【摘要】：地磁場是矢量場,具有磁場強(qiáng)度和方向兩個特性,磁力儀是能夠同時測量磁場強(qiáng)度和方向的儀器設(shè)備的統(tǒng)稱。在海洋地質(zhì)勘查與地球物理研究中,地磁場三分量的測量相比總場測量其數(shù)據(jù)能夠反演出更多的磁源體特征,獲取更詳細(xì)的地質(zhì)構(gòu)造信息。傳統(tǒng)的三分量磁力儀輸出的數(shù)據(jù)建立在儀器坐標(biāo)系下。因此,后期數(shù)據(jù)的處理階段,需要結(jié)合載體姿態(tài)數(shù)據(jù)將磁力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下。如果磁力數(shù)據(jù)與姿態(tài)數(shù)據(jù)采集不同步,將導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)偏差。本文針對上述問題,基于磁通門技術(shù)研制了能夠直接輸出地理坐標(biāo)系下地磁三分量數(shù)據(jù)的磁力儀。同時,在磁力儀本體誤差校正的關(guān)鍵技術(shù)上展開了深入的研究,并且實現(xiàn)了本體誤差的校正。為實現(xiàn)磁力儀系統(tǒng)設(shè)計,首先明確了課題的研究背景與意義,調(diào)研了國內(nèi)外地磁三分量測量的相關(guān)研究及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀。接著對磁通門技術(shù)原理機(jī)制展開研究,分析了磁通門探頭的結(jié)構(gòu)與特性,比較了單分量探頭與三分量探頭之間的差異,重點突出了三分量探頭的優(yōu)勢。討論了磁異常現(xiàn)象及磁異常探測機(jī)制的原理。其次,實現(xiàn)了磁力儀的數(shù)據(jù)采集板的硬件設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計、上位機(jī)軟件設(shè)計,應(yīng)用矩陣變換將儀器坐標(biāo)系下的地磁三分量數(shù)據(jù)換算到地理坐標(biāo)系下。然后,概括了磁力儀本體誤差的定義,分析了本體誤差的組成,建立了本體誤差模型,研究并實現(xiàn)了基于粒子群優(yōu)化算法的本體誤差校正。在磁力儀系統(tǒng)的測試部分,對磁力儀系統(tǒng)先后經(jīng)歷的實驗室基礎(chǔ)測試、杭州地磁臺靜態(tài)對比測試、千島湖綜合測試、南海綜合測試等一系列測試過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。利用誤差校正算法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理,并繪制地磁場平面分布圖。測試結(jié)果驗證了磁力儀性能的可靠性。最后,針對磁力儀系統(tǒng)中存在的問題,提出了進(jìn)一步完善與優(yōu)化的意見,展望了未來磁測技術(shù)和相關(guān)儀器的研究方向及趨勢。
【圖文】：

從于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象。磁通門探頭可以理解為一種將變壓器效應(yīng)作逡逑為對被測磁場調(diào)試手段的變壓器式的器件［１５］。逡逑下面以單鐵芯磁通門探頭為例描述磁通門技術(shù)的基本原理。如圖２．１所示，在一個軟磁逡逑材料制造的鐵芯上繞有一個激磁線圈和一個感應(yīng)線圈［５５］。鐵芯的橫截面積表示為鐵芯的逡逑導(dǎo)磁率表示為／／，載流的激磁線圈作用鐵芯上產(chǎn)生的激磁磁場強(qiáng)度表示為／／＿［ｌ６］ｔ５５），感應(yīng)線逡逑圈的有效匝數(shù)表示為ｉＶ。逡逑激磁線圈邐軟磁鐵芯邐感應(yīng)線圈逡逑＼邐＼逡逑邐ｒ＼邋ｒ＼邐邐１邐邐逡逑＂＂１￣￣邐ｖ－／邋ｖ－＾逡逑邐0邋ｕ邋0—■■邐0邋ｅ邋0邐逡逑圖２．ｉ單鐵芯磁通ｎ探頭意圖逡逑根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在未指出ｓ、／／、／／＿、ｗ中的任意一個參數(shù)為不變量、即非逡逑時間／的函數(shù)時，感應(yīng)線W上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為［５５］：逡逑ｅ邋＝邋－ｌ0－８邋—（／／Ａ７／５）邐（２．１）逡逑ｄｔ逡逑如果保持Ｓ和ＴＶ不變，鐵芯未處于飽和狀態(tài)，鐵芯的磁導(dǎo)率ｐ將近似于常數(shù)，那么感應(yīng)逡逑線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢＾將由激磁線圈在鐵芯上產(chǎn)生的激磁磁場強(qiáng)度決定。激磁磁場強(qiáng)逡逑度表７Ｋ為：逡逑／／．邋＝邋Ｈｍ邋ｃｏｓ邋２７ｔｆ｛ｔ邐（２．２）逡逑等式中／／，？一激磁磁場強(qiáng)度幅值，＿／；一激磁電源頻率。逡逑則等式（２．１）轉(zhuǎn)化為：逡逑ｅ邋＝邋２＾ｒ邋ｘ邋１０＂８邋ｆ＾ＮＳＨｍ邋ｓｉｎ邋２ｎｆｘｔ邐（２．３）逡逑上式即為理想情況下的變壓器效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。逡逑鐵芯的磁化曲線是非線性的

不過應(yīng)用此方法，探頭呈現(xiàn)出的靜態(tài)特性與動態(tài)特性都不理想。逡逑２．２．１雙鐵芯磁通門探頭的結(jié)構(gòu)及特性逡逑解決上述問題的辦法是引入圖２．２所示的并行雙鐵芯探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，該結(jié)構(gòu)下感應(yīng)線圈逡逑同向串聯(lián)在探頭上，激磁線圈反向串聯(lián)在探頭上。這種差分輸出式探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠抵消變逡逑壓器效應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢［１９］。在理想狀態(tài)下，雙鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致，，忽略激磁電路逡逑因鐵芯飽和率、磁導(dǎo)率改變引起的變化�？臻g內(nèi)平行對稱安裝。兩個鐵芯上激勵磁場在空間逡逑內(nèi)的任一時刻都是反向的，在公共感應(yīng)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢將相互抵消，在鐵芯軸向上逡逑環(huán)境磁場的分量是同向的，感應(yīng)線圈上的磁通門信號得以保留。逡逑激磁線圈軟磁鐵芯感應(yīng)線圈逡逑Ｉ邐—邋Ｔ邋ＴＴ二Ｉ逡逑ｕ邐ｅ逡逑ｆ邋ｉ邋ｌｌｌｌｌｌｌ邋［［［［［［［—］邐｜逡逑圖２．２雙鐵芯磁通門探頭示意圖逡逑鐵芯必須工作在過飽和狀態(tài)，如果交變激磁磁場未能使鐵芯飽和，鐵芯的磁化程度低，逡逑導(dǎo)致磁通門信號非常微弱。為提高磁通門信號強(qiáng)度，通常鐵芯選用高磁導(dǎo)率材料制造，材料逡逑的退磁系數(shù)及固有磁導(dǎo)率決定了其磁導(dǎo)率的大小，坡莫合金（又稱鐵鎳合金）具有極高的磁逡逑導(dǎo)率
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P631.23;P716.82

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2644104