一种便携式高精度地磁矢量经纬磁力仪的制作方法

本实用新型涉及地球物理地磁场测量，是一种便携式高精度地磁矢量经纬磁力仪。

背景技术：

目前，地磁场矢量的测量是一种对磁性体的定性及定量解释的最佳方法。申请人在此领域经过了长期的研究提出了较多方案。例如：高精度地磁矢量测量方法及其装置，地磁矢量野外测量方法及其装置等。这些测量方法及装置经过使用发现存在几个方面不足:这些结构虽然比传统亥姆赫兹双线圈有较大的压缩性改变，测量精度有所提高，在野外测量时便携性有很大改善，但是仍然操作复杂，体积较大，测量精度受影响;另外，由于地球物理野外测量均需定位地球物理测点的平面位置及高程，现有技术的结构中只能满足地磁矢量定位的需要，不能满足地球物理测点的定位和高程测量的需求，因此，在实际作业时需要配备经纬仪等测绘仪以完成地球物理测点的定位和高程的测量。这就导致野外工作效率极难有较大提高，测量精度较难达到精准。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种便携式高精度地磁矢量经纬磁力仪，它能够解决现有技术的不足。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案：一种便携式高精度地磁矢量经纬磁力仪，包括地磁总场光泵磁力仪，地磁总场光泵磁力仪与地磁矢量观测平台相连，地磁矢量观测平台上安装望远镜支架，望远镜支架上安装望远镜，电源与地磁总场光泵磁力仪相连，线圈组套在地磁总场光泵磁力仪探头外部，探头位于线圈组的中心，探头安装在望远镜支架上，线圈组分为垂直线圈组和水平线圈组，电源为线圈组提供直流电流，所述的垂直线圈组和水平线圈组分别由6个大小相同、共轴平行排列、同向串联的线圈组成。6个垂直线圈均为圆形线圈，圆形线圈套在探头外侧，6个水平线圈均为矩形线圈，矩形线圈的一个短边位于探头的一端面上,矩形线圈的另一个短边位于探头的另一个端面上,矩形线圈的长边位于圆形线圈的外侧并与探头的长度方向平行。第一线圈A₁和第二线圈A₆的匝数相同，间距2c为2.38786748R;第三线圈A₂和第四线圈A₅匝数相同，间距2b为1.07401394R;第五线圈A₃和第六线圈A₄匝数相同，间距2a为0.32510610R。第七线圈B₁和第八线圈B₆匝数相同，间距2j为2.70956d-0.0204e;第九线圈B₂和第十线圈B₅匝数相同，间距2i为1.12888d+0.00074e;第十一线圈B₃和第十二线圈B₄匝数相同，间距2h为0.33844d+0.00022e。圆形线圈直径比探头直径长3～4毫米，矩形线圈短边长度比圆形线圈直径长3～4毫米，矩形线圈长边的长度比探头长度长3～4毫米。探头的直径是64mm，长度是141mm，6个垂直线圈上下分布，6个垂直线圈直径均为68mm，其中第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为3匝、间距为11.06mm，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数均为4匝、间距为36.52mm，第一线圈A₁和第二线圈A₆的匝数均为10匝、间距为81.19mm，6个水平线圈的短边长度是72mm，长边长度是145mm，线圈中第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数均为5匝、间距为12.20mm，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数均为7匝、间距为40.70mm，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数均为22匝、间距为96.03mm。探头的直径是63mm，长度是160mm，6个垂直线圈上下分布，6个垂直线圈直径为66mm，其中第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为3匝、间距为10.73mm，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数均为4匝、间距为35.44mm，第一线圈A₁与第二线圈A₆的匝数均为10匝、间距为78.80mm，6个水平线圈的短边长度为70mm，长边长度为164mm，线圈中第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数均为5匝、间距为11.87mm，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数均为7匝、间距为39.61mm，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数均为22匝、间距为93.00mm。探头的直径是55mm，长度是195mm，6个垂直线圈上下分布，6个垂直线圈直径为58mm，其中第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为3匝、间距为9.43mm，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数均为4匝、间距为31.15mm，第一线圈A₁与第二线圈A₆的匝数均为10匝、间距为69.25mm，6个水平线圈的短边长度为62mm，长边长度为198mm，线圈中第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数均为5匝、间距为10.52mm，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数均为7匝、间距为35.08mm，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数均为22匝、间距为81.93mm。电源和地磁总场光泵磁力仪分别安装在三角架的支腿上，三角架上安装地磁矢量观测平台，探头固定在望远镜支架上方横梁的中心部位或固定在望远镜支架的侧部。三角架上设置底板，底板与至少2个倾斜的伸缩杆一端铰接，伸缩杆的另一端与安装板铰接，安装板上分别安装转轴和电机，伸缩杆绕转轴的轴线均匀分布，转轴上设置转盘，转盘外周设置固定齿，电机的输出轴上安装齿轮，齿轮与固定齿啮合，转盘上表面中部与地磁矢量观测平台连接，转盘上表面侧部安装水平仪。三角架上安装固定板，固定板与底板间设置吸盘，吸盘的上部与底板连接，吸盘的下部与固定板连接。

本实用新型的优点在于：它能够在一台仪器上同时实现地磁矢量的测量、地球物理测点的定位及高程的测量。同时，本实用新型的便携性能好，它体积小，重量轻。本实用新型提供的线圈组能做成可提供高均匀度磁场的小线圈，缩小了仪器体积并提高了测量精度。本实用新型提供的技术方案在测量中的调节能达到灵活及稳定性高，能使本实用新型的仪器在任何地理环境下保持水平,以使测量精度进一步达到精准状态等。

附图说明

附图1是本实用新型实施例之一结构示意图；附图2是图1中I部放大结构示意图；附图3是本实用新型实施例之二结构示意图；附图4是本实用新型实施例之三结构示意图。

具体实施方式

用本实用新型实施例进一步说明本实用新型的方案，但本实用新型不限于实施例。

图中1是三角架，2是固定板，3是底板，4是伸缩杆，5是安装板，6是转轴，7是电机，8是转盘，9是齿轮，10是指针，11是探头，12是水平线圈组，13是垂直线圈组，14是地磁总场光泵磁力仪，15是电源，16是吸盘，17是水平仪，18是地磁矢量观测平台，19是横梁，A₁是第一线圈，A₂是第三线圈，A₃是第五线圈，A₄是第六线圈，A₅是第四线圈，A₆是第二线圈，B₁是第七线圈，B₂是第九线圈，B₃是第十一线圈，B₄是第十二线圈，B₅是第十线圈，B₆是第八线圈。

本实用新型提供的技术方案是：一种便携式高精度地磁矢量经纬磁力仪，包括地磁总场光泵磁力仪，地磁总场光泵磁力仪与地磁矢量观测平台相连，地磁矢量观测平台上安装望远镜支架，望远镜支架上安装望远镜，电源与地磁总场光泵磁力仪相连，线圈组套在地磁总场光泵磁力仪探头外部，探头位于线圈组的中心，探头安装在望远镜支架上，线圈组分为垂直线圈组和水平线圈组，电源为线圈组提供直流电流，所述的垂直线圈组和水平线圈组分别由6个大小相同、共轴平行排列、同向串联的线圈组成，6个垂直线圈均为圆形线圈，圆形线圈套在探头外侧，6个水平线圈均为矩形线圈，矩形线圈的一个短边位于探头的一端面上,矩形线圈的另一个短边位于探头的另一个端面上,矩形线圈的长边位于圆形线圈的外侧并与探头的长度方向平行。本实用新型上述结构中所述的地磁总场光泵磁力仪是现有结构，使用它可在线圈加电、加双倍电和不加电三种状态下分别测量迭加了线圈均匀磁场的地磁场标量，进而计算出地磁场矢量。本实用新型在地磁总场光泵磁力仪探头上安装的线圈是特定设计的高精度匀强磁场线圈。垂直线圈组和水平线圈组中的各线圈大小、匝数及线圈间距均采用精密计算获得。所述地磁总场光泵磁力仪商品名为氦光泵磁力仪、钾光泵磁力仪、铯光泵磁力仪等光泵磁力仪。

本实用新型上述结构中所述的地磁矢量观测平台，可选择去掉磁通门部件后的无磁经纬仪或替换掉钢铁质材料的普通经纬仪替代。

本实用新型所述的圆形线圈直径比探头直径长3～4毫米，矩形线圈短边长度比圆形线圈直径长3～4毫米，矩形线圈长边的长度比探头长度长3～4毫米。

本实用新型所述线圈为特定设计方案：垂直线圈半径为R，线圈组中第一线圈A₁与第三线圈A₂与第五线圈A₃的匝数比为3.4551667 : 1.3477373 : 1，第一线圈A₁和第二线圈A₆的匝数相同，间距2c为2.38786748R;第三线圈A₂和第四线圈A₅匝数相同，间距2b为1.07401394R;第五线圈A₃和第六线圈A₄匝数相同，间距2a为0.32510610R；线圈组中水平线圈短边边长为2d、长边边长为2e，在 55mm < 2d < 75mm、140mm < 2e < 200mm范围内，第七线圈B₁与第九线圈B₂与第十一线圈B₃的匝数比为4.4 : 1.39 : 1，第七线圈B₁和第八线圈B₆匝数相同，间距2j为2.70956d-0.0204e;第九线圈B₂和第十线圈B₅匝数相同，间距2i为1.12888d+0.00074e;第十一线圈B₃和第十二线圈B₄匝数相同，间距2h为0.33844d+0.00022e;线圈间距以及匝数比均按照特定算法精密确定。使得线圈组内可产生大范围的高均匀度磁场。

根据电磁场理论，若圆线圈的半径为R，第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为w，第一线圈A₁与第五线圈A₃的匝数比和第二线圈A₆与第六线圈A₄的匝数比均为m₁，第三线圈A₂与第五线圈A₃的匝数比和第四线圈A₅与第六线圈A₄的匝数比均为n₁，第五线圈A₃和第六线圈A₄的间距为2a，第三线圈A₂和第四线圈A₅的间距为2b，第一线圈A₁与第二线圈A₆的间距为2c，电流为I，6个垂直线圈组合在轴线上磁场分量的计算式为：

B_x为μ₀*R^2*I*w*(1/(R^2+(a-X)^2)^(3/2)+1/(R^2+(a+X)^2)^(3/2)

+ n₁/(R^2+(b-X)^2)^(3/2)+ n₁/(R^2+(b+X)^2)^(3/2)

+ m₁/(R^2+(c-X)^2)^(3/2)+ m₁/(R^2+(c+X)^2)^(3/2))/2

式中μ₀＝4π×10^－７H/m，为真空磁导率；R、w、I均为确定的常量，a、b、c、m₁、n₁为设计参数；a是第五线圈A₃和第六线圈A₄间距2a的一半间距；b是第三线圈A₂和第四线圈A₅间距2b的一半间距；c是第一线圈A₁与第二线圈A₆间距2c的一半间距；X为轴上一点到线圈组中心O的距离，为自变量。

所述垂直线圈匝数和间距由如下方法确定：在上式对X的各偶数阶导数在坐标原点都等于零时，线圈组内部的磁场最均匀。忽略高阶小量，使得2、4、6、8、10阶导数在坐标原点都等于零时，线圈组内部的磁场已经具有足够高的均匀度，可很好地满足光泵磁力仪对附加磁场均匀度的要求。求取上述各阶导数，进而确定各线圈之间的2a、2b、2c、m₁、n₁相互关系如下：

2a为0.32510610R;

2b为1.07401394R;

2c为2.38786748R;

m₁为3.4551667;

n₁为1.3477373。

根据电磁场理论，6线圈共轴平行排列，第七线圈B₁和第八线圈B₆匝数相同，第九线圈B₂和第十线圈B₅匝数相同，第十一线圈B₃和第十二线圈B₄匝数相同，线圈匝数为w。第七线圈B₁与第十一线圈B₃匝数比m₂，第九线圈B₂与第十一线圈B₃匝数比n₂，第十一线圈B₃和第十二线圈B₄间距2h，第九线圈B₂和第十线圈B₅间距2i，第七线圈B₁和第八线圈B₆间距2j，6个共轴矩形线圈组成的水平线圈组在轴线上磁场分量的计算公式为：

B₁为μ₀Iwd*e*(

1/((e^2+d^2+(h-z)^2)^(1/2))*(1/(d^2+(h-z)^2)+1/(e^2+(h-z)^2))

+ n₂/((e^2+d^2+(i-z)^2)^(1/2))*(1/(d^2+(i-z)^2)+1/(e^2+(i-z)^2))

+ m₂/((e^2+d^2+(j-z)^2)^(1/2))*(1/(d^2+(j-z)^2)+1/(e^2+(j-z)^2))

+1/((e^2+d^2+(h+z)^2)^(1/2))*(1/(d^2+(h+z)^2)+1/(e^2+(h+z)^2))

+ n₂/((e^2+d^2+(i+z)^2)^(1/2))*(1/(d^2+(i+z)^2)+1/(e^2+(i+z)^2))

+ m₂/((e^2+d^2+(j+z)^2)^(1/2))*(1/(d^2+(j+z)^2)+1/(e^2+(j+z)^2)))/pi

式中μ₀＝4π×10^－７H/m，为真空磁导率；I为流过线圈的电流；w、I、2d、2e均为确定的常量，h、i、j、m₂、n₂为设计参数；h为第十一线圈B₃和第十二线圈B₄间距2h的一半间距；i为第九线圈B₂和第十线圈B₅间距2i的一半间距；j为第七线圈B₁和第八线圈B₆间距2j的一半间距；e为矩形线圈长边边长2e的一半边长；d为矩形线圈短边边长2d的一半边长；z为轴上一点到线圈组中心O的距离，为自变量。

所述水平线圈匝数和间距由如下方法确定：在上式对Z的各偶数阶导数都等于零时，线圈组内部的磁场最均匀，忽略高阶小量，在2、4、6、8、10阶导数都等于零时，线圈组内部的磁场已经具有足够高的均匀度，可很好地满足光泵磁力仪对附加磁场均匀度的要求。求取上述各阶导数，进而确定各线圈之间的2h、2i、2j、m₂、n₂相互关系如下，适用条件：55mm<2d<75mm、140mm<2e<200mm：

2h为0.33844d+0.00022e;

2i为1.12888d+0.00074e;

2j为2.70956d-0.0204e;

m₂为4.4;

n₂为1.39;

由上述方案可知，线圈组内部各线圈之间的间距以及各矩形线圈之间的匝数比均与线圈大小（半径或边长）有关。线圈组各参数具体如下：

1、圆线圈组：

按照略大于探头直径的原则选取适当的线圈半径R、根据所需建立的均匀磁场强度选定线圈组最内侧两个线圈，即：第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数w，按照关系式：

2a为0.32510610R;

2b为1.07401394R;

2c为2.38786748R;

m₁为3.4551667;

n₁为1.3477373;

确定第五线圈A₃和第六线圈A₄的间距2a，第三线圈A₂和第四线圈A₅的间距2b，第一线圈A₁与第二线圈A₆的间距2c，第一线圈A₁和第二线圈A₆的匝数m₁w，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数n₁w。

即：内侧的两个圆线圈第五线圈A₃和第六线圈A₄的间距2a为0.3251061R；次外侧线圈第三线圈A₂与内侧线圈第五A₃线圈的匝数比n₁为1.3477373，次外侧两个线圈第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数为1.3477373w，第三线圈A₂和第四线圈A₅的间距2b为1.07401394R；最外侧线圈第一线圈A₁与内侧线圈第五线圈A₃的匝数比m₁为3.4551667，最外侧的两个线圈第一线圈A₁、第二线圈A₆的匝数为3.4551667w，第一线圈A₁与第二线圈A₆的间距2c为2.38786748R。

2、矩形线圈组：

先根据略大于探头长度及圆线圈组的直径的原则确定线圈短边边长、长边边长，根据所需建立的均匀磁场强度选定最内侧线圈，即第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数W，在适用于常见的光泵磁力仪探头范围55mm<2d<75mm、140mm<2e<200mm内，按照关系式：

2h为0.33844d+0.00022e;

2i为1.12888d+0.00074e;

2j为2.70956d-0.0204e;

m₂为4.4;

n₂为1.39;

确定第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的间距2h，第九线圈B₂和第十线圈B₅的间距2i，第七线圈B₁与第八线圈B₆的间距2j，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数m₂w，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数n₂w。

即：内侧的两个矩形线圈第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的间距2h为0.33844d+0.00022e；次外侧线圈第九线圈B₂与内侧线圈第十一线圈B₃的匝数比n₂为1.39，次外侧两个线圈第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数为1.39w，次外侧两个线圈第九线圈B₂和第十二线圈B₅的间距2i为1.12888d+0.00074e；最外侧线圈第七线圈B₁与内侧线圈第十一线圈B₃的匝数比m₂为4.4，最外侧的两个线圈第七线圈B₁、第八线圈B₆的匝数为4.4w，最外侧两个线圈第七线圈B₁与第八线圈B₆的间距2j为2.70956d-0.0204e。

本实用新型进一步优选的方案是：圆线圈组线圈直径为58～68mm，最内侧的两个线圈第五线圈A₃和第六线圈A₄间距2a为9.43~11.06mm，次外侧的两个线圈第三线圈A₂和第四线圈A₅间距2b为31.15~6.52mm，最外侧的两个线圈第一线圈A₁与第二线圈A₆间距2c为69.25~81.19mm, 第一线圈A₁、第三线圈A₂和第五线圈A₃间的匝数分别为3匝、4匝和10匝。优选的矩形线圈短边边长为62～72mm，长边边长为145～198mm，最内侧的两个线圈第十一线圈B₃和第十二线圈B₄间距2h为10.52～12.20mm，次外侧的两个线圈第九线圈B₂和第十线圈B₅间距2i为35.08～40.70mm，最外侧的两个线圈第七线圈B₁和第八线圈B₆间距2j为81.93～96.03mm, 第七线圈B₁、第九线圈B₂和第十一线圈B₃间的匝数分别为5匝、7匝和22匝。

本实用新型所述垂直线圈组和水平线圈组各由6个对称分布，大小相同，相互平行，线圈匝数和间距不同的共轴线圈同方向串联组成，各线圈中心点连线均垂直于各自的线圈平面。

本实用新型的优选方案如下：

本实用新型提供的优选方案之一：探头的直径是64mm，长度是141mm，6个垂直线圈上下分布，6个垂直线圈直径均为68mm，其中第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为3匝、间距为11.06mm，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数均为4匝、间距为36.52mm，第一线圈A₁和第二线圈A₆的匝数均为10匝、间距为81.19mm，6个水平线圈的短边长度是72mm，长边长度是145mm，线圈中第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数均为5匝、间距为12.20mm，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数均为7匝、间距为40.70mm，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数均为22匝、间距为96.03mm，套有线圈的探头竖直安装在望远镜支架上方的横梁中部。

本实用新型提供的优选方案之二：探头的直径是63mm，长度是160mm，6个垂直线圈上下分布，6个垂直线圈直径为66mm，其中第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为3匝、间距为10.73mm，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数均为4匝、间距为35.44mm，第一线圈A₁与第二线圈A₆的匝数均为10匝、间距为78.80mm，6个水平线圈的短边长度为70mm，长边长度为164mm，线圈中第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数均为5匝、间距为11.87mm，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数均为7匝、间距为39.61mm，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数均为22匝、间距为93.00mm，套有线圈的探头竖直安装在望远镜支架上方的横梁中部。

本实用新型提供的优选方案之三：探头的直径是55mm，长度是195mm，6个垂直线圈上下分布，6个垂直线圈直径为58mm，其中第五线圈A₃和第六线圈A₄的匝数均为3匝、间距为9.43mm，第三线圈A₂和第四线圈A₅的匝数均为4匝、间距为31.15mm，第一线圈A₁与第二线圈A₆的匝数均为10匝、间距为69.25mm，6个水平线圈的短边长度为62mm，长边长度为198mm，线圈中第十一线圈B₃和第十二线圈B₄的匝数均为5匝、间距为10.52mm，第九线圈B₂和第十线圈B₅的匝数均为7匝、间距为35.08mm，第七线圈B₁和第八线圈B₆的匝数均为22匝、间距为81.93mm，套有线圈的探头竖直安装在望远镜支架的侧面。

本实用新型提供的进一步方案是：电源和地磁总场光泵磁力仪分别安装在三角架的支腿上，三角架上安装地磁矢量观测平台，探头固定在望远镜支架的中心部位或固定在望远镜支架的侧部。各种结构的特定安装分布，可使本实用新型达到体积小，便于携带，使用方便，快捷测量达到测量精度高等效果。

本实用新型更进一步的优选方案是：三角架上设置底板，底板与至少2个倾斜的伸缩杆一端铰接，伸缩杆的另一端与安装板铰接，安装板上分别安装转轴和电机，伸缩杆绕转轴的轴线均匀分布，转轴上设置转盘，转盘外周设置固定齿，电机的输出轴上安装齿轮，齿轮与固定齿啮合，转盘上表面中部与地磁矢量观测平台连接，转盘上表面侧部安装水平仪。它可使本实用新型适用于各种测量地理位置，各种测量地形环境，进一步保证测量时三角架上的仪器始终保持水平状态，使测量的精准度进一步得到保证，所述伸缩杆优选3-6个，均匀分布在底板四周。

本实用新型所述三角架上安装固定板，固定板与底板间设置吸盘，吸盘的上部与底板连接，吸盘的下部与固定板连接。这些结构进一步保证测量的方便性及精准度。

本实用新型采用的由垂直和水平的小线圈组构成的线圈的分布如图2所示。

本实用新型未详述内容均为公知技术。