地磁场相对变化观测技术研究

论文摘要

地磁场是全球性的地球物理基本场,地磁观测的任务就是以足够的精度、长期连续地监测地磁场的变化,依此研究相关电流体系或介质电磁性质的变化,服务于地球及空间科学研究、地震预测预报和社会应用等。地磁场具有幅度范围大、时间尺度宽等特点,通常采用地磁场要素绝对值的长期测定来获取地磁场缓慢变化,采用地磁场要素变化部分的连续测量来获取地磁场快速而又微小的变化,传统上将这两种观测方式分别称作地磁绝对观测和地磁相对记录。目前典型的地磁相对变化观测仪器在长期稳定性、响应速度、安装便捷度等方面存在不足。另一方面,地磁定位与导航、磁法勘探、磁异常目标探测等诸多领域的发展也对磁场观测仪器提出更多的要求,同时新原理、新材料、新技术的出现将拓展传统的地磁观测向多模式方向发展。本文在分析目前地面地磁观测现状的基础上总结了我国地磁观测台网相对变化观测的不足之处,并着眼于科学研究、地震监测预报及社会应用未来发展需求,提出地磁相对记录发展趋势及观测仪器发展方向,从而为实现观测技术先进、数据质量高的地磁观测系统提供技术支撑。1.开展高稳定性磁通门传感器研制。首先研究了磁通门传感器的基本工作原理、优化结构,并以此为基础设计信号调理电路,从而获得最佳匹配;其次在保证满足地磁场观测所需仪器性能的前提下缩小磁传感器的体积,并采用悬挂磁传感器的方式,消除因观测墩漂移而引入的观测误差,以及观测仪器在安装过程中因水平调节而引入的安装误差。悬挂机构采用具有与特殊钢相当高硬度和耐磨性的铍铜制作成无磁万向节,实现以Z轴倾斜±6度内自动调平;最后开展样机性能测试和台站对比观测实验。研制的样机性能通过零磁装置进行实验室测试,结果表明:线性度优于1‰、噪声优于0.04nT(RMS);并在河北省涉县地磁台开展对比观测试运行3个月,其磁偏角(D)基线值月剩余标准偏差(σD)最大值为0.08′,水平强度(H)和垂直强度(Z)基线值月剩余标准偏差(σH、σZ)最大值分别为0.93nT、0.69nT,均小于国家地磁台网观测指标要求,所以从观测数据和基线值表明样机运行稳定可靠。为实现地磁矢量场长期稳定可靠的监测目标提供高分辨力、低噪声和长期稳定特点的相对记录仪器。2.开展基于OVERHAUSER效应磁探头的矢量磁传感器研制。首先详细阐述矢量磁场测量的工作原理,分析磁偏角、磁倾角与总强度的几何关系,确定一组正交偏置线圈的磁轴方向和一个测量周期所得测量数据的数学关系;然后分析球形线圈的均匀区和偏置磁场的幅度对研制磁传感器的噪声影响。为验证理论分析,在地磁台站对样机的性能进行测试和对比观测。结果表明:球形线圈的非均匀度优于5‰,偏置磁场幅度约为总强度磁场幅度的20%左右可以获得较好的噪声性能,总强度F、磁偏角D和磁倾角I的噪声(峰峰值)分别为0.11nT、0.032′、0.014′,为地磁台站相对记录提供高采样率多分量准绝对的观测仪器。3.开展基于非晶丝正交磁通门效应磁传感器研制。基于基本模式的正交磁通门效应,采用真空熔体抽拉设备冷拔并经退火处理的Co基非晶丝作为磁芯材料,首先优化磁敏材料的工作点并确定激励场的幅度和频率,然后设计低噪声信号拾取电路,最后开展样机性能测试和台站对比观测实验。结果表明:噪声优于0.2nT(RMS)、频带响应DC~30Hz,同时传感器体积为Φ7cm×10cm,功耗小于1W,实现了便于携带和简易架设,为密集阵列式地磁矢量观测提供观测仪器。4.开展地磁场相对变化观测数据一致性校正技术研究。首先通过理论计算和地磁台站测试实验验证,分析观测仪器的定向、水平姿态与地磁各分量观测数据之间的变化规律并给出定量关系;然后基于差值算法对地磁台站的观测数据的一致性进行分析和校正,并通过软件实现单台和多台的数据校正,从而为科学研究提供高质量的观测数据。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状与进展

1.2.1 矢量磁传感器技术

1.2.2 地磁场相对观测技术的发展趋势

1.3 本文研究目的、技术路线和研究内容

1.4 本章小结

第二章高稳定性磁通门传感器研制

2.1 基于磁通门效应的矢量磁场测量原理

2.2 三分量磁通门传感器研制

2.2.1 传感器小型化设计

2.2.2 信号调理电路设计

2.2.3 传感器悬挂结构设计

2.3 样机实验室性能测试和台站对比观测实验

2.3.1 实验室性能测试

2.3.2 台站对比观测实验

2.4 本章小节

第三章基于OVERHAUSER效应磁探头的矢量磁传感器研制

3.1 基于标量磁探头矢量磁场测量原理

3.1.1 基于OVERHASER效应磁场测量原理

3.1.2 使用标量磁力仪测量地磁场分量原理

3.1.3 基于OVERHASER效应磁探头的矢量磁场测量原理

3.2 矢量磁传感器研制

3.2.1 偏置线圈设计

3.2.2 电流源设计

3.2.3 正交度误差校正

3.3 样机性能测试和台站对比观测实验

3.3.1 样机性能测试

3.3.2 台站对比观测实验

3.4 本章小节

第四章基于非晶丝正交磁通门效应的磁传感器研制

4.1 基本模式的正交磁通门原理

4.2 基于非晶丝正交磁通门效应磁传感器研制

4.2.1 丝状磁传感器设计

4.2.2 信号调理电路设计

4.3 样机实验室性能测试和台站对比观测实验

4.3.1 实验室性能测试

4.3.2 台站对比观测实验

4.4 本章小节

第五章地磁场相对变化观测数据一致性校正技术研究

5.1 地磁场相对变化观测数据不一致性现状分析

5.2 传感器姿态对地磁场日变化观测数据的影响分析

5.2.1 三轴磁通门传感器定向误差分析

5.2.2 三轴磁通门传感器水平误差分析

5.2.3 传感器姿态偏转角度误差测试实验

5.3 基于差值算法设计与验证

5.3.1 基于差值算法设计

5.3.2 基于差值算法验证

5.3.3 校正算法软件实现

5.4 本章小节

第六章总结与展望

6.1 研究成果

6.2 存在问题

6.3 工作展望

参考文献

致谢

作者简历与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王晓美

导师: 滕云田

关键词: 地磁观测,磁通门效应,效应,非晶丝,数据校正

来源: 中国地震局地球物理研究所

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国地震局地球物理研究所

分类号: P318.21

总页数: 137

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