磁通门磁力仪
它又名磁饱和磁力仪,约在1933年发明。最初用于军事目的的探测,如探潜、探雷。在地球物理勘探工作中,首先用于航空磁测,属第二代航磁仪器。随后,我国研制生产一定批量的CCM-1型、CCM-2及CCM-4型磁通门磁力仪,用于地面磁测。它利用高磁导率的坡莫合金,其磁通量密度(磁感应强度)B与外磁场H之间呈非线性关系;通过产生的电磁感应信号,来测量△T或△Z。
偶次谐波测量原理。坡莫合金是一种高磁导率、矫顽力小的软磁性材料。它在外磁场作用下,极易达到磁化饱和,如图2-1-7所示。由图可见;外磁场H的很小变化,即引起磁感应强度B的很大变化;可以说它对磁场的变化起到了“放大”作用,亦即坡莫合金对外磁场变化很灵敏。
仪器探头装置,磁芯为闭合磁路,在其两边绕以叫数相同、绕向相反的激励绕组,其外绕以信号绕组。对激励绕组给以交变电压,则有交变磁场作用于磁芯,其磁感应强度B达到高度饱和。
当沿探头轴线方向,没有恒定外磁场作用时,则两边磁芯产生的B1与B2,其波形完全对称、相位相差180°,如图2-1-9所示。这时信号绕组接收到整个磁芯的交变磁感应强度B=B1+B2=0,信号绕组没有感应电压输出。
当沿探头轴线,有恒定外磁场(比如地磁场T或Z)作用,则磁芯受两个磁场的磁化,其两边磁芯中的磁感应B在正、负半周内饱和程度不一,产生不对称的梯形波B,与B2.如图2-1-10所示,两者相位仍差180°。这时信号绕组接收的总磁通量B=B1+B2¥0,将有感应电压脉冲输出,其幅度与外磁场的大小成正比,相位与其极性相对应。
根据傅里叶级数分析,或是频谱分析仪器的实际观测得知,一个非正弦周期的脉冲信号,可分解成一系列谐波分量时,其中频率为基波偶倍数的,叫做偶次谐波;频率为奇数倍的,就叫奇次谐波。
由坡莫合金的B-H曲线,在IHI≤H,范围内,二者的关系可由下式描还:
(2-1-9)
B = иo H(a - bH²)
式中:a、6是常数,它取决于金属物质达到磁饱和的性质。
当给激励线圈施以磁场H=Z+Hmsinat,作用于磁芯装置,则接收线圈中产生感应电压的量值,由下式给定:
(2-1-10)
e=A
式中A是与接收线圈有关的常数。
由(2-1-9)式及(2-1-10)式,可得e由cosat、sin2at、cos3at表达的关系式,
说明输出电压中包含了一次谐波(基波)、二次谐波及三次谐波。且二次谐波项的系数中包含了Z,故只有外磁场Z¥0时,才有二次谐波出现,其振幅正比于外磁场Z的大小。
采用对称的磁芯装置,及线路设计,滤除一次谐波及三次谐波,在输出电压中保留二次谐波,通过测量其振幅来测定地磁场。
我国曾生产和使用CCK-1型航空磁通门磁力仪,及CCM-2型地面磁通门磁力仪。
前者测量AT,后者测量AZ。它们均是利用偶次谐波的工作原理,在20世纪50~60年代航磁工作中起到一定作用;后因仪器的灵敏度不太高,被核旋、光泵航空磁力仪所代替。地面磁通门磁力仪由于可测量AZ及梯度,使用方便等特点,较多地用于铁矿勘查与地下或水中铁质埋藏物的探测。我国近期开发研制的CCM-4型磁通门磁力仪分辨率达1nT,量程±19999nT,工作环境温度-10~+50℃,数据液晶显示,仪器轻便性能稳定。同时开发研制的CCT-2型智能化磁通门磁力梯度仪,分辨率0.InT/字,温度系数≤0.5nT/C°;稳定性在常温下4h平均漂移小于1nT/h;用1926点阵液晶模块显示,可实时显示实测曲线,并与计算机联机后实现数据自动化处理。
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