【正文】 之后居世界第 5 位。 截至 1996 年底，全國(guó)共查明鐵礦產(chǎn)地 1834 處。累計(jì)探明鐵礦石儲(chǔ)量 億 噸 ，按全國(guó)鐵礦石平均含鐵品位 33%計(jì)算，鐵 金屬量為 億噸 ?？鄢龤v年開(kāi)采與損失，尚保有鐵礦石儲(chǔ)量 億 噸 ，鐵金屬 億 噸 。 根據(jù) 80 年代中期地質(zhì)科研部門對(duì)我國(guó)鐵礦資源的預(yù)測(cè)，將全國(guó)大陸劃分為 17 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)，共有有望航磁異常區(qū) 1084 處，預(yù)測(cè)資源潛力 606 億 t。其中 11 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)分布在東經(jīng) 105176。線以東地區(qū)，有望航磁異常區(qū) 754 處，預(yù)測(cè)資源潛力為 317 億 t，東部地區(qū)找礦程度較高，預(yù)測(cè)資源多以隱伏礦或盲礦體分布在已知礦帶的深部和周邊部。東經(jīng) 105176。線以西地區(qū)，包括 6 個(gè)預(yù)測(cè)區(qū)，有望航磁異常 330 處，預(yù)測(cè)資源潛力為 289 億 t，西部地區(qū)找 礦和研究工作程度較低或很低，尚有發(fā)現(xiàn)新礦區(qū)的前景。 中國(guó)的鐵 礦資源 很豐富，但 鐵礦石進(jìn)口量 卻居 世界第一 。 近 年 來(lái) ， 中吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 2 國(guó)主要進(jìn)口鐵礦石的一些來(lái)源國(guó)不斷調(diào)高 鐵礦石的 出口價(jià)格。面對(duì)這種形勢(shì)， 中國(guó)自己 開(kāi)采 鐵礦 的需求越來(lái)越 迫 切。 中國(guó)鐵礦資源有兩個(gè)特點(diǎn)：一是貧礦多，貧礦出儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的 80%；二是多元素共生的復(fù)合礦石較多。此外礦體復(fù)雜；有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦，下部為磁鐵礦。 因此，開(kāi)采鐵礦不能漫無(wú)目的，我們需要 有效的探測(cè)手段 確保 有價(jià)值 的 開(kāi)采，所以 地磁檢測(cè)裝置的研究 是非常必要的。本文要介紹的基于 三分量 磁通門測(cè)磁法的 地磁檢測(cè)裝 置 就是一種高效的測(cè)磁手段 。 磁通門測(cè)磁法問(wèn)世 后 不久 ， 在第二次世界大戰(zhàn)中 就 被應(yīng)用于探雷、探潛等方面，戰(zhàn)后又被廣泛應(yīng)用于地 面磁場(chǎng)研究 、 航空磁測(cè) 、 地震預(yù)報(bào)研究、地下 礦床勘探 、生物醫(yī)學(xué)研究、星際間磁測(cè)等領(lǐng)域。幾十年來(lái)，盡管測(cè)量磁場(chǎng)的新方法不斷涌現(xiàn)，磁通門 傳感器 仍以其測(cè)量靈敏度高、 堅(jiān)固小巧、使用靈活、工作可靠 ，電路 功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)， 被 普遍 應(yīng)用于弱磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域 。 目前地磁測(cè)量所使用的 測(cè) 磁儀 器 多數(shù)是進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，維修比較困難。 基于該現(xiàn)狀，本文主要介紹一種新型 地磁檢測(cè)裝置 。該 檢測(cè)裝置 電路簡(jiǎn)單， 測(cè)量數(shù)據(jù)的處 理完全數(shù)字化，操作方便，成本 較低，設(shè)計(jì) 模塊化 ，并且易于維修。而且，與大多數(shù)測(cè)磁儀器相比，檢測(cè)裝置的功耗非常低，采用 177。 12V 外部電源 供電，測(cè) 量 數(shù)據(jù)可以 通過(guò)串口 發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析 ， 方便研究 。 下面先介紹 一下 各種測(cè) 磁 儀器 。 各種 測(cè) 磁 儀器 測(cè)磁儀器 根據(jù)采用磁敏傳感器的種類分為很多種。 已經(jīng)被淘汰的是 采用機(jī)械式磁敏傳感器的 機(jī)械式磁力儀；目前應(yīng)用比較廣泛的 磁敏傳感器 有磁通門 式 磁敏傳感器 、質(zhì)子旋進(jìn) 式磁敏傳感器 、光泵 式磁敏傳感器、 SQUID吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 3 （超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器 、光纖 式磁敏傳感器 、半導(dǎo)體 磁敏傳感 器 ；處于研究、試驗(yàn)階段的 測(cè)磁儀器 有 固體電子自旋共振磁力儀 、原子磁力儀等 。 下面 就以 下 幾 種 測(cè)磁儀器做簡(jiǎn)單介紹 ： 機(jī)械式磁力儀（ mechanical magometer） 又稱作 磁秤 ， 利用一個(gè)可繞固定軸自由旋轉(zhuǎn)的磁棒，其偏轉(zhuǎn)角的大小與外磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的關(guān)系來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)大小 。 利用磁棒放置位置的不同可以分別測(cè)定垂直磁異常和水平磁異常，其相應(yīng)的儀器為垂直磁秤和水平磁秤 。 由于 是 用重力矩來(lái)平衡磁力矩，所以只能測(cè)垂直（或水平）地磁場(chǎng)相對(duì)于一個(gè)固定點(diǎn)的改變值。從制造工藝上講，要采用精度很高的設(shè)備加工機(jī)械零件和光學(xué)零件，調(diào)試 過(guò)程也比較復(fù)雜 。 總之， 無(wú)論是 操作使用 還是 制造工藝， 跟電子測(cè)磁儀器相比 ，都很復(fù)雜。機(jī)械式磁力儀于 1991 年停產(chǎn)， 取而 代之 的是電子磁力儀。 超導(dǎo)磁力儀 （ superconducting magometer, SQUID） 是 利用約瑟夫遜效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的 測(cè)磁儀器 。測(cè)量 儀器應(yīng)用了超導(dǎo)量子干涉器。采用 超導(dǎo)材料制成的閉合環(huán)對(duì)外磁場(chǎng) 會(huì)產(chǎn)生 周期效應(yīng) ， 其磁通變化與外磁場(chǎng)變化成正比 。超導(dǎo)磁力儀正是利用這個(gè) 原理來(lái)測(cè)量磁場(chǎng) 的 。這種儀器的靈敏度可達(dá)105～ 106 納特。可制成航 空 磁 力 梯度儀，也可用于地 面 磁場(chǎng) 的研究 及弱磁性巖石的磁性 測(cè)定。 常用在對(duì)測(cè)量精度要求高的地方，成本相對(duì)稍高一些。 質(zhì)子磁力儀 （ proton precession magometer） 是應(yīng)用質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器制成的測(cè)磁儀器。 氫原子核的質(zhì)子是一種帶有正電荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁場(chǎng)的作用下自旋質(zhì)子將按一定方向排列，稱為核子順磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物質(zhì)中才能反映出來(lái)，如某些碳?xì)溲趸衔镆后w (水、酒精、甘油等 )。在這些樣品中質(zhì)子受某強(qiáng)磁場(chǎng)激發(fā)而具有 — 定方向排列，去掉外磁場(chǎng)，則質(zhì)子在地磁場(chǎng)作用下將以同 — 相位繞地磁場(chǎng) T 旋進(jìn)，其旋進(jìn)頻率 f 與地磁吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 4 場(chǎng) T 有以下關(guān)系： T=，單位為 納特 。當(dāng)測(cè)定出頻率 f 以后即可計(jì)算出總磁場(chǎng)強(qiáng)度 T 的數(shù)值。利用這種原理制成的儀器稱為質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，或稱核子旋進(jìn)式磁力儀。質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀穩(wěn)定性好。溫度影響小、沒(méi)有零點(diǎn)掉格、精度高，可觀測(cè)弱磁異常工作時(shí)不必準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下觀測(cè)。 儀器靈敏度一般為 納特。 但這類儀器的使用要受到磁場(chǎng)梯度范圍的限制 ， 常用于地面、航空和海洋磁測(cè) 等一些要求準(zhǔn)確測(cè)量出絕對(duì)磁場(chǎng)大小的研究領(lǐng)域 。我國(guó)生產(chǎn)的這類儀器有 302 型?？蘸俗有M(jìn)磁力儀 靈敏度可達(dá) 納特 ， CHD 型地面核子旋進(jìn)磁力儀 靈敏度可達(dá) 納特 。 光泵磁力儀 （ optical pumping magometer）是應(yīng)用光泵式磁敏傳感器制成的測(cè)磁儀器 。 因?yàn)橛晒獗米饔门帕泻玫脑哟啪?，在特定頻率的交變電磁場(chǎng)的作用下，又將產(chǎn)生共振吸收作用，打亂原子的排列情況。發(fā)生共振吸收現(xiàn)象的電磁場(chǎng)的頻率與樣品所在點(diǎn)的外磁場(chǎng)強(qiáng)度成一比例關(guān)系，故測(cè)定這一頻率就可以測(cè)出外磁場(chǎng)的值。常用的工作元素有；銣 (Rb87， Rb85)；銫 (Cs133)；氦 (He4， He3)等。光泵磁力儀按線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可分為跟蹤式及自激式兩大類。這 類磁力儀的特點(diǎn)是靈敏度高， 可達(dá) 納特。 可以測(cè)定總磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值，沒(méi)有零點(diǎn)掉格及溫度影響，工作時(shí)不需準(zhǔn)確定向，適于在運(yùn)動(dòng)條件下進(jìn)行高精度快速連續(xù)測(cè)量，如航空磁測(cè)和海洋磁測(cè)等。 磁通門磁力儀 （ fluxgate magometer， FGM） ，又 稱飽和式磁力儀。它是一種電 子 磁力儀。它利用高磁導(dǎo)率的坡莫合金作靈敏元件，在弱磁場(chǎng)中就能達(dá)到磁飽和。靈敏元 件的磁芯為閉合磁路，在其兩邊繞以匝數(shù)相同、繞向相反的激勵(lì)繞組， 外 側(cè)是輸出 繞組。對(duì)激勵(lì)繞組給以交變電壓，使靈敏元件達(dá)到近于飽和，若無(wú)外磁場(chǎng)存在，則兩邊磁芯 產(chǎn)生的磁通波形對(duì)稱而反向，這時(shí)訊號(hào)繞組將沒(méi)有感應(yīng)電壓輸出。當(dāng)沿元件軸向存在 有 外磁場(chǎng)，則兩邊磁芯在正、負(fù)半周內(nèi)飽和程度不一，產(chǎn)生的磁通量不能互相抵消，吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 5 將有感應(yīng)電壓脈沖輸出。其幅度與外磁場(chǎng)大小成正比，據(jù)此即可測(cè)定外磁場(chǎng)的大小?？捎糜诘孛妗⒑娇栈蚓写艤y(cè)。 由上面的介紹可以看出磁通門測(cè)磁儀器 有它自身的優(yōu)勢(shì)，是 其他測(cè)磁儀器 無(wú)法替代的。磁通門是第一種實(shí)際投入使用的電子式磁力儀?，F(xiàn)在的磁通門 測(cè)磁儀器 做得非常小型化，攜帶方便，儀器使用簡(jiǎn)單，成本相對(duì)比較低，因此在一般測(cè)量中使用的 較 多。 磁通門測(cè)磁儀器的研究現(xiàn)狀 磁通門測(cè)磁 儀 器 是利用磁芯在交變磁場(chǎng)激勵(lì)下發(fā)生導(dǎo)磁特性變化從而調(diào)制被測(cè)磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)調(diào)制信號(hào)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的測(cè)量。磁通門 測(cè)磁法 以其測(cè)量范圍寬、分辨率高、頻帶寬及經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，早在 20 世紀(jì)30 年代就開(kāi)始應(yīng)用于地磁測(cè)量，經(jīng)過(guò)后來(lái)的不斷完善與發(fā)展，目前已成為國(guó)際地磁相對(duì)記錄的主流設(shè)備。 第一臺(tái)磁通門磁力儀產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 30 年代，迄今己有多種不同類型的磁通門磁力儀。因其分辨率、頻 率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍和線性特性都能滿足記錄地磁場(chǎng)各分量變化的要求， 具有輕便、價(jià)格低廉、安裝調(diào)試簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化 等 特點(diǎn)，所以世界大多數(shù)地磁 臺(tái)站都使用磁通門 測(cè)磁儀器 作為變化磁場(chǎng)的記錄儀器，代替了傳統(tǒng)的磁變儀。國(guó)際上比較有代表性的磁通門磁力儀有加拿大的 FM20 型和 CANMOS 型磁通門磁力儀、奧地利的CH IMAG 型磁通門磁力儀、英國(guó)的 FLARE 磁通門磁力儀、美國(guó)的 SMALL磁通門磁力儀。這些磁通門磁力儀代表了該儀器技術(shù)的先進(jìn)水平，它們 都具有 低噪聲、采樣率高、溫度性能良好、數(shù)字化等 特點(diǎn) 。 在我國(guó)，早在 20 世紀(jì) 80 年代就開(kāi)始將磁通門磁力儀應(yīng)用于地磁觀測(cè)的技術(shù)研究。在 2022 年時(shí)中國(guó)地震局地球物理研究所己經(jīng)研制成功了GM1 型、 GM2 型單 向模擬記錄磁 通門磁力儀和 GM3 型三 分量 數(shù)字記錄磁通門磁力儀。但由于儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度特性等還不能滿足地磁臺(tái)吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 6 站日常觀測(cè)的基本要求，所以未能得到廣泛應(yīng)用。因此降低儀器的溫度系數(shù)、提高儀器的穩(wěn)定性，降低安裝的復(fù)雜程度、減小儀器的體積、提高儀器的自動(dòng)化程度一直是儀器研制者持續(xù)開(kāi)發(fā)與改進(jìn)的目標(biāo)。 本文討論的這種 三分量磁通門地磁場(chǎng)將測(cè)裝置 具有的主要特點(diǎn)是體積小、安裝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高， 由于它 可以 同時(shí) 測(cè)量 磁場(chǎng)在三個(gè)方向的分量 ，然后進(jìn)行矢量合成， 所以測(cè)得的數(shù)據(jù) 有很高的 可靠性。 2 檢測(cè)裝置的工作原理 磁通門傳感器的工作原理 磁通門傳感器就是利 用 某些 高磁導(dǎo)率 的軟磁 材料 （如坡莫合金） 作 磁芯， 以其 一起在交流磁場(chǎng)作用下的次飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測(cè)磁裝置 。 其結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)特殊的變壓器， 磁通門測(cè)磁法 正 是利用這種特殊變壓器的磁芯 ，當(dāng) 交 變 電流 流過(guò)該變壓器原 邊 線圈 時(shí)，磁芯 反復(fù) 被 交變過(guò)飽和勵(lì)磁所 磁化 ， 當(dāng)有 外磁場(chǎng) 存在時(shí)，勵(lì)磁變得不對(duì)稱，變壓器 的 輸出信號(hào) 受到外磁場(chǎng)的調(diào)制。通過(guò)檢測(cè)輸出的調(diào)制信號(hào) 就可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)的測(cè)量。磁通門探頭的輸出主要是激勵(lì) 信號(hào) 的二次諧波，需要 經(jīng)過(guò)處理得到測(cè)量數(shù)據(jù) 。 根據(jù) 磁通門傳感器的磁芯幾何形狀 分為閉合式和非閉 合式兩類： 從這幾種磁芯的性能來(lái)說(shuō)，以圓形較好，跑道形次之。在磁場(chǎng)的分量?????????????????圓形磁芯跑道形磁芯長(zhǎng)方形磁芯閉合式磁芯長(zhǎng)條形雙磁芯長(zhǎng)條形單磁芯非閉合式磁芯磁芯吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 7 測(cè)量中，用跑道形磁芯 （如圖 ） 較多。 跑道型磁芯 的長(zhǎng)軸場(chǎng)邊尺寸遠(yuǎn)大于短軸尺寸，因此，認(rèn)為跑道型磁芯僅被延長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)所磁化。在實(shí)際應(yīng)用中，也僅用它來(lái)測(cè)量 延長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)分量。圖 所示為跑道型磁芯的 二次諧波法 測(cè)磁原理。 圖 跑道型磁芯機(jī)構(gòu)示意圖 1 — 靈敏元件架； 2— 初級(jí)線圈 3— 輸出線圈； 4— 坡莫合金環(huán) 若在跑道形磁芯的彼此平行的兩長(zhǎng)邊上，分別 繞一組匝數(shù)相同的線圈L L2，同向串聯(lián)作為激勵(lì)線圈；在 L L2 外側(cè)繞一公用的測(cè)量線圈 Ls。在激勵(lì)線圈中輸入正弦交變電流 I=Imsinω t，假定 L1 中磁場(chǎng) H1=2Hmsinω t， L2 中磁場(chǎng) H2=2Hmsinω t。傳感器的輸出電壓如圖 （ d） 所示，可以表示成下面的分段函數(shù)的形式： 4 1 2f f 2 L1 L2 LS 3 ?????????????????0c o s1020c o s102088????????SHSHEsmsmS2222111122??????????????????????????????吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文 （設(shè)計(jì)） 8 Es 是屬周期性的重復(fù)脈沖，故可用富氏分解法計(jì)算 Es 的二次諧波分量： teHHHfSsndE msS ?? 2s i n81016 ???? 圖 磁通門式磁敏傳感器測(cè)磁原理 （ a） 軟磁材料動(dòng)態(tài)磁回滯曲線的理想化模型 （ b） 外加磁場(chǎng)時(shí)，兩線圈中的磁場(chǎng)不再對(duì)稱 （ c）外加磁場(chǎng)時(shí)，兩線圈中磁場(chǎng)出現(xiàn)飽和段 （ d）傳感器 在正弦波激勵(lì)時(shí)的理論 輸出波形 檢測(cè)裝置 的工作原理 三分量 磁通門 地磁場(chǎng) 檢測(cè) 裝置 主要利用 法拉第 電磁感應(yīng)原理 實(shí)現(xiàn)對(duì) 地磁場(chǎng) 的檢測(cè)。傳感器 將地磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào) ， 檢測(cè)裝置 通過(guò)檢測(cè)這種電信號(hào)來(lái)判斷地磁信號(hào)大小，進(jìn)而判斷檢測(cè) 地 點(diǎn) 的狀況。 實(shí)現(xiàn)這種判斷主要依靠 三分量 磁通門傳感器 ，它 的每個(gè)傳感器都 采用雙鐵芯 結(jié)構(gòu)，在兩根鐵芯上纏繞的激勵(lì)線圈反向串聯(lián) （如圖 所示） ， 勵(lì)磁電流通過(guò)激勵(lì)線圈時(shí)，θ 2 θ 1 H He Hs Bm (a) （ b） θ = ωt H2 H1 H e1 e2 E （ d） H θ