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FHD-2B数字化观测技术:地磁分量质子磁力仪解析
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"FHD-2B数字化观测技术的说明书涵盖了地磁场的基本概念、地磁七要素的定义以及FHD-2B分量质子磁力仪的技术性能和特点。" 在第一章的绪论中,首先介绍了地磁场的要素。地磁场是由地核产生的一个矢量场,它包括七个关键组成部分:总场矢量F、水平强度H、北向分量X、东向分量Y、垂直强度Z、磁偏角D和磁倾角I。这些要素在地平坐标系中有明确的定义和表示方式。其中,F、H、Z是描述地磁场的三个独立分量,也被称为地磁三要素。通过这三者,可以推算出其他四个要素。FHD-2B分量质子磁力仪主要观测的是地磁总场F、水平分量H(或垂直分量Z)以及磁偏角D。 FHD-2B分量质子磁力仪是专为满足"十五"中国地震前兆数字化观测网络需求设计的,其技术特性包括: 1. 仪器拥有三种工作模式:自动状态、手动状态和标定状态,适应不同观测需求。 2. 可根据用户配置选择不同的测量组合,如F、Z、H、FH、FZ、FHD等,连接多种类型的分量线圈,实现多样的观测任务。 3. 在自动状态下,每分钟进行一次测量,即采样率为1分钟。 4. 具备探头参数和信号传输线的分布电容参数的设定与修正功能,允许探头与仪器间最大120米的距离。 5. 仪器具有数字化调谐与自动跟踪测量信号的能力,确保测量的精确性。 FHD-2B型质子磁力仪因其高精度、智能化程度、可靠性和稳定性,成为了地磁准绝对观测的理想工具。它的网络化控制功能允许用户通过互联网远程访问仪器状态,下载观测数据,实时监控仪器运行,并进行参数调整。这显著提升了观测效率和数据获取的便利性。
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图 2-5 FHD 分量质子磁力仪的系统构成框图
这些电路的技术性能与实现方式,可参见第三章分量质子磁力仪的关键技术。
第三章 分量质子磁力仪的关键技术
第一节 数字化选频与自动跟踪技术
3.1.0 引言
质子磁力仪作为地磁场绝对观测仪器在国内地磁台站已普遍使用,质子磁力仪测量
的是质子旋进的频率信号,因此需要对该频率信号进行选频。以往国内地磁台站普遍使
用的是手动观测的核旋仪器,这些仪器的选频都是采用手动模拟方式,由于这种方式是
用调节档位来进行选频的,由于档位的限制,难免有些粗糙;由于地磁场是一个不断变
化的物理量,特别是遇到磁暴现象时,这种变化更大,如果一分钟采样测量一次地磁场,
实现精确选频未免有些困难。FHD 分量质子磁力仪可以进行一分钟测量一次地磁场,不
需要用手动换档方式对信号进行选频,其选频方式采用的是数字化方式,并且能实现选
频随磁场的变化进行自动跟踪,不仅如此,还可以适配不同参数的探头和不同长度的信
号传输线,这就是 FHD 分量质子磁力仪采用的数字化选频与自动跟踪技术。
3.1.1 原理
FHD 分量质子磁力仪是利用质子旋进原理测量地磁场强度的,在该测量系统中,探
头是感性元件,经磁化后将产生与质子旋进频率 f
p
相同的感应电动势,测出该频率信号
后,经过计算便可得到相应的磁场强度。要测量出该频率信号,就要对该频率信号进行
选频,FHD 分量质子磁力仪是利用 LC 并联谐振回路进行选频测量的,根据谐振公式:
(3.1.1)
式⑴中:L 是探头的电感量,C 是仪器中的配谐电容值,f 是 LC 谐振回路的中心频
率。
只要使探头的电感量 L 和仪器中配谐电容 C 较准确地配谐,就会使回路的谐振频率
f 共振在探头中质子旋进频率 f
p
的附近,使仪器能选到正确的测量信号。探头的电感量是
一个常量,其电感量生产厂家一般都要说明,也可以用专用仪器测量得到。只要能根据
需要测量信号的频率给出较为准确的配谐电容值 C,就能将该频率信号选取出来。
由式(3.1.1)可得:
7
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(3.1.2)
式(3.1.2)中,探头电感量 L 为已知的常数,要得到需要配谐的电容值 C,必须确定
共振回路的中心频率 f ,这个频率必须与探头中质子旋进频率 f
p
的接近。一个地磁台站
的磁场大致的变化范围是可以知道的,其日常变化也就在几十 nT 左右,我们可以将该
台站的大致的磁场值 T
0
输入到仪器中,计算出其相应频率 F
0
,并将其确定为共振回路的
中心频率 f ,并以此频率计算出配谐电容的值 C。即:
(3.1.3)
其中:F
0
=T
0
/23.487215,单位为 nT。
将计算得出的配谐电容值转换成二进制位权码,并用来控制电容矩阵电路,便可实
现对测量信号的数字化选频。如果磁场值 T
0
所对应的频率 F
0
越接近需要测量的信号频率
f
p
,所计算出的配谐电容值就越精确,在共振回路中得到的信号就越强,这就是 FHD 分
量质子磁力仪数字化选频技术。
为了能够在共振回路中连续得到较强的测量信号,我们采用了选频自动跟踪技术,
由于 FHD 分量质子磁力仪在自动状态下连续测量的是分钟值,而地磁场的变化相对又比
较缓慢,一分钟之内变化最多也就是几个 nT;因此,前一分钟的信号频率与后一分钟的
信号频率非常接近。利用地磁场变化的这一特性,我们依据前一分钟测量值 T
i
算出相应
的信号频率 F
i
,并作为下一次信号测量时选频回路的中心谐振频率 fi,以此,根据公式
(3.1.3)得到需要的配谐电容值 C
i
。依据这个原理,不断地用上次的测量结果,对下一次
测量进行自动选频,这就是 FHD 分量质子磁力仪数字化选频的自动跟踪技术。
3.1.2 影响因素与改进措施
分量质子磁力仪观测系统中,从探头到仪器间的信号线还存在一定的分布电容和线
阻,如果信号线较短,可以忽略分布电容和线阻对选频的影响;如果信号线较长,将对
FHD 分量质子磁力仪的选频特性产生一定的影响,从而影响仪器的选频特性。
如果不考虑信号线线阻和分布电容的影响,对信号选频符合公式(3.1.2)和(3.1.3);
如果考虑线阻和分布电容的影响,设信号线的线阻为 R
1
,探头的内阻为 R
2
,则电感支路
的等效总电阻为 R(R=R
1
+R
2
),分布电容为△ C,则谐振电路
可以等效为如图 3-1 的电路形式。那么电容支路的总电容可以
近似为 C+△C,由此可计算出谐振回路的共振频率为:
(3.1.4)
从式⑷可以看出,当 L、C 一定时,△C、R 的存在
会降低谐振回路的共振频率,△C、R 的值越大,谐振电路
的谐振频率就越低;而且谐振回路的品质因素 Q=2πf L /R
也会随 R 的增大而下降。这样就会降低谐振回路对质子旋 图 3-1 信号线等效电路图
进信号的选频特性。
在改进的 FHD 分量质子磁力仪中,考虑到了信号线线阻与分布电容对选频的影响,
增加分布电容的修正功能,由于探头信号线的分布电容可以用仪器测量得到,只要将其
通过键盘设置到仪器中,并在进行数字方法配谐时扣除这个已经存在的电容值,此时总
8
L
R
C C
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