地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置的制造方法

地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置，属于 地球物理勘探领域。
【背景技术】
[0002] 磁法勘探是以岩石、矿石(地层）与其围岩的磁性差异为物质基础，用专门的磁法 仪器设备观测和研究物理场的变化规律，进而达到查明地质构造、寻找矿产资源和解决水 文、工程地质问题和环境监测等问题。纵观磁法勘探的趋势，第一阶段为标量测量，第二阶 段为梯度张量测量，第三阶段为矢量测量。目前我国野外移动式磁测主要是以磁场总场的 单一参数测量为主，属于第一阶段。FVM-400型三分量磁力仪是国内新引进的国外仪器，主 要用来进行三个分量的全空间磁测，这是磁法勘探进入第二个阶段(梯度张量测量）的一个 中间过程，这从矿产勘查方面来说，也扩大了磁法勘探的应用范围，即使在坑道等特殊的地 区也可以得到应用。目前，我国的第二、三阶段还没有实现，所以制约了地质找矿和工程勘 查。随着地质找矿和地质工程问题的要求越来越高，传统单一的总场磁测已不能满足地质 勘探要求，多参数及矢量测量是目前的发展趋势。这是因为多参数测量对于地质找矿和工 程勘查具有重要的应用价值。
[0003] 目前国内外的"磁通门磁力仪"和"超导磁力仪"虽然已经实现了三分量的实测，但 该仪器在地面勘探时，其探头的高精度水平平台及三轴定向装置问题难以实现，往往采用 机械定向，即采用镜筒、标尺、人工观测的方法，费时、精度低、误差大。如国外生产的FVM-400 三轴磁通门磁力仪能进行三分量磁测 ，在选用直角坐标模式下显示磁场的大小 ，磁倾角 和磁偏角三个参数。这种三分量磁测在测量技术、资料处理、图示显示及解释等方面还没有 以往仪器的那些较成熟的方法和规范，特别是三轴坐标的校正问题没有解决，往往工作人 员在野外要花很多时间进行三轴的定向，因而工作效率低，这就是目前三分量磁力仪在我 国没有普及和推广的主要原因之一。因而，目前使用三分量磁力仪的用户较少，为了克服以 上地面三分量找矿中的种种弊端，特开展了该仪器的研发。

【发明内容】

[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种地面三分量磁力定向方法及地面三 分量磁力定向勘探装置，利用仪器可完成传感器三轴自身正交校正，也可以实现传感器三 轴坐标与地理坐标转换，达到既可以进行快速测量，同时又可以获得比传统质子磁力仪更 丰富的空间地磁场参数，为地质找矿提供全方位的地球物理数据;此外，为了解决野外测网 的定点问题，系统还设计有GPS或北斗的定位系统，最终形成野外三分量磁测的"一键"完 成。
[0005] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种地面三分量磁力定向 方法，包括以下步骤：
[0006] (1)在探头中设置定位模块、磁通门传感器和惯性测量模块，将定位模块、磁通门 传感器和惯性测量模块与控制器模块连接，将控制器模块与矩阵键盘和液晶显示模块连 接；
[0007] (2)通过矩阵键盘发送16进制命令到控制器模块，控制器模块接收16进制命令后 控制与其相连的磁通门传感器、定位模块和惯性测量进行测量；
[0008] (3)磁通门传感器将测量得到的三轴信号Gx、Gy和G z传输至控制器模块，定位模块 实时地将位置数据和时间数据传输至控制器模块，惯性测量模块实时地将姿态数据a x、ay、 αζ、ω χ、ω，和ω z传输至控制器模块；
[0009] (4)控制器模块采用最小二乘拟合算法对三轴信号进行正交校正，以补偿因为磁 通门传感器内部三轴直接的正交角度误差所带来的影响；同时控制器模块根据探头中的惯 性测量模块传输的姿态数据确定姿态矩阵的初始值;再将(^、 ％、(^、〇^、〇^和〇^变换到统 一的选定坐标系，最后通过初始对准的误差补偿、姿态矩阵的计算，获得探头所在位置的姿 态参数，所述姿态参数包括探头的三轴航向角:Φ、.俯仰角θ和滚转角γ ;
[00?0] (5)将姿态参数通过液晶显示模块进行显示。
[0011] 步骤(4)所述的统一的选定坐标系采用地理坐标系或大地坐标系。
[0012] 本发明同时提供了一种地面三分量磁力定向勘探装置，包括探头、控制器模块、用 于同步的时钟控制模块和用于供电的电源模块，所述探头包括无磁塑制圆柱形套管及支撑 部件，无磁塑制圆柱形套管内置有无磁钛合金槽，无磁钛合金槽内安装有传感器模块，所述 传感器模块包括定位模块、磁通门传感器以及惯性测量模块，惯性测量模块与磁通门传感 器的Ζ轴位于同一直线;所述控制器模块为MCU控制器模块，所述定位模块通过USART串口与 MCU控制器模块双向连接，所述磁通门传感器的三轴各通过一组信号调理模块接入24位A/D 转换模块，24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制器模块进行双向通信，所述惯性测量模 块通过USART串口与Μ⑶控制器模块双向通信，矩阵键盘经ALG7209驱动模块驱动后通过IIC 总线与Μ⑶控制器模块双向通信，液晶显示模块通过USART串口与Μ⑶控制器模块双向连接， TF卡存储模块通过SPI总线与MCU控制器模块双向通信，时钟控制模块和电源模块均与MCU 控制器模块连接；所述MCU控制器模块采用芯片MC9S12XEP100;所述磁通门传感器采用 FGM3D/100;所述惯性测量模块采用三轴加速度传感器ADIS16210。
[0013] 所述24位A/D转换模块内部设有至少三个并行的用于实现三轴数据同步采集的Δ Σ转换器。
[0014] 所述定位模块采用GPS模块和/或北斗模块。
[0015] 所述定位模块采用GGSTAR-2000GPS模块。
[0016]所述SPI总线采用8位数据传输宽度，频率大小为500ΜΗΖ。
[0017]所述支撑部件为无磁支杆或无磁三脚架。
[0018] 本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0019] (1)本发明的地面三分量磁力定向方法可完成传感器三轴自身正交校正，也可以 实现传感器三轴坐标与地理坐标转换，达到既可以进行快速测量，同时又可以获得比传统 质子磁力仪更丰富的空间地磁场参数，为地质找矿提供全方位的地球物理数据;此外，为了 解决野外测网的定点问题，系统还设计有GPS或北斗的定位系统，最终形成野外三分量磁测 的"一键"完成；
[0020] (2)本发明的三分量磁通门传感器采用德国SENSYS公司产FGM3D/100，量程土 1 OOOOOnT;精度0.5 % ;轴间倾斜<9nT;总倾斜〈14nT;分辨率〈150pT，该传感器可以在三轴方 向同时进行静态和交变磁场的高精度测量，模拟输出；
[0021] (3)本发明的三轴加速度传感器选用美国ADI公司的ADIS16210,倾角测量范围0~ 90° ;方位角测量范围0~360°，可在空间全范围内精确测量出翻滚角和俯仰角，利用兼容串 行接口 SPI能方便的配置相关的控制参数并读取传感器的测量数据；
[0022] (4)本发明的定位模块选用GGSTAR-2000GPS模块，其为24通道频率L11575.42MHZ， C/A码，跟踪灵敏度-158dBm，捕获灵敏度-140dBm，自主定位精度3m(CEP)，精度高，灵敏度 尚；
[0023] (5)与现有技术相比，本发明克服了目前原始的人工定向测量方法，实现了快速、 准确的野外数据采集工作，同时，又可以获得比传统质子磁力仪所测参数更多的空间地磁 场参数，可为地质找矿提供全方位的地球物理数据;此外，为了解决野外测网的定点问题， 系统还设计有GPS或北斗的定位系统，实现智能化；
[0024] (6)本发明的信号获取可以采取两种方式，一是三分量磁通门和陀螺仪可自动动 态循环采集并实时进行数据修正，二是三分量磁通门和陀螺仪手动测量(点位测量)并实时 数据修正；