dāng)時的磁場值T1;
(3)補償場大小保持不變，只改變其方向，即加一與被補償場H方向相同的磁場ΔH測得當(dāng)時的磁場值T2;
(4)根據(jù)T、T1、T2，機內(nèi)微處理器7按下列公式自動計算出Z及H。
T2＝Z2+H2(4)T21＝Z2+(H-ΔH)2(5)T22＝Z2+(H+ΔH)2(6)由(4)至(6)式得出
H=T22-T123(T22+T12-2T2)..........(7)]]>Z=T2-(T22-T12)2(T22+T12-2T2).........(8)]]>測量并計算完畢，其測量值和計算值順序于顯示器上顯示并存入微處理器內(nèi)存，亦可同時通過輸出接口自動打印，或事后輸入外部計算機處理。從啟動磁力儀3開始經(jīng)測量至記錄完畢的全過程是在20秒鐘內(nèi)完成的。
以上的測量和計算，可以根據(jù)需要由磁力儀3內(nèi)部微處理器7設(shè)定程序，予定每天測量次數(shù)和測量時間，自動定時啟動磁力儀進行補償、測量、計算和輸出，測量完畢自動停機。測量間隔可從20秒以秒步進直至一個月一次。
由于補償線圈4的制造和安裝都不可能做到理想的垂直或水平而產(chǎn)生測量誤差，本發(fā)明的方法是在按裝本測試系統(tǒng)時，將補償線圈4作正反180°的旋轉(zhuǎn)測得修正參數(shù)，該修正參數(shù)是一個常值，測得該修正參數(shù)后將其存入機內(nèi)微處理器7，將在正式測量時在計算中對測量值加以修正，因此，在正式測量時不需要再轉(zhuǎn)動補償線圈4。
從上所述，本發(fā)明的方法達到了完全自動化的程度，測量者可以自由設(shè)定每天測量次數(shù)、時間，并隔一定天數(shù)收取打印記錄，亦可通過傳輸，將信號傳送到測量者的辦公室進行記錄或處理。
為完成本發(fā)明的測量方法提供一套完整的全自動測量地磁場垂直和水平分量的裝置。該裝置包括補償線圈4，專用磁力儀3及電源(1及2)，補償線圈4可以利用地震觀測臺已經(jīng)使用的而不需另外配備，專用磁力儀3是一臺裝有微處理器7的靈敏度達0.1nT的質(zhì)子旋進磁力儀，內(nèi)部還裝有專為補償線圈提供高穩(wěn)定度的，由磁力儀微處理器按設(shè)定程序控制其方向相反大小相等的電流之穩(wěn)定電源6，該電源能提供不少于150mA電流，其短期穩(wěn)定度(30秒內(nèi))不低于10-5。
考慮到不同臺站使用，有停電的可能，故本裝置的磁力儀3可以交直流兩用供電。即將磁力儀3和電池組2，并連接于充電機1上，充電機1向電池組2充電并同時向磁力儀3供電，在交流電停電時，電池組2自動向磁力儀3供電，這就保證本裝置可以連續(xù)不間斷使用。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比較，有如下優(yōu)點(1)分量的測量與計算記錄完全自動化;
(2)測量靈敏度高;
(3)操作沒有人為影響，提高測量可信度;
(4)不受停電影響。


圖1為地磁場的矢量圖，T為總場，Z為垂直分量，H為水平分量，α為傾角。
圖2為本發(fā)明的裝置框圖。
1.充電機 5.磁力儀探頭2.電池組 6.供補償線圈產(chǎn)生補償場電流的3.磁力儀 穩(wěn)定電源4.霍姆赫茨補償線圈 7.磁力儀內(nèi)部微處理器圖3為部分補償法的矢量圖。
T為未補償時測得的地磁總場。
T1為加反向補償場后測得的磁場值T2為加正向補償場后測得的磁場值ΔH為水平補償場(±ΔH方向相反大小相等)H為地磁場水平分量Z為地磁場垂直分量本發(fā)明實施例的技術(shù)指標(1)地磁總場測量靈敏度優(yōu)于0.1nT(2)垂直和水平分量準確度優(yōu)于1nT(3)測程32000-70000nT(上端可擴至90000nT，下端可擴至20000nT)(4)測量時間間隔20秒-30天(以1秒步進)(5)多參數(shù)顯示并輸出總場T、垂直分量Z水平分量H及時、分、秒(6)輸出接口數(shù)據(jù)輸出供PC-1500微機或打印輸出，亦可為指定計算機配接口(7)工作溫度-20°-+50℃(8)工作濕度＞80%RH(9)功耗DC15V-18V 1-1.5A(10)體積儀器主體225×210×90mm探頭φ75×140mm(11)重量儀器主體1.5Kg探頭1.5Kg
權(quán)利要求
1.一種全自動測量地磁場垂直和水平分量的方法，是將磁力儀探頭置于霍姆赫茨補償線圈中心，線圈中通以直流電流，使線圈產(chǎn)生一補償場以抵銷一項分量測量另一分量，其特征在于(1)采用部份補償法，即使補償線圈4產(chǎn)生的補償場值小于被補償場絕對值，其方向則與被補償場相同或相反各一次；(2)以磁力儀3機內(nèi)微處理器7設(shè)定的控制程序從磁力儀內(nèi)部電源6自動向補償線圈4提供穩(wěn)定電流產(chǎn)生補償磁場；(3)由磁力儀3內(nèi)部微處理器7設(shè)定的控制程序連續(xù)自動測量補償前后的磁場值，并自動計算地磁場的垂直分量Z和水平分量H；(4)根據(jù)使用者的需要，由磁力儀3內(nèi)部微處理器7設(shè)定程序定時啟動磁力儀3和進行補償前后的磁場測量、計算和輸出，測量完畢磁力儀3自動停機；(5)在按裝測試系統(tǒng)時，將線圈作正反向180°旋轉(zhuǎn)測得固定的修正參數(shù)存入機內(nèi)微處理器7，供計算時修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動測量地磁場垂直和水平分量的方法，其特征在于部份補償法是按以下步驟自動進行的(1)不加補償場測得地磁總場T;(2)加一與被補償場反向的補償場測得磁場T1;(3)加一與被補償場同向的補償場測得磁場T2;(4)根據(jù)T、T1和T2，磁力儀3機內(nèi)微處理器7自動計算出地磁場的垂直分量Z和水平分量H。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動測量地磁場垂直和水平分量的方法，其特征在于向補償線圈4提供的電流使補償線圈產(chǎn)生的補償磁場值是被補償?shù)卮艌龇至康?0-90%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動測量地磁場垂直和水平分量的方法，其特征在于從啟動磁力儀3開始測量至記錄完畢的全過程是在20秒內(nèi)完成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動測量地磁場垂直和水平分量的方法，其特征在于測量間隔可從20秒以秒步進直至一個月一次。
6.一種全自動測量地磁場垂直和水平分量的裝置，由磁力儀主體3、補償線圈4和電源及磁力儀探頭5所組成，其特征在于(1)磁力儀主體3是內(nèi)裝有微處理器7，其顯示靈敏度達0.1nT的質(zhì)子旋進磁力儀;(2)磁力儀主體3內(nèi)部是裝有能按微處理器7程序設(shè)定控制向線圈提供方向相反、大小相等的電流以產(chǎn)生補償磁場之專用穩(wěn)定電源6;(3)磁力儀3可以交、直流兩用供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全自動測量地磁場垂直和水平分量的裝置，其特征在于將磁力儀3和電池組2并聯(lián)接于充電機1上，充電機1一面向電池組2充電，同時向磁力儀3供電，當(dāng)交流電停電時，由電池組2向磁力儀3供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全自動測量地磁場垂直和水平分量的裝置，其特征在于裝于磁力儀3內(nèi)部的，向補償線圈4提供補償電流的專用穩(wěn)定電源6，能提供不少于150mA電流，其短期穩(wěn)定度(30秒內(nèi))不低于10-5。
全文摘要
本發(fā)明全自動測量地磁場分量的方法和裝置，主要用于地震臺測量地磁場的垂直和水平分量。本發(fā)明與傳統(tǒng)的全補償法不同，采用部分補償法，即在補償線圈上產(chǎn)生與被補償場方向相同和相反而其絕對值小于被補償場的磁場，測量二次補償前后的磁場值即可計算出垂直和水平分量，補償線圈的不垂直度可以預(yù)先加以修正。利用專用磁力儀內(nèi)部微處理器和專供補償電流的穩(wěn)定電源進行自動測量、計算和記錄。
文檔編號G01V3/40GK1057113SQ9010384
公開日1991年12月18日 申請日期1990年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月2日
發(fā)明者田福生 申請人:地質(zhì)礦產(chǎn)部航空物探遙感中心