专利名称：感应式地磁场测量实验仪的制作方法
技术领域：
本发明属于物理学和地球物理学实验仪器，具体涉及一种能够测量地磁场水平与垂直方向的磁感应强度分布的感应式地磁场测量实验仪。
背景技术：
目前地磁场测量主要方法有磁阻，质子旋进、光磁共振、霍姆赫兹线圈补偿等方法。这些测量方法比较复杂，所需设备较昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、能够测量地磁场水平与垂直方向的磁感应强度分布的感应式地磁场测量实验仪。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是感应式地磁场测量实验仪，它由地磁场感应装置、槽型光电耦合器驱动电路、前置放大电路、数据采集和数字信号处理电路构成；其特征在于地磁场感应装置包括支架1、挡光片2、线圈终止转动弹簧制动器3、第二槽型光电耦合器4、线圈框架5、地磁感应线圈绕组6、第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动弹簧扣12、空心转轴14、感应电流信号输出线15，地磁感应线圈绕组6缠绕在线圈框架5的塑料圆形槽内，支架1内为空腔，线圈框架5位于支架1的空腔内，并处于支架1的上端，线圈框架5的前后两端分别由空心转轴14与支架1活动连接；支架1空腔内的上端左侧壁上分别设有线圈终止转动弹簧制动器3、第二槽型光电耦合器4，支架1空腔内的上端右侧壁上分别设有第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动弹簧扣12，第二槽型光电耦合器4、第一槽型光电耦合器10处的支架1上分别设有槽型光电耦合器信号输出接口11；线圈框架5的左端边缘固定一个挡光片2，线圈框架5旋转时，挡光片2穿过第一槽型光电耦合器10的光槽、第二槽型光电耦合器4的光槽；第一槽型光电耦合器10、第二槽型光电耦合器4的信号输出线分别穿过槽型光电耦合器信号输出接口11与槽型光电耦合器驱动电路的输入端相连，地磁感应线圈绕组6的感应电流信号输出线15穿过空心转轴14与前置放大电路的输入端相连，槽型光电耦合器驱动电路的输出端、前置放大电路的输出端分别与数据采集和数字信号处理电路的模数转换器相连。
所述的支架1上设有启动线圈旋转弹力装置，启动线圈旋转弹力装置主要由簧片弹力调节螺杆7、螺母8、簧片9、压簧铁杆13组成，簧片9位于支架1的空腔内，簧片9一端与支架1固定连接，簧片9的另一端悬空，簧片9的上面设有簧片弹力调节螺杆7，簧片弹力调节螺杆7旋入螺母8内，螺母8与支架1固定连接；压簧铁杆13固定在线圈框架5上，线圈框架5与支架1的上端面平行时，压簧铁杆13压住簧片9，从而为线圈框架5的转动提供弹力；此时，线圈框架5被起始转动弹簧扣12扣住。
所述的地磁感应线圈绕组6的线圈匝数为1000匝，线圈的直径为0.3mm铜线。所述的支架1为正方体形铝合金支架。
本发明结构简单，它通过地磁感应线圈绕组6在地磁场中翻转，切割地磁场的磁力线产生感应电动势，并在闭合的线圈中产生感应电流，经前置放大电路对信号进行放大，由AD转换将模拟信号变成数字信号，再由单片机或DSP在软件控制下进行数据采集和数字信号处理，最终获得地磁场的水平和垂直分量。本发明的电磁感应的原理展示清晰，可采集地磁感应线圈切割地磁力线过程的所有数据，采样时间可调；采集的数据既可在液晶显示屏上显示，也可以通过RS232串口将数据传送到计算机，在计算机屏幕上显示。对采集的数据可手动处理，也可以由单片机或计算机自动处理。该实验仪器操作简单、使用方便，可分别测量地磁场的垂直分量、水平分量。
图1是本发明的电路原理框2是本发明地磁场感应装置的结构示意3是本发明前置放大电路原理4是本发明槽型光电耦合器驱动电路5是本发明数据采集和数字信号处理电路中1-支架，2-挡光片，3-线圈终止转动弹簧制动器，4-第二槽型光电耦合器，5-线圈框架，6-地磁感应线圈绕组，7-簧片弹力调节螺杆，8-螺母，9-簧片，10-第一槽型光电耦合器，11-槽型光电耦合器信号输出接口，12-线圈起始转动弹簧扣，13-压簧铁杆，14-空心转轴，15-感应电流信号输出线。
具体实施例方式
如图1、图2所示，感应式地磁场测量实验仪，它由地磁场感应装置、槽型光电耦合器驱动电路、前置放大电路、数据采集和数字信号处理电路构成；地磁场感应装置包括支架1、挡光片2、线圈终止转动弹簧制动器3、第二槽型光电耦合器4、线圈框架5、地磁感应线圈绕组6、第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动弹簧扣12、空心转轴14、感应电流信号输出线15，地磁感应线圈绕组6缠绕在线圈框架5的塑料圆形槽内，支架1内为空腔，线圈框架5位于支架1的空腔内，并处于支架1的上端，线圈框架5的前后两端分别由空心转轴14与支架1活动连接；支架1空腔内的上端左侧壁上分别设有线圈终止转动弹簧制动器3、第二槽型光电耦合器4，支架1空腔内的上端右侧壁上分别设有第一槽型光电耦合器10、线圈起始转动弹簧扣12，第二槽型光电耦合器4、第一槽型光电耦合器10处的支架1上分别设有槽型光电耦合器信号输出接口11；线圈框架5的左端边缘固定一个挡光片2(挡光片2采用薄铜片，设在与空心转轴14垂直方向)，线圈框架5旋转时，挡光片2穿过第一槽型光电耦合器10的光槽、第二槽型光电耦合器4的光槽(槽型光电耦合器的光槽一端装有红外发光二极管，另一端装有光敏三极管，遮光片可从耦合器中间光槽通过；由达林顿管驱动红外发光二极管和光敏三极管构成槽形光电耦合器，当遮光片在槽型光电耦合器中挡光时，其输出信号经放大和整形后输入到单片机或DSP中)；第一槽型光电耦合器10、第二槽型光电耦合器4的信号输出线分别穿过槽型光电耦合器信号输出接口11与槽型光电耦合器驱动电路的输入端相连，地磁感应线圈绕组6的感应电流信号输出线15穿过空心转轴14(保证线圈框架5能够自由转动)与前置放大电路的输入端相连(采用超低噪声精密仪器放大器对地磁感应线圈产生的感应电流进行放大，并将其转化为电压信号输出，如图3所示)，槽型光电耦合器驱动电路(如图4所示)的输出端、前置放大电路的输出端分别与数据采集和数字信号处理电路的模数转换器相连；测量前将线圈框架5转到与支架1的上端面平行时，压簧铁杆13压住簧片9，同时，线圈框架5被起始转动弹簧扣12扣住。测量时，板动弹簧扣12，线圈框架5脱离线圈起始转动弹簧制动器12，在簧片9的弹力作用下，绕空心转轴14转动180°后，由线圈终止转动弹簧制动器3扣住。在此过程中，地磁感应线圈绕组6切割地磁场的磁力线，产生感应电动势。
如图5所示，数据采集和数字信号处理电路由模数转换器和单片机或DSP构成，实现数据采集和数字信号处理；可采用公知技术。
所述的支架1上设有启动线圈旋转弹力装置，启动线圈旋转弹力装置主要由簧片弹力调节螺杆7、螺母8、簧片9、压簧铁杆13组成，簧片9位于支架1的空腔内，簧片9一端与支架1固定连接(由螺丝)，簧片9的另一端悬空，簧片9的上面设有簧片弹力调节螺杆7，簧片弹力调节螺杆7旋入螺母8内，螺母8与支架1固定连接(旋入簧片弹力调节螺杆7，可使簧片9的弯曲程度变大)；压簧铁杆13固定在线圈框架5上，线圈框架5与支架1的上端面(或地面)平行时，压簧铁杆13压住簧片9。启动线圈框架5旋转的力矩由支架上的弹簧片9提供，力矩的大小由簧片的弯曲程度决定，由一可调节的螺杆7来调整初始的弹簧弯曲程度。
所述的地磁感应线圈绕组6的线圈匝数为1000匝，线圈的直径为0.3mm铜线。由于地磁场很弱，为了获得较大的感应电流信号，线圈采用多匝绕制方式，本发明线圈匝数为1000匝。所述的支架1为正方体形铝合金支架。
一.地磁场测量的基本原理1)闭合的地磁感应线圈绕组(金属线圈)在地磁场中转动时，切割地磁场的磁力线产生感应电动势。用该实验仪测量地磁场水平或垂直分量时，先用指南针和水准仪对仪器的方位和水平度进行调整，使所测磁场分量方向与线圈面垂直。在感应线圈大小的范围内地磁场可看成是均匀的，当半径为r的绕有n匝线圈的地磁感应线圈旋转180°后，地磁场的分量可由下式得到 其中Bp和Bv分别是地磁场的水平分量和垂直分量，it是t时刻地磁感应圈中的感应电流，R为线圈的电阻，Δt是采样的时间间隔。
2)地磁场大小及方向的计算依据以上测量结果计算地磁场的大小和方向，计算式如下地磁场大小为B＝(Bp2+Bv2)1/2(2)磁场与地面的夹角为θ＝arctan(Bv/Bp) (3)式中B为地磁场大小，Bp为地磁场的水平分量，Bv为地磁场的垂直分量，θ为磁场与地面的夹角。
3)地磁场测量仪的原理框图如图1所示，在测量过程中，微弱的感应电流由前置放大器进行放大，并将电流信号转变成电压信号，再通过AD转换将模拟电压信号转换为数字信号，然后由单片机或DSP进行数字信号处理和数据计算，得到地磁场的感应强度。数据采集时间由两个槽形光电耦合器信号变化的间隔给出。
二.测量地磁场水平与竖直分量操作说明在测量地磁场水平和竖直分量时，仪器的放置方式有一定要求，具体操作步骤如下
1.在测量地磁场的水平分量时，仪器水平放置，使空心转轴14(如图2所示，即线圈绕组的转动轴)与南北方向平行(用罗盘进行校正)，按照电路原理框图(如图1所示)连接好线路。
2.测量前将线圈框架5转到与支架1的上端面平行时，压簧铁杆13压住簧片9，同时，线圈框架5被起始转动弹簧扣12扣住。测量时，板动弹簧扣12，线圈框架5脱离线圈起始转动弹簧制动器12，在簧片9的弹力作用下，绕空心转轴14转动180°后，由线圈终止转动弹簧制动器3扣住。观察翻转速度，若速度过慢(大于1s)，调整簧片弹力调节螺杆7加大簧片弹力。
3.若弹力合适，重复步骤2，点击仪器控制面板上的复位键，此时仪器显示“ready tomeasure”，准备测量。按下线圈起始转动弹簧扣12，仪器开始测量，采集数据。数据采集完毕，仪器自动计算，显示测量结果，此时测量结果为水平方向地磁场分量。
4.按任意键进入中间数据观察过程。按照屏幕显示提示进行操作，记下线圈绕组转动时随时间变化的感应电动势。按照测量原理手工算出水平方向的磁场分量Bp。多次测量取平均值。
5.将仪器垂直放置，空心转轴14垂直于地面，支架1的方框面与南北方向垂直。重复步骤1，2，3，4。测出垂直地磁场分量Bv。多次测量取平均值。
程序设计(1)程序初始化；(2)扫描键盘；(3)判断测量键是否按下，若按下，开始数据测量；(4)等待光槽信号指示线圈开始转动；(5)AD开始转换数据；(6)光槽信号指示线圈转动停止；(7)数据处理、存储数据，显示结果；(8)提示是否进行与计算机通讯，传送数据，选择“是”，开始传送数据；选择“否”，返回进行键盘扫描。
权利要求
1.感应式地磁场测量实验仪，它由地磁场感应装置、槽型光电耦合器驱动电路、前置放大电路、数据采集和数字信号处理电路构成；其特征在于地磁场感应装置包括支架(1)、挡光片(2)、线圈终止转动弹簧制动器(3)、第二槽型光电耦合器(4)、线圈框架(5)、地磁感应线圈绕组(6)、第一槽型光电耦合器(10)、线圈起始转动弹簧扣(12)、空心转轴(14)、感应电流信号输出线(15)，地磁感应线圈绕组(6)缠绕在线圈框架(5)的塑料圆形槽内，支架(1)内为空腔，线圈框架(5)位于支架(1)的空腔内，并处于支架(1)的上端，线圈框架(5)的前后两端分别由空心转轴(14)与支架(1)活动连接；支架(1)空腔内的上端左侧壁上分别设有线圈终止转动弹簧制动器(3)、第二槽型光电耦合器(4)，支架(1)空腔内的上端右侧壁上分别设有第一槽型光电耦合器(10)、线圈起始转动弹簧扣(12)，第二槽型光电耦合器(4)、第一槽型光电耦合器(10)处的支架(1)上分别设有槽型光电耦合器信号输出接口(11)；线圈框架(5)的左端边缘固定一个挡光片(2)，线圈框架(5)旋转时，挡光片(2)穿过第一槽型光电耦合器(10)的光槽、第二槽型光电耦合器(4)的光槽；第一槽型光电耦合器(10)和第二槽型光电耦合器(4)的信号输出线分别穿过槽型光电耦合器信号输出接口(11)与槽型光电耦合器驱动电路的输入端相连，地磁感应线圈绕组(6)的感应电流信号输出线(15)穿过空心转轴(14)与前置放大电路的输入端相连，槽型光电耦合器驱动电路的输出端、前置放大电路的输出端分别与数据采集和数字信号处理电路的模数转换器相连。
2.根据权利要求1所述的感应式地磁场测量实验仪，其特征在于所述的支架(1)上设有启动线圈旋转弹力装置，启动线圈旋转弹力装置主要由簧片弹力调节螺杆(7)、螺母(8)、簧片(9)、压簧铁杆(13)组成，簧片(9)位于支架(1)的空腔内，簧片(9)一端与支架(1)固定连接，簧片(9)的另一端悬空，簧片(9)的上面设有簧片弹力调节螺杆(7)，簧片弹力调节螺杆(7)旋入螺母(8)内，螺母(8)与支架(1)固定连接；压簧铁杆(13)固定在线圈框架(5)上，线圈框架(5)与支架(1)的上端面平行时，压簧铁杆(13)压住簧片(9)。
3.根据权利要求1所述的感应式地磁场测量实验仪，其特征在于所述的地磁感应线圈绕组(6)的线圈匝数为1000匝，线圈的直径为0.3mm铜线。
4.根据权利要求1所述的感应式地磁场测量实验仪，其特征在于所述的支架(1)为正方体形铝合金支架。
全文摘要
本发明属于物理学和地球物理学实验仪器。感应式地磁场测量实验仪，它由地磁场感应装置、槽型光电耦合器驱动电路、前置放大电路、数据采集和数字信号处理电路构成；其特征在于地磁场感应装置包括支架(1)、挡光片(2)、线圈终止转动弹簧制动器(3)、第二槽型光电耦合器(4)、线圈框架(5)、地磁感应线圈绕组(6)、第一槽型光电耦合器(10)、线圈起始转动弹簧扣(12)、空心转轴(14)、感应电流信号输出线(15)，地磁感应线圈绕组(6)缠绕在线圈框架(5)的塑料圆形槽内，线圈框架(5)的前后两端分别由空心转轴(14)与支架(1)活动连接。本发明结构简单、能够测量地磁场水平与垂直方向的磁感应强度分布。
文档编号G01R33/02GK1904645SQ20061001996
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者程永进, 吴雄伟, 王伟, 陈远金 申请人:中国地质大学(武汉)