基于磁通门技术的海洋地理三分量磁力仪

发布时间：2020-04-29 01:54

【摘要】：地磁场是矢量场,具有磁场强度和方向两个特性,磁力仪是能够同时测量磁场强度和方向的仪器设备的统称。在海洋地质勘查与地球物理研究中,地磁场三分量的测量相比总场测量其数据能够反演出更多的磁源体特征,获取更详细的地质构造信息。传统的三分量磁力仪输出的数据建立在仪器坐标系下。因此,后期数据的处理阶段,需要结合载体姿态数据将磁力数据转换到地理坐标系下。如果磁力数据与姿态数据采集不同步,将导致转换结果出现偏差。本文针对上述问题,基于磁通门技术研制了能够直接输出地理坐标系下地磁三分量数据的磁力仪。同时,在磁力仪本体误差校正的关键技术上展开了深入的研究,并且实现了本体误差的校正。为实现磁力仪系统设计,首先明确了课题的研究背景与意义,调研了国内外地磁三分量测量的相关研究及设备的发展现状。接着对磁通门技术原理机制展开研究,分析了磁通门探头的结构与特性,比较了单分量探头与三分量探头之间的差异,重点突出了三分量探头的优势。讨论了磁异常现象及磁异常探测机制的原理。其次,实现了磁力仪的数据采集板的硬件设计、嵌入式软件设计、上位机软件设计,应用矩阵变换将仪器坐标系下的地磁三分量数据换算到地理坐标系下。然后,概括了磁力仪本体误差的定义,分析了本体误差的组成,建立了本体误差模型,研究并实现了基于粒子群优化算法的本体误差校正。在磁力仪系统的测试部分,对磁力仪系统先后经历的实验室基础测试、杭州地磁台静态对比测试、千岛湖综合测试、南海综合测试等一系列测试过程进行了详细的介绍。利用误差校正算法对测试数据进行校正处理,并绘制地磁场平面分布图。测试结果验证了磁力仪性能的可靠性。最后,针对磁力仪系统中存在的问题,提出了进一步完善与优化的意见,展望了未来磁测技术和相关仪器的研究方向及趋势。
【图文】：

磁化曲线,铁芯,磁通,激磁线圈

从于法拉第电磁感应定律的一种电磁感应现象。磁通门探头可以理解为一种将变压器效应作逡逑为对被测磁场调试手段的变压器式的器件［１５］。逡逑下面以单铁芯磁通门探头为例描述磁通门技术的基本原理。如图２．１所示，在一个软磁逡逑材料制造的铁芯上绕有一个激磁线圈和一个感应线圈［５５］。铁芯的横截面积表示为铁芯的逡逑导磁率表示为／／，载流的激磁线圈作用铁芯上产生的激磁磁场强度表示为／／＿［ｌ６］ｔ５５），感应线逡逑圈的有效匝数表示为ｉＶ。逡逑激磁线圈逦软磁铁芯逦感应线圈逡逑＼逦＼逡逑逦ｒ＼邋ｒ＼逦逦１逦逦逡逑＂＂１￣￣逦ｖ－／邋ｖ－＾逡逑逦0邋ｕ邋0—■■逦0邋ｅ邋0逦逡逑图２．ｉ单铁芯磁通ｎ探头意图逡逑根据法拉第电磁感应定律，在未指出ｓ、／／、／／＿、ｗ中的任意一个参数为不变量、即非逡逑时间／的函数时，感应线W上产生的感应电动势为［５５］：逡逑ｅ邋＝邋－ｌ0－８邋—（／／Ａ７／５）逦（２．１）逡逑ｄｔ逡逑如果保持Ｓ和ＴＶ不变，铁芯未处于饱和状态，铁芯的磁导率ｐ将近似于常数，那么感应逡逑线圈上产生的感应电动势＾将由激磁线圈在铁芯上产生的激磁磁场强度决定。激磁磁场强逡逑度表７Ｋ为：逡逑／／．邋＝邋Ｈｍ邋ｃｏｓ邋２７ｔｆ｛ｔ逦（２．２）逡逑等式中／／，？一激磁磁场强度幅值，＿／；一激磁电源频率。逡逑则等式（２．１）转化为：逡逑ｅ邋＝邋２＾ｒ邋ｘ邋１０＂８邋ｆ＾ＮＳＨｍ邋ｓｉｎ邋２ｎｆｘｔ逦（２．３）逡逑上式即为理想情况下的变压器效应的数学模型。逡逑铁芯的磁化曲线是非线性的

示意图,铁芯,磁通门,铁芯饱和

不过应用此方法，探头呈现出的静态特性与动态特性都不理想。逡逑２．２．１双铁芯磁通门探头的结构及特性逡逑解决上述问题的办法是引入图２．２所示的并行双铁芯探头结构设计，该结构下感应线圈逡逑同向串联在探头上，激磁线圈反向串联在探头上。这种差分输出式探头结构设计能够抵消变逡逑压器效应所产生的感应电动势［１９］。在理想状态下，双铁芯结构参数完全一致，，忽略激磁电路逡逑因铁芯饱和率、磁导率改变引起的变化。空间内平行对称安装。两个铁芯上激励磁场在空间逡逑内的任一时刻都是反向的，在公共感应线圈上产生的感应电动势将相互抵消，在铁芯轴向上逡逑环境磁场的分量是同向的，感应线圈上的磁通门信号得以保留。逡逑激磁线圈软磁铁芯感应线圈逡逑Ｉ逦—邋Ｔ邋ＴＴ二Ｉ逡逑ｕ逦ｅ逡逑ｆ邋ｉ邋ｌｌｌｌｌｌｌ邋［［［［［［［—］逦｜逡逑图２．２双铁芯磁通门探头示意图逡逑铁芯必须工作在过饱和状态，如果交变激磁磁场未能使铁芯饱和，铁芯的磁化程度低，逡逑导致磁通门信号非常微弱。为提高磁通门信号强度，通常铁芯选用高磁导率材料制造，材料逡逑的退磁系数及固有磁导率决定了其磁导率的大小，坡莫合金（又称铁镍合金）具有极高的磁逡逑导率
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.23;P716.82

【参考文献】