下面是小编精心推荐的《磁力仪研究论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。摘要：对环形激光磁力仪的特性进行了分析。首先推导了灵敏度，发现当采用低吸收铽玻璃时，理论灵敏度达1pT/Hz1/2量级，基本满足探潜的灵敏度要求。接着与光泵量子磁力仪进行了比较，表明环形激光磁力仪具有动态范围大、工程适应性好、响应速度快、信号处理简单等优点。
磁力仪研究论文 篇1：
试析海洋磁力仪的应用姜进胜
摘 要:目前来说,磁力仪分为质子旋进式与光泵式两种基本类型,本文就围绕着质子旋进式与光泵式两种海洋磁力仪对其应用展开了探讨,并且对质子旋进式海洋磁力的一个发展分支——Sea Spy磁力仪的原理及应用进行了介绍,最后,对海洋磁力仪的其他应用做了简要概述。
关键词:质子旋进式 光泵式 Sea Spy
人们在早期的生产实践活动中就已经对地磁场有了初步的认识,磁力线是从地球的北极出发一直延伸到地球的南极的,随着时间的推移,科技在不断进步,磁力仪的种类发展越来越来多。众所周知,磁法勘测在海洋地理调查中起着至关重要的作用,所以海洋磁力仪的普及使用也在海洋调查中大面积开展起来。
1 海洋磁力仪的原理与应用
在被大家熟知每一片地球区域,相关磁力场都是有规律的存在与分布着的。某一区域的的磁力场如果受到外界铁质物体的入侵,则这个磁力场将会受到铁质物体在磁力场中产生的相对于本磁力场的外力作用,从而对该磁力场造成干扰。这些外力干扰基本上都是存在于这个入侵的铁质物体的周围的。磁力在磁场中的相关应用可以帮助工作人员测量出某个地球区域的磁场强度,如果磁场受到外来入侵,导致了场强变化,放置在其中的磁力仪也会相应地改变磁力数值,由于能够改变磁力场的物质都是铁磁物质构成的,所以磁力仪能够勘测出任何会使磁力场发生改变的物体,同样,磁力仪的使用能够满足人们的应用需要。海洋磁力仪就是测量地球磁力场强度的一款精度很高的测量设备。磁力仪的两种基本类型分为质子旋进式与光泵式两种,Sea Spy磁力仪是质子旋进式的一个发展分支,它也属于质子旋进式。
1.1 质子旋进式磁力仪
标准质子旋进式磁力仪是将少量附有氢原子核的液体,比如说甲醇或者煤油之类的,装入其传感器中。在这些液体中,除了氢原子核能够显示较为微弱的磁矩,其的自旋磁矩并没有被抵消,液体中的其他分子的自旋、电子轨道以及原子核自选的所有相关磁矩都被成对地进行了彼此抵消。氢原子在外磁场强度为零值时的磁矩取向是任意无规则的。
当传感器中富含氢原子的液体周围被附加上了由线圈产生的强大的人造磁场,则这个然早磁场会引起液体中的大量质子向同一方向自旋,并且这些质子的排列方向都是定向地以人造磁场方向为自旋轴进行排列的。一旦这种人造磁场消失,就会发生质子旋进现象,具体表现为氢原子在地磁场力与其的原本持有的自旋惯性的相互作用下以同样的相位往磁场方向旋进。
在质子旋进的初期阶段,由于质子的相位相同,通过其磁性的宏观显示,质子有周期性在容器外的线圈进行切割,从而发出相应地电感应的信号,切割频率与其的旋进频率是大体相同的。但是热搅动会引起进动一致性的降低,这就会使得电感应信号也随之发生很大的改变,具体表现为电感应信号的急剧下降,所以,要在衰变钱的0.5s也就是心噪值较高时来对质子的旋进频率进行详细具体的测量。然后通过对旋进信号的频率测量结果的出地磁场的场强大小。
1.2 Sea Spy磁力仪
Sea Spy磁力仪作为质子旋进式磁力仪的发展与延伸,虽然它也是以质子自旋共振原理为基础的,但是其较质子旋进磁力来说还是做了相当大的改进的。Sea Spy磁力仪的相关效应是通过电子-质子的偶合现象达到质子极化这一目标的,这是Sea Spy磁力仪与质子旋进最大的不同之处。Sea Spy磁力仪是将一种经过特殊处理的富含着带有一个游离电子的放射性原子的相应的化学试剂添加到富质子液体当中。其中的游离电子在暴露于某种特定的跃迁能级较低的低频射线中被有效地激发,它将自己的能量就近传给相近的质子,但是并不辐射出射线来释放相关能量,这样在对质子的极化时就不需要施加过于强大的人造磁场。
Sea Spy磁力仪最大输出信号是由相关的化学试剂来决定的,其预输入传感器的能量并无太大关系。所以,只使用l～2W的能量磁力仪传感器就能够清楚产生相关的强大进动信号,这是标准的质子磁力仪则即使耗费上千瓦的能量也无法匹敌的,Sea Spy磁力仪很大程度上提高了质子磁力仪的可用信息量,相比于标准的,其的采样频率是相当高的。Sea Spy磁力仪拥有着标准质子磁力仪同样的优良精确特性,其也具有很强的长期稳定性,所以,Sea Spy磁力仪作为质子磁力仪的扩展与延伸,其更具灵敏度,对电能的节约也是很明显,带宽更大。
1.3 光泵磁力仪
光泵磁力仪是在20世纪中期出现的的新型磁力仪器,其可以进行连续观测,对周围磁场的梯度要求不是特别严格,不需要具体定向,无零点漂移而且灵敏度是十分高的。光泵磁力仪在接通传感器的电源后,磁力仪射灯振荡器的RP功率会逐渐增强至整个射灯都开始发光,而后降低振荡器的相应功率,使其光线可进行调控,吸收室由于强光的照射温度会逐渐变高,使得铯原子发生物理变化,气化成蒸汽。
在以上过程中,相应光线会经过一个透镜变成平行光线,而后经过滤波器,产生具有特定波长的光线,然后再通过偏振镜使得其产生极化方向相反的两束光线,让其射向吸收室,这两束光线分别通过吸收室中的两个被看做独立的的分室中的,光线在通过吸收室后,再经过其中第二个透镜使其聚焦在相应地光敏元件上,最后通过检测光电流的变化放大取得地磁场强的最终测定。
2 海洋磁力仪的其他应用
海洋磁力仪的操作实际上是非常简单的,磁力仪一般经过基本测试后,在以后几个月内的实际使用中都不需要做大的调整,不过在每次的船上作业前还是建议检修海洋磁力仪,确保机器的正常运转,在航海船只受地域以及风浪影响的时候,经常会出现船上铁制品的客观遗失,在样的情况下就可以应用海洋磁力仪,其可以发挥很大的作用。
综上可知,海洋磁力仪作为海洋工程中的重要勘测工作,因其精度高、准度好,深度跨度大优良特点,越来越广泛地应用在海洋工程磁力勘测工作中,为航海事业的发展推波助澜。
参考文献
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[2] 徐家声,张效龙,裴彦良.我国近海磁力仪探测海缆的方法及其结果分析[A]. 第二届全国海底光缆通信技术研讨会论文集[C],2009.
[3] 蔡建平.海洋磁力仪探测应用的探讨[A].第三届长三角科技论坛(测绘分论坛)暨2006江苏省测绘学术年会论文集[C],2006.
[4] 冯志生,张苏平,梅卫萍,等.FHD质子磁力仪数字化资料的分析与应用[A].中国地震学会第11次学术大会论文摘要集[C],2006.
作者：朱云
磁力仪研究论文 篇2：
环形激光磁力仪的特性分析
摘 要：对环形激光磁力仪的特性进行了分析。首先推导了灵敏度，发现当采用低吸收铽玻璃时，理论灵敏度达1 pT/Hz1/2量级，基本满足探潜的灵敏度要求。接着与光泵量子磁力仪进行了比较，表明环形激光磁力仪具有动态范围大、工程适应性好、响应速度快、信号处理简单等优点。然后讨论了激光陀螺技术的发展对环形激光磁力仪的支撑作用，如微晶玻璃加工工艺、镀膜技术、异面腔设计、电子细分技术等。最后分析了磁光玻璃Verdet常量温度系数的影响。上述分析表明，环形激光磁力仪具有其独特的优势和特点，值得深入研究。
关键词：磁力仪 环形激光器 灵敏度 温度
高灵敏度磁力仪在航空磁探、地球磁场测量以及军事反潜等领域具有广泛的应用[1-2]。目前主流的高精度磁力仪为各种量子磁力仪，包括Overhauzer质子磁力仪、原子光泵磁力仪、超导磁力仪和新型原子磁力仪，它们各有特点。Overhauzer质子磁力仪发展较早，灵敏度在0.01nT/Hz1/2的量级，不存在盲区（dead zone）和航向误差（heading error），缺点是梯度容忍度较小、采样率较低。原子光泵磁力仪有光泵K、Rb、Cs和He磁力仪，其中K和He磁力仪灵敏度优于1pT/Hz1/2，但盲区和航向误差对它们的应用产生了一定限制，而且跟踪速度较慢。超导磁力仪灵敏度高达1fT/Hz1/2，最大问题是需要庞大的低温系统，不便于使用。新型原子磁力仪如SERF磁力仪理论灵敏度可达1aT/Hz1/2，但只能在极弱的磁场环境下工作[1]。在20世纪80年代，张书练教授提出利用环形激光实现弱磁测量的方案[2-4]，并进行了一系列的理论和实验研究，但限于当时磁光玻璃吸收较大、玻璃管激光器稳定性和工程适用性较差等不利因素，环形激光磁力仪未能实用。随着激光技术和工艺的进步，限制环形激光磁力仪灵敏度的很多因素已经得到解决，再考虑到环形激光磁力仪不存在盲区和航向误差、不受磁场梯度影响以及采样率高等优点，因此值得深入研究。该文对环形激光磁力仪的特性进行了分析，重点是灵敏度和温度稳定性，对环形激光磁力仪研制具有一定的参考作用。
1 环形激光磁力仪灵敏度分析
1.1 原理简介
环形激光磁力仪原理如图1所示[5]。反射镜M1-M4构成一个环形谐振腔，90度石英晶体旋光器使环路中运行圆偏振光并抑制线偏振光振荡，这时在谐振腔中一个纵模将分裂为4个，分别为左旋顺时针、左旋逆时针、右旋顺时针和右旋逆时针模，其中左旋（LCP）模和右旋（RCP）模的频率间隔为。在磁场作用下磁光玻璃使左旋和右旋的对模再次产生频率分裂，
（1）
式中：为磁光玻璃的Verdet常量，B为沿光路方向的平均磁场强度，l为磁光玻璃长度，c为真空光速，L为环形腔长度。式（1）表明，磁光频率分裂与磁场强度成正比，将左旋和右旋模的频差求和可使灵敏度增大一倍，而且还可以抑制Sagnac效应的影响。
1.2 灵敏度分析
在早期，磁光玻璃对光的吸收是限制其灵敏度的主要因素，但目前磁光玻璃的吸收系数已经较低。以西安奥法公司生产的MR3-2磁光玻璃为例，其Verdet常量为96 rad/（T.m），吸收系数小于0.001/cm。设环形激光器腔长为50 cm，磁光玻璃长为20 cm，谐振腔单程损耗为，单程增益为0.05，输出镜透过率为，输出功率0.1 mW，可求出磁力仪比例因子为：
（2）
即1 Hz相当于0.123nT。
环形激光磁力仪的极限精度由频率不确定度决定。激光器空腔线宽为：
MHZ （3）
激光线宽为：
（4）
式中为普朗克常量，为激光波长。
当取样时间为时，由于激光频率波动导致的频差测量不确定度为[7]：
（5）
将比例因子代入，可得激光磁力仪的灵敏度为1pT/Hz1/2，与AN/ASQ-208 型4He光泵磁探仪的灵敏度相当。
2 环形激光磁力仪特性分析
2.1 优点
与量子磁力仪相比，环形激光磁力仪的优点有：（1）动态范围大。根据环形激光陀螺的研制经验，环形激光器的频差稳定性可达0.01 Hz，最小可测频差达0.01 Hz，而最大磁光频率分裂在10 MHz以上（主要由探测器带宽决定），因此环形激光磁力仪的测量范围可从1 pT到1 mT以上，跨越9个数量级。（2）工程适应性好。环形激光磁力仪是基于经典光学原理的传感器，不存在盲区、航向误差和磁场梯度容忍度问题，具有良好的工程适应性。（3）响应速度快。激光磁力仪利用激光振荡频率随磁场变化的原理，由于光场的建立在us量级，因此对磁场的变化响应迅速，可以实现对磁场的快速跟踪。（4）信号处理简单。环形激光磁力仪所测磁场信号直接反映在左旋模式和右旋模式拍频之和上，因此，利用光电探测器将激光信号放大后直接测量频率即可测出磁场强度。
2.2 激光陀螺技术对环形激光磁力仪研制的支撑
环形激光磁力仪与四频差动激光陀螺[8]采用相同的结构，只是前者利用左旋模和右旋模拍频之和与磁场成正比的原理，后者利用两者之差与角速度成正比的原理。经过40多年的发展，四频差动激光陀螺技术已经比较成熟，因而可有力地支撑环形激光磁力仪的研制，表现在：（1）激光陀螺普遍采用微晶玻璃加工，而微晶玻璃的热膨胀系数比石英玻璃小两个量级，机械稳定性更好，因此采用微晶玻璃制作环形激光器非常便于环形激光磁力仪的工程化。（2）激光陀螺研制促进了高反射和增透膜技术的发展，目前高反膜损耗小于20ppm，增透膜损耗小于200ppm，减小了反射损耗，而激光腔内损耗的降低有利于增强灵敏度。（3）利用异面腔可以代替石英旋光器来实现圆偏振光运转，进一步降低了腔损耗，提高了激光频率稳定性。（4）得益于电子技术的进步，激光陀螺的电子系统已经实现了小型化和工程化，如用来激发He-Ne放电管的高压电源电路、用来提高频率稳定性的稳频电路、用来提取传感信息的光电探测电路等都非常成熟，稍作改动或不用改动就可用于环形激光磁力仪。最显著的进步是高精度频率测量方法的发展，能够以优于0.01 Hz的测频准确度测出磁光频率差。（5）当磁光分裂较小时，环形激光器中两个模式频率将会锁定在一起，因此无法测量极弱磁场（以1 kHz的闭锁为例，低于1250 nT的磁场将无法测量）。激光陀螺采用频率偏置技术人为施加一个较大的频差使激光陀螺的工作点离开锁区，这种技术同样可以用于环形激光磁力仪。
2.3 温度敏感问题
温度敏感问题是影响环形激光磁力仪精度的一大问题。温度主要通过谐振腔长度和Verdet的温度系数而影响磁力仪的精度，其中腔长变化引起的磁光频差变化为：
（6）
式中为腔长变化引起的激光频率变化。
对四频环形激光器，短期稳频精度优于0.5 MHz，相对稳定度优于10-10。在待测磁场强度小于0.1 mT时，由稳频不稳定引入的误差完全可以忽略。另一项为Verdet常量的温度系数对传感器的影响，在常温下，铽玻璃Verdet常量的相对温度系数为[5]：
（7）
该系数严重影响了比例因子准确度，因此必须采取温度控制措施。设温度控制精度为0.001 K，这时Verdet常量温度变化导致的测量相对误差为，当待测磁场强度为0.1 mT时，测量精度为0.34nT。待测磁场越小，所导致的绝对测量误差越小。减小温度敏感性的另一方案是采用抗磁性磁光玻璃，如采用SF57，其Verdet常量是铽玻璃的0.2倍，因此同等条件下灵敏度要降低到6pT/Hz1/2，但抗磁性玻璃的温度系数非常小，采取温度控制措施后，可基本消除Verdet温度变化的影响。
3 结语
环形激光磁力仪灵敏度在1pT/Hz1/2的量级，基本满足反潜磁探的灵敏度要求，而且与量子磁力仪相比，它具有动态范围大、工程适应性好、响应速度快等优点。但环境温度的变化对环形激光磁力仪的测量准确度有较大的影响，因此有必要对相应解决方案进行研究。
参考文献
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作者：雷雯 李佳佳
磁力仪研究论文 篇3：
蒙城国家野外观测研究站F值一致性的初步分析
摘要：蒙城国家野外观测站现有GM-4磁通门磁力仪、G-856质子旋进磁力仪，GSM-19T质子旋进磁力仪三套地磁仪器，对仪器测量的总强度F观测数据，进行趋势变化、均值、差值以及基线值的对比分析，认为台站仪器F的观测数据具有较高的观测精度和一致的变化趋势，仅存在较小的差别，达到了国内高精度地磁观测的水平。
关键词：F值；差值；数据对比；野外观测研究站；一致性；高精度地磁观测 文献标识码：A
由于地磁场具有全球性的特点，使得可以利用多台数据对比，正确分析地磁数据。与此同时，随着绝对观测技术的发展及各台站数字化仪器的配备，使得地磁台站能够实现高精度和高准确度的数据观测。对于同一台站配备多套仪器的情况，根据多套不同仪器获取的相同分量的数据进行对比分析，可以及时有效地分析本台站数据的可靠性。理论上，对于同地、同时间的地磁场总强度F应该完全相同，但受各种误差的影响，从不同仪器获取的地磁场总强值并不可能完全相同。通过对蒙城台GM-4磁通门磁力仪、G-856质子旋进磁力仪、GSM-19T质子旋进磁力仪的记录数据进行对比分析，通过对比三套仪器的总强F观测数据，研究三套仪器的相关性，验证各套仪器的观测精度。
1 场地和仪器
蒙城地震台位于皖西北蒙城县境内的黄柏山上，台站地处郯庐断裂带的西侧，北西向的涡河断裂从台站南东侧通过。台基主要是震旦系砂岩及第四纪覆盖层，周围地区覆盖在100～300m。岩石出露为尖山、黄伯山、施连山、狼山等南北走向的低山。该地区地质构造复杂，有隐伏NW向的板桥集断层通过。观测室附近磁场分布均匀，磁场平均梯度小于1nT/m。台站现有G-856质子旋进磁力仪、GSM-19T质子旋进磁力仪以及GM-4磁通门磁力仪，观测资料连续、稳定、可靠。本文通过对G-856和GSM-19T的世界时13点（北京时21点）值进行初步对比分析，结合GM-4数据检验蒙城地震台各套地磁观测仪器的工作状态及绝对观测对相对记录的控制水平。
GM-4磁通门磁力仪于2007年投入使用，为秒采样仪器，记录垂直分量Z、水平分量H、磁偏角D三个分量数据，连续记录磁场变化，分辨率为0.1nT。自投入使用以来，仪器运行正常，极少出现数据断记现象，已产出多年连续稳定可靠数据。
G-856质子旋进磁力仪于2007年投入使用，用于测量地磁场总强度，仪器使用过程中不能进行连续测数，一次测数完成后需要几秒钟才能进行第二次测数，每日世界时13点（北京时21点）手工测量总强，同时配合CTM-DI仪进行绝对观测，近年来产出数据可靠稳定。
GSM-19T质子旋进磁力仪于2013年投入使用，由加拿大GEM公司生产，用于测量地磁场总强度，与G-856一样需要每日世界时13点（北京时21点）进行手工测数。仪器性能稳定、数据可靠，已产出2年数据。2014年10月至2015年9月，一年时间内，三套仪器运行稳定，未出现断记或仪器故障的情况。由于台站位置偏远，远离城镇、道路、工厂企业等干扰因素，观测环境优良。G-856与GSM-19T主要性能参数如表1中所示：在灵敏度、分辨率、绝对精度、动态范围、梯度容差、工作温度及存储容量等性能方面，GSM-19T均优于G-856质子磁力仪。通过对台站两套仪器进行比测，测试结果中，G-856磁力仪仪器差的均方差为0.90nT，点位差的均方差为0.54nT；GSM-19T磁力儀仪器差的均方差为0.13nT，点位差的均方差为0.30nT。
G-856和GSM-19T磁力仪均通过RS232接口下载观测数据，而观测数据的文件格式有所不同，G-856磁力仪数据输出文件为stn格式，运用MagMap2000导入后输出dat格式文件数据。GSM-19T磁力仪数据输出文件为txt格式，在后期的数据通化处理中，需注意格式的统一。
台站绝对观测仪器使用国产的CTM-DI磁通门经纬仪。仪器分辨力为0.1nT，零场偏移为±1nT，系统噪声小于0.2nT，环境温度为-10℃～40℃。全年累计一共进行超过100次绝对观测，每次观测三组数据，从中选取两组数据，分别为相对记录GM-4的H分量和Z分量做基线。相对记录GM-4全年无数据丢失和仪器中断现象，资料连续率及完整率均达到100%。G-856、GSM-19T全年工作记录状态良好，连续率为100%，未出现迟记、漏记现象。
2 资料选取以及对比分析
本文选取台站2014年10月1日至2015年9月30日，G-856和GSM-19T两套仪器的世界时13点F值，进行对比分析。为检验三套仪器观测资料的精度、稳定性及一致性等，对所选取时间段内世界时13点的整点值分别进行F值一致性检验和差值分析，最后对基线观测值进行精度和稳定性分析。GM4磁通门磁力仪测定地磁场总强度F，是根据仪器直接测量的水平分量H和垂直分量Z按照F=（H2+Z2）1/2，
其中H和Z分量需要经过基线值改正后才能使用。图1给出了2014年10月至2015年9月G-856和GSM-19T世界时13点观测的数据，两套仪器的数据图形具有很好的一致性。
通过对这两组数据进行相关系数分析，得到相关系数为0.99775，说明两套仪器测得F相关性很高。对两套仪器世界时13点的数据做差，得到两组数据的差值，利用软件将这这组数据作图，得到如图2所示结果，由图2可以清晰地看到，两组数据的差值基本控制在4～5.5nT的区间内，偶尔有超出部分，可能与磁场扰动强度有关。
台站选用的2014年10月至2015年9月GM-4仪Z分量的基线值离散性较好。只是在2014年10月、2015年6月，基线值的选取离散性较大，与表3中的均方差变化有较好的对应关系。
3 分析与讨论
（1）G-856、GSM-19T与GM-4计算出的F值的相关系数在0.95以上，说明3套仪器的观测数据质量都很高，尤其是G-856与GSM-19T相关系数达到0.99以上，说明仪器具有较高的精度和一致性；（2）绝对观测质量的好坏直接影响到相对记录仪器的基线值，进而对观测报告中的绝对值也会产生较大影响。通过差值分析，可及时发现观测中的问题。G-856与GSM-19T均可以配合DI进行绝对观测，而且数据可以用于对比参考分析；（3）GSM-19T质子磁力仪无明显系统误差。相对于G-856仪器，其在仪器灵敏度、分辨率、精度、一致性、测量便利程度等方面具有明显优势；（4）G-856和GSM-19T相关性很好，差值在一定范围内变化，而这种变化的主要原因是由于仪器墩差造成的，差值超出区间范围的大部分情况为磁场扰动比较大的时间段。
4 结语
通过对上述资料的分析与对比，可以看出，数字化仪器G-856和GSM-19T对地磁场F值的记录结果一致性较高，具有很高的观测精度和温度性。其观测数据连续可靠，已达到国内高精度地磁观测水平。两套仪器相互配合，可以通过对比数据变化发现两个仪器的稳定性，当其中一台仪器出现故障时，另一台可以替代使用，保证台站总强F观测的连续稳定，对资料的准确性起到了很好的对比监督作用。
参考文献
[1] 胡秀娟，李细顺，高登平，王利兵，刘立申.红山地磁台F值一致性的初步分析[J].地震地磁观测与研究，2009，（30）.
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[3] 孙海军，阿里木江·麦麦提明.喀什地磁台新旧台址观测一致性分析[J].地震地磁观测与研究，2008，29（4）.
（责任编辑：蒋建华）
作者：应允翔 汪继林 王飞 刘红飞 张明明