一种海洋环境地磁场三分量的测量方法
文章编号:1009-3486(2005)06-0080-04
一种海洋环境地磁场三分量的测量方法
3
闫 辉,肖昌汉
(海军工程大学电气与信息工程学院,湖北武汉430033)
摘 要:提出了一种利用安装在舰船上的三分量磁传感器进行地磁场测量的方法.从理论上解决了在任意舰船姿态下,消除测量中舰船磁场干扰的问题.为测量船在海上测量地磁场的三分量奠定了理论基础.根据我国舰船普遍安装的导航设备的精度,进行了计算机仿真.从仿真结果看,其误差不超过50nT ,能够满足舰载消磁系统对三分量磁场的精度要求.
关键词:地磁场;测量船;消磁系统
中图分类号:T M 154.3 文献标识码:A
A method of measuring three component geomagnetic field on ocean
YAN H ui,XIAO Chang han
(College of Electrical and Information Engineering,Naval Univ.of Engineering,Wuhan 430033,China)Abstract:A m ethod is presented to measure the three component geom ag netic field w ith a magnetic sensor equipped on a ship.It theor etically so lves the pro blem of how to eliminate the disturbance of the ship s magnetic field in any moving condition,and constructs the theor etical base for surveying ships to measure the three co mponent geom ag netic field at sea.A sim ulation is do ne according to the precision of the navig ation systems that are equipped on ships in o ur countr y.T he result of the simu lation can reach 50nT in precisio n,w hich can m eet the requir ed pr ecision of the degaussing sy stem on ship.
Key words:magnetic field;surveying ship;degaussing sy stem
测地磁消舰磁 是舰载消磁系统所采用的消磁方法,但对有些舰船来讲,安装磁传感器难度较大.如果能够预先测量出舰船航行海域的地磁场值并建立数据库,那么舰船在航行的过程中就可以根据当地的地磁场值进行消磁系统的电流调整,从而改善舰载消磁系统的控制方法.
目前,地磁场数据的获得主要是通过建立地磁模式组的方法.国际地磁学与高空大气物理学协会(IAGA)的一个专门小组每5年公布一次国际地磁参考场(IGRF),我国则每10年出版一次中国地磁图[1].这2种地磁场模型的建立,其数据大都来自陆地上的地磁台站,而海洋上特定地点的地球磁场还受当地的地理构造等诸多因素的影响而具有特殊性.这就导致了全球地磁场模型和局部地磁场模型都不能及时准确地描述海洋地磁场.因此,用于舰载消磁系统的电流调整时造成的误差比较大.为了更准确地获得海洋上特定地点的地磁场值,可以在海上进行实地测量.
目前,在海上进行的磁场测量主要是获得磁场总量[2],但在舰载消磁系统进行跨纬度调整等应用中,需要的却是三分量的地磁场[3].磁场的三分量值可以利用安装在舰船桅杆上的三分量磁传感器来测量,但这样测得的磁场值并不是地磁场值,而是一个包含了舰船本身磁场和传感器自身干扰的复杂的磁 第17卷 第6期 2005年12月 海军工程大学学报
JO U RN A L OF NA V A L U NI VERSIT Y O F EN GIN EERIN G Vo l.17 No.6 Dec.2005
3收稿日期:2005 06 10;修订日期:2005 07 12
作者简介:闫 辉(1978 ),男,硕士生.
场值,并且受舰船姿态的影响,其值也是变化的.如何从这样一个复杂的三分量磁场值中分离出地球磁场,是能否进行海上地球磁场测量要解决的关键问题.作者从理论上提出了任意舰船姿态下分离地磁场三分量的方法.
1 磁传感器数学模型分析
对于装在测量船上的磁传感器来说,其接收到的磁场值[4]为:
h=(E+K)A H d
Z d
+h p(1)
式中:E为单位矩阵;K为感应磁化系数矩阵;H d、Z d分别为地磁场水平分量和垂直分量;A为任意姿态下测量船坐标系与地磁坐标系的转换矩阵;向量h p为各种固定干扰量的合成.矩阵A各元素表达式分别为:a11=cos co s ;a12=cos sin ;a13=sin ;a21=-sin sin cos -cos sin ;a22=-sin sin sin +cos cos ;a23=cos sin ;a31=-sin co s cos +sin sin ;a32=-sin cos sin -sin cos ;a33=cos cos .其中: 、 、 分别为测量船的纵倾角、横摇角和磁航向角[5].矩阵K可以具体表示为:
K=k xx k xy k xz k yx k yy k yz k z x k zy k z z
分析(1)式可以知道,要测量的量有H d、Z d和 (实际上要测量的是磁偏角,只要测量出磁航向角 后,就可以与导航设备提供的航向角做差求出磁偏角),向量h是可以从磁传感器直接读得的, 和 可以从导航设备获得,矩阵K与向量h p则是由舰船和磁传感器的特性决定的不变量.因此,为了分离H d、Z d和 首先应该测量出感应磁化系数矩阵K和固定干扰向量h p.
2 求解K矩阵和固定干扰
当舰船的姿态角 、 和 取某些特殊值时,矩阵A将呈现出某些特殊的形式.因此,我们可以在已知H d、Z d和磁偏角 的某地对测量船进行几个特殊航向的舰船磁场的测量,以获得矩阵K.
第1步:分别进行没有纵摇和横摇的磁北和磁南航向的航行,获得h n和h s,再将它们相减.得到:
h n-h s=(E+K)2
2
H d
Z d
(2)
第2步:分别进行没有纵摇和横摇的磁西和磁东航向的航行,获得h w和h e,再将它们相减.得到:
h w-h e=(E+K)
02
-20
H d
Z d
(3)
第3步:进行磁航向角 =90 、纵摇角 =0和横摇角分别为+ 和- 的航行,获得h+和h-,再将它们相减.得到:
h+
-h-=(E+K)
000
002sin
2sin 00
H d
Z d
(4)
第4步:综合(2)~(4)式可得:
[h n-h s h w-h e h+-h-]=(E+K)2H d00
0-2H d2Z d sin
002H d sin
81
第6期 闫 辉等:一种海洋环境地磁场三分量的测量方法
K =[h n -h s h w -h e h +-h -]2H d
000
-2H d 2Z d sin 00
2H d sin -1-E 将第1步中得到的h
n 和h s 相加可得到:h n +h s =(E +K )0 0 2H d
0Z d
+2h p
h p =12
(h n +h s )-(E +K )0
Z d 3 海上任意地点H d 、Z d 和 的求解
3.1 A 矩阵的变换形式
对于任意的舰船姿态,都同时包含了舰船的横摇、纵摇和航向3种状态信息,但是为了分析问题的方便,可以把这种姿态看作是舰船从没有纵摇和横摇角,并且处于正北磁航向状态的时刻,顺序经历了航向、纵摇和横摇的改变的3个独立阶段后形成的.亦即舰船在第一时刻只发生航向的改变,产生磁航向角 (见图1(a ));然后再经历一次纵向摇摆,产生纵摇角 (见图1
(b ));最后经历一次横向摇摆,产生横摇角 (见图1(c )).经历这3个过程以后,舰船的姿态就确定了.
图1 舰船姿态的变换过程图
因此,可以将A 矩阵写成3个矩阵A 1、A 2、A 3相乘的形式,即A =A 1A 2A 3,其中:
A 1=1000cos sin 0-sin cos
;A 2=cos 0sin 010
-sin 0co s ;A 3=co s
sin 0-sin cos 00013.2 磁场三分量的获得
对于任意航向上、任意测量船姿态下,磁传感器处获得的磁场值为:
h =(E +K )A 1A 2A 3H d
0Z d +h p
(5)
对于具体某一条测量船来说,其K 矩阵和固定干扰h p 一旦测出就是一个不变量[6],而磁场h 值又是可以从三分量磁传感器直接读得的,
因此在这里只有H d 、Z d 、 是未知量.故将(5)式作如下变形:
A 3H d
0Z d =A -12A -11(E +K )-1(h -h p )
(6)
很容易看出(6)式右侧各参数都是已知的,不妨设T =A -12A -11(E +K )-1(h -h p ),其中向量T 的物理意
义是舰船不存在纵横摇时、任意航向下地磁场在舰船坐标系上的投影.这样就可以将(6)式写成: 82 海 军 工 程 大 学 学 报 第17卷
cos sin 0-sin cos 0001H d
0Z d
=T 从而分别得到H d =T 2x +T 2y ; Z d =T z ; =-tan
-1T y
T x 4 解算地磁场三分量的计算机仿真
假设感应磁化系数矩阵K 和固定干扰向量h p 已经获得,并设某地的地磁场水平分量H d 为30 T ,垂直分量Z d 为40 T ,磁偏角 为5 .
根据舰船普遍安装的平台罗经在机动航行中所能达到的水平精度和航向精度[7],在仿真过程中对导航信号加随机误差,然后利用上述理论推导来计算地磁场的三分量.从仿真结果看,其水平与垂直分量的误差不超过
50nT ,磁偏角误差不超过0.3 (见图2).
图2 地磁场三分量曲线
5 结 论
采用该方法进行磁场的三分量测量,一旦舰船的感应磁化系数矩阵K 和固定干扰向量h p 测量出以后,海洋环境磁场的三分量的测量变得非常方便.只要保证同步采集舰船姿态信号、航向信号和舰船磁场的三分量值,地磁场的三分量值就可以通过计算机软件直接计算来完成,其结果能够满足舰载消磁系统对三分量地磁场的精度要求.如果对结果数据进行进一步处理,测量精度有望获得更进一步的提高.参考文献:
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重力法在海洋勘探中的应用
重力法在海洋勘探中的应用 资工11204 方世祥地球的表面的3/4被海洋覆盖，海底是世界上最大的资源宝库，大量的石油、天然气及各种矿产蕴含其中，海底资源探测对人类的生存和发展及其重要；另外，海洋空间的利用也越来越迫切，涉及到海底工程勘察，海底管线探测，浅海水深探测、浅海底电导率填图、咸水-淡水分界面探测，探测化学污染区，承压含水层盐渍或污染探测等领域，海洋地壳上覆盖着深浅不同的海水，所以地球物理方法是探测研究海底的必不可少的手段之一。除了地震方法之外，海洋重力法是一种主要的海洋地球物理方法，它适用于地震方法不易分辨而重力勘探拥有优势的区域。 要准确研究地球形状与地球内部构造，勘探海洋丰富的矿产资源，保障航天和远程武器发射等，就必须了解海洋重力场精细结构，高精度的海洋重力测量正是解决这些问题的重要手段之一。近年来，卫星技术取得了较大的进展。未来海洋重力场的精细结构，可以利用卫星测高、卫星重力梯度测量和海洋测量相结合的方法来研究。 1、什么是重力勘探? 重力勘探地球物理勘探方法之一。重力勘探是测量与围岩有密度差异的地质体在其周围引起的重力异常﹐以确定这些地质体存在的空间位置﹑大小和形状﹐从而对工作地区的地质构造和矿产分布情况作出判断的一种地球物理勘探方法。 它是以牛顿万有引力定律为基础的。只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异，就可以用精密的重力测量仪器（主要为重力仪和扭秤）找出重力异常。然后，结合工作地区的地质和其他物探资料，对重力异常进行定性解释和定量解释，便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况，进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。 2、运用领域 在区域地质调查﹑矿产普查和勘探的各个阶段都可应用重力勘探﹐要根据具体的地质任务设计相应的野外工作方法。 3、应用条件 应用重力勘探的条件是﹕被探测的地质体与围岩的密度存在一定的差别﹔被探测的地质体有足够大的体积和有利的埋藏条件﹔干扰水平低。 4、重力仪 marine gravimeter 是船舰上或潜水艇内使用的重力仪。在海洋中匀速直线航行条件下，连续地进行重力测量，由于仪器安放在运动的船体上，受到垂直加速度和水平加速度以及基座倾斜的影响很大。一般情况下，干扰加速度的幅度比有意义的重力异常强几万一几十万倍。因此，重力仪弹性系统必须有足够大的阻尼，还需要把仪器安放在或陀螺稳定平台上。因为海区开阔，航线长，不能经常闭合基点，所以，要求海洋重力仪零点位移应尽可能地小，测程范围又要足够大。海洋重力仪种类很多，结构原理与陆地重力仪大体相同。整套仪器包括重力仪主体(弹性系统，恒温装置、阻尼装置、指示系统等)；模拟的或数字的记录器；控制器；常平架或陀螺稳定平台；电源几大部分。 5、重力数据的处理和解释 野外获得的重力数据要作进一步处理和解释才能解决所提出的地质任务,主要分3个阶段:野外观测数据的处理,并绘制各种重力异常图:重力异常的分解(应用平均法﹑场的变换﹑频率滤波等方法),即从叠加的异常中分出那些用来解决具体地质问题的异常:确定异常体的性质﹑形状﹑产状及其他特徵参数。 解释分为定性的和定量的两个内容,定性解释是根据重力图并与地质资料对比,初步查明重力异常性质和获得有关异常源的信息。除某些构造外,对一般地质体重力异常的解释可
地磁场水平分量的测量-实验
地磁场水平分量的测量 姓名：王秋来 专业班级：物科院11级物理学 学号：1108405037 【摘要】某一地点O 的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ，⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量x B ，⑺东向分量y B 。 确定某一点的地磁场通常用磁偏角，磁倾角和水平分量//B 三个独立要素。 利用正切电流计算原理，测定地磁场的水平分量//B 地磁场水平分量为：032 85a u N B b R = ? 【关键字】地磁场，水平分量，正切电流计，磁偏角。 1、实验目的 （1）学习测量地磁场水平分量的方法； （2）了解正切电流计的原理； （3）学习分析系统误差的方法 2、实验室提供的仪器和用具 亥姆霍兹线圈（N=700匝），地质罗盘（DL-I 型），直流稳压电源（DF173系列），电阻箱（ZX21型），直流电流表。 3、实验原理 3.1 地磁场与地磁要素 地球是一个大磁体，地球本身及其周围空间存着磁场叫做“地球磁场”又称地磁场，其主要部分是一个偶极
场。地心偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极，如图1。地心磁偶极子的磁轴
m m S N 与地球的旋转轴NS 斜交一个角度o 5.11,00≈θθ。所以地磁极与地理极 相近但不相同，地球磁场的强度和方向随地点、时间而发生变化。 地球表面任何一点的地磁场的磁感应强度矢量B 具有一定的大小和方向。在地理直角坐标系中如图2所示。O 点表示测量点，x 轴指向北，即为地理子午线（经线）的方向；y 轴指向东，即为地理纬线方向；z 轴垂直于地平面而指向地下。XOy 代表地平面。B 在xOy 平面上的投影//B 称为水平分量，水平分量所指的方向就是磁针北极所指的方向，即磁子午线的方向；水平分量偏离地理真北极的角度D 称为磁偏角，也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由地理子午线起算，磁偏角东为正，西偏为负。B 偏离水平面的角度I 称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的N 极下倾，而在南半球，则磁针的N 极向上仰，规定N 极下倾为正，上仰为负。B 的水平分量 //B 在x 、y 轴上的投影，分别称为北向分量x B 和东向分量y B ；B 在Z 轴上的投影z B 称为垂直分量。故某一地点O 的地磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ，⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量 x B ，⑺东向分量y B 。 不难看出，它们是B 在各个坐标体系中的坐标值，比如z y x B B B ,,就是B 在直角坐标系中的坐标值，而,,//B B z D 和D 、//B 、I 则分别是B 在柱面坐标系和球坐标系中的坐标值，这三种坐标体系是彼此独立的，在它们之间，存在着如下的变换关系： z y x z y x B B B B B B tgI B B D B B D B B 2//2222//2//////,,,sin ,cos +=+==?=?= 图2
海洋探测
海洋探测 人类用科学方法进行海洋科学考察已有100余年的历史，而大规模、系统地对世界海洋进行考察则仅有30年左右。现代海洋探测着重于海洋资源的应用和开发，探测石油资源的储量、分布和利用前景，监测海洋环境的变化过程及其规律。在海洋探测技术中，包括 （1）在海洋表面进行调查的科学考察船、月动浮标站； （2）在水下进行探测的各种潜水器； （3）在空中进行监测的飞机、卫星等。 科学考察船 海洋科学调查船担负着调杳海洋、研究海汁的责任，是利用和开发海洋资源的先锋。它调查的主要内容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源(石油、天然气、开藏等)、海水的化学成分、生物资源(水产品等)、海底地震等。其中极地考察和大洋调查等活动，为匹界各国科学家所瞩目。大型海洋调查船可对全球海洋进行综合调查，它的稳性和适航性能好，能够经受住大风大浪的袭击。船上的机电设备、导航设备、通讯系统等十分先进，燃料及各种生活用品的装载量大，能够长时间坚持在海上进行调查研究同时，这类船还具有优良的操纵性能和定位性能，以适应各种，海洋调查作业的需要。 海洋卫星 卫星技术在海洋开发中的应用十分广泛。海洋卫星在几百千米高空能对海洋里许多现象进行观测。这是因为它有些特殊的本领。比如测量海水的温度，用的就是遥感技术。当太阳发出的电磁波到达海面时，能量的分布是不均匀的。利用遥感技术就可以帮助我们测量海面的温度及其特征。数据经电脑分析后，就可得到海面混度的情况，最后打印成一张海面温度分布图。由于几乎是同步观测后得到的数据，所以观测结果很真实 潜水器 潜水器既是深海探测的土具，又是进行水下工程的重要设备。潜水器可分为载人潜水器和无人潜水器。
海洋重力勘探
海洋勘探的发展与展望 重力勘探 什么是重力勘探? 重力勘探地球物理勘探方法之一。是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化而进行地质勘探的一种方法。它是以牛顿万有引力定律为基础的。只要勘探地质体与其周围岩体有一定的密度差异，就可以用精密的重力测量仪器（主要为重力仪和扭秤）找出重力异常。然后，结合工作地区的地质和其他物探资料，对重力异常进行定性解释和定量解释，便可以推断覆盖层以下密度不同的矿体与岩层埋藏情况，进而找出隐伏矿体存在的位置和地质构造情况。 重力数据的处理和解释 野外获得的重力数据要作进一步处理和解释才能解决所提出的地质任务,主要分3个阶段:野外观测数据的处理,并绘制各种重力异常图:重力异常的分解(应用平均法﹑场的变换﹑频率滤波等方法),即从叠加的异常中分出那些用来解决具体地质问题的异常:确定异常体的性质﹑形状﹑产状及其他特徵参数。 解释分为定性的和定量的两个内容,定性解释是根据重力图并与地质资料对比,初步查明重力异常性质和获得有关异常源的信息。除某些构造外,对一般地质体重力异常的解释可遵循以下的一些原则:极大的正异常说明与围岩比较存在剩馀质量;反之,极小异常是由质量亏损引起的。靠近质量重心,在地表投影处将观测到最大异常。最大的水平梯度异常相应于激发体的边界。延伸异常相应于延伸的异常体,而等轴异常相应于等轴物体在地表的投影。对称异常曲线说明质量相对于通过极值点的垂直平面是对称分布的;反之,非对称曲线是由于质量非对称分布引起的。在平面上出现几个极值的复杂异常轮廓,表明存在几个非常接近的激发体。定量解释是根据异常场求激发体的产状要素建立重力模型。一种常用的反演方法是选择法,即选择重力模型使计算的重力异常与观测重力异常间的偏差小于要求的误差。 由于重力反演存在多解性﹐因此﹐必须依靠研究地区的地质﹑钻井﹑岩石密度和其他物探资料来减少反演的多解性。 重力异常和重力改正 观测重力值除反映地下密度分布外,还与地球形状﹑测点高度和地形不规则有关。因此,在作地质解释之前必须对观测重力值作相应的改正,才能反映出地下密度分布引起的重力异常。重力改正包括自由空间改正,中间层改正,地形改正和均衡改正。观测重力值减去正常重力值再经过相应的改正,便得到自由空间异常﹑布格异常和均衡异常(见地壳均衡)。在重力勘探中主要应用布格异常。为研究地壳均衡,地壳运动和地壳结构也需要应用均衡异常和自由空间异常。在平坦的地形条件下,常用自由空间异常代替均衡异常。
实验五 地磁场测定
实验五 地磁场测定 一．概述 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、航海、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。本仪器采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场的重要参量，通过实验可以掌握磁阻传感器定标以及测量地磁场水平分量和磁倾角的方法，了解测量弱磁场的一种重要手段和实验方法，本仪器与其他地磁场实验仪(如正切电流计测地磁场实验仪)相比具有以下优点： 1．实验转盘经过精心设计，可自由转动，方便地调节水平和铅直。内转盘相隔ο180，具有两组游标，这样既提高了测量精度，又消除了偏心差。 2．新型磁阻传感器的灵敏度高达50V/T ，分辨率可达8710~10--T ，稳定性好。用本仪器做实验，便于学生掌握新型传感器定标，及用磁阻传感器测量弱磁场的方法，测量地磁场参量准确度高； 3．本仪器不仅可测地磁场水平分量，而且能测出地磁场的大小与方向，这是正切电流计等地磁场实验仪所不能达到的。 本仪器可用于高校、中专的基础物理实验、综合性设计性物理实验及演示实验。 二．仪器技术要求 1．磁阻传感器 工作电压 6V ，灵敏度50V/T 2．亥姆霍兹线圈 单只线圈匝数N=500匝，半径10cm. 3．直流恒流源 输出电流0—200.0mA 连续可调 4．直流电压表 量程0—19.99mV ，分辨率0.01mV
5．测量地磁场水平分量不确定度小于3% 6．测量磁倾角不确定度小于3% 7．仪器的工作电压AC 220±10V 三．仪器外型
FD-HMC-2型 磁阻传感器与地磁场实验仪 (以下实验讲义和实验结果由复旦大学物理实验教学中心提供) 一．简介 地磁场的数值比较小，约510-T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 二．实验原理 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 HMC1021Z 型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式 θρρρθρ2cos )()(⊥⊥-+=∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的
地磁场水平分量的测量解读
实验二十九 地磁场水平分量的测量 1、教学目标 （1）学习测量地磁场水平分量的方法； （2）了解正切电流计的原理； （3）学习分析系统误差的方法 2、教学难点、重点 难点：地磁场的相关概念；正切电流计的原理。 重点：测量方法和测量公式。 3、实验室提供的仪器和用具 亥姆霍兹线圈（N=640匝，R=10cm ），地质罗盘（DL-I 型），直流稳压电源（DF173系列），电阻箱（ZX21型），直流电流表（0.5级，10Ma ），换向开关，水准器。 4、实验原理 4.1 地磁场与地磁要素 地球是一个大磁体，地球本身及其周围空间存着磁场叫做“地球磁场”又称地磁场，其主要部分是一个偶极场。地心偶极子轴线与地球表面的两个交点称为地磁极，地磁的南（北）极实际上是地心磁偶极子的北（南）极，如图1。地心磁偶极子的磁轴m m S N 与地球的旋转轴NS 斜交一个角度o 5.11,00≈θθ。所以地磁极与地理极相近但不 相同，地球磁场的强度和方向随 地点、时间而发生变化。 地球表面任何一点的地磁 场的磁感应强度矢量B 具有一定 的大小和方向。在地理直角坐标 系中如图2所示。O 点表示测量 点，x 轴指向北，即为地理子午 线（经线）的方向；y 轴指向东， 即为地理纬线方向；z 轴垂直于 地平面而指向地下。XOy 代表地 平面。B 在xOy 平面上的投影//B 称为水平分量，水平分量所指的 方向就是磁针北极所指的方向，即磁子午线的方向；水平分量偏离地理真北极的角度D 称为磁偏角，也就是磁子午线与地理子午线的夹角。由地理子午线起算，磁偏角东为正，西偏为负。B 偏离水平面的角度I 称为磁倾角。在北半球的大部分地区磁针的N 极下倾，而在南半球，则磁针的N 极向上仰，规定N 极下倾为正，上仰为负。B 的水平分量//B 在x 、y 轴上的投影，分别称为北向分量x B 和东向分量y B ；B 在Z 轴上的投影z B 称为垂直分量。故某一地点O 的地 磁要素有：⑴地磁场总磁感应强度B ，⑵磁倾角I ，⑶磁偏角D ， ⑷水平分量//B ，⑸垂直分量z B ，⑹北向分量x B ，⑺东向分量y B 。 不难看出，它们是B 在各个坐标体系中的坐标值，比如z y x B B B ,,就是 图 1
海洋测量
一、单项选择题（下列试题，每小题均有一个正确答案，将正确的答案代码填在后面的括号中）（每小题2分，本题满分40分） 1.测线分为主测深线和 （） (A)检查线 (B)测深线 (C)基准线 (D)垂直线 2.海洋大地测量控制网主要由海面控制点、海岸、或岛屿上的大地控制点及与其相连的（） (A)加密点 (B)海底控制点 (C)导线点 (D)联测点 3.海洋测量中常采用的基准面是 （） (A)水平面 (B)大地水准面 (C)深度基准面 (D)平均海面 4.海洋定位主要有天文定位、陆基无线电定位、空基无线电定位、光学定位和 （） (A）全站仪定位 (B)GPS定位 (C)导航定位 (D)水声定位 5.船体摇动将产生垂直和水平方向的加速度，作用在重力仪的摆杆上，并产生交叉耦合效应，即（） (A）C效应 (B)厄否效应 (C)横摇 (D)纵摇 6.海洋测绘是海洋测量和下面哪项的总称 （） （A）海图绘制 (B)海道测量 (C)海港测量 (D)水深测量 7.海底控制点的照准标志只能采用 （） （A）觇牌 (B)水声照准标志 (C)棱镜 (D)测钎 8.世界各国都采用平均海面作为陆上高程海上深度的起算面，该起算面称为 （） （A）水平面 (B)水准面 (C)零面 (D)大地面 9.为了提高海底控制点观测深度值精度，通常采用下面哪种方法来测定海底控制点的深度（） （A）垂直穿线法 (B)平行穿线法 (C)三角形法 (D)三叶法 10.海水盐度测定方法有光学测定法、比重测定法和 （） （A）声学测定法 (B)物理测定法 (C)几何测定法 (D)声线跟踪法 11.在所有垂直基准中最重要的参考面是 （） （A）平均海面 (B)大地水准面 (C)水平面 (D)铅垂面 12.海面从低潮上升到高潮的过程中，海面逐渐上升，称为 （） （A）落潮 (B)涨潮 (C)停潮 (D)平潮 13.声速分布在极小值深度处的水平线称为 （） （A）声道 (B)声线 (C)声道轴 (D)声呐 14.声呐按其工作方式分为主动声呐和 （） （A）直接声呐 (B)间接声呐 (C)水声声呐 (D)被动声呐
地磁场测量的意义
地磁测量的重要意义 地磁场的特点 由于地球本身具有磁性，所以地球及附近的空间存在着磁场, 这个磁场就是地磁场。地磁场是地球的基本资源之一，与人类生活息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等领域有着重要的应用。正是因为地磁场有如此重要应用价值，人们对地磁场的测量又迫切的需求。因此，磁场的测量已成为热点课题之一[1]。可以将地磁场近似地看作是地球中心有一个磁铁棒放，它的Ｎ极大体上对着南极，从而产生的磁场，其磁感线性状如图1.1所示。事实上，地球磁场的产生是通过电流在导电液体核中流动的发电机效应产生磁场的。 图1.1 地球磁场示意图 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，它们是不同的两种磁场。基本磁场是地磁场的主要组成部分，它源于地球的内部，相对来说比较稳定，变化缓慢。变化磁场起源于地球外部，并且很微弱[2]。 地磁场是一个向量场。常用的地磁参量有7个，即地磁场总强度F，地磁场的水平强度H，垂直强度Z，X和Y分别为水平强度的北向和东向分量，D和I 分别为磁偏角和磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。
在地磁场观测中，通常用三个参量来表示地磁场的方向和大小： (1)磁偏角A，即地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量B所在的垂直平面（地磁子午面）与地理子午面之间的夹角； (2) 磁倾角Φ，即地磁场磁感应强度矢量B与水平面之间的夹角； (3) 地磁场磁感应强度的水平分量B，即地磁场磁感应强度矢量B在水平面 上的投影[3]。 地磁场的重要应用 地磁场数值较小约0. 5 ×10- 4T，其强度与方向也随地点而异。地磁场被视 为地球的一种重要的天然磁源，它在国家科研中有着重要用途。在地球科学的研究中，作为以地球系统的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科，研究和掌握地磁场的固有特性及其变化规律是地球科学研究的重要内容。在交通运输方面，可以通过检测由于车辆干扰而引起的地磁场的变化来反应车辆本身的特点及运动情况[4]。 除此之外，地磁还可以用于石油定向斜井钻井中；在海洋中，进行地磁测量可以保证航海的安全、海洋工程建设及了解海底构造；在陆地上，人们通过大规模的地磁测量及分析地磁偏角的变化去测定强磁性铁矿床、弱磁性铁矿床以及铜、镍、铬、金刚石等各种矿石的分布；在科学研究方面，地磁测量有助于人类了解地球的成因和延边过程，掌握火山的活动规律，地震预报等[5]；在军事上，可以作为战场环境重要参数对军事斗争的前期准备、部队战斗力的发挥都具有重要意义。 目前国内外在石油开采中，大都利用地磁测量和地磁偏角进行地下储油分布及及其构造的探测。 虽然人们天天生活在地球磁场的影响下，但是我们却无法靠自身的五官来感受和估计地磁场的大小和方向。所以利用地球磁场固有特点，设计和制备应用于地磁测量的磁性传感器，这对于地球科学、航天航空、资源探测、交通运输、空间天气、测绘等诸多技术领域都拥有巨大的应用价值。
《重力测量》期中考试题(13年)
━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ 装 ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ 订 ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ 线 ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ 防灾科技学院 2013 ~ 2014 学年 第1 学期第1、2、3章试测 重力测量试卷 使用班级 1150241、2班 答题时间_2小时 一、判断题（24分） 1、重力的方向就是垂直于该点的地球法平面方向，指向地心。× 2、地壳的岩石圈层及其附近的物质密度分布不均匀，这是地球历史上多次复杂的地质作用造成的结果，是重力勘探的基础。√ 3、正常重力值是由密度分层分布的光滑椭球体，其各层的界面也都是共焦旋转椭球面计算出来的。√ 4、地球上同一个子午圈正常重力是相等的。× 5、重力仪在该点读数值越大，说明该点重力值越大。× 6、重力垂直方向的梯度要比水平方向梯度大得多。√ 7、重力精测剖面是为了对异常进行解释而布设的专门剖面，这个剖面应该通过异常的中心，方向与异常值的长轴垂直。√ 8、如果重力精测剖面是东西方向的就不用何作正常场校正。× 二、计算题（共15分） 1、1901-1909年赫尔默特公式： 2229.78030(10.005302sin 0.000007sin 2)/g m s ???=+- 计算北京通州区（经纬度约117，40）正常重力值？ 将Ф=117代入上式 答：g Ф=9.7803(1+0.005302sin 2117- 0.000007sin 2(2*117)) = 2、某台仪器在我院标定基线进行重力格值标定，其实测6个合格独立增量分别为，60.61、59.89、60.56、60.45、59.90、59.76（格），两基点重力差为5.455mGaL ，求该重力值的格值。 答：独立增量的均值：△S ′=（60.61+59.89+60.56+60.45+59.90+59.76）/6 = 60.20 C=△g/△S ′=5.455/60.20 =0.0906 mGaL/格 3、已知北纬45°处基某点上的正常重力值为9806169.11g.u.，问离此点正北方向1km 处且比此点低50m 的测点上正常重力值是多少g.u. 答：8.14sin(2*45°)*1 g.U.= 8.14 g.U. 3.086 * 50 = 154.3 g.U. 该点：正常重力值为9806169.11+154.3+8.14=9806331.55 g.U. 三、画图题：（31分） 1、某地质剖面如图（图1），其密度值如图所示，请求出球体的剩余密度，并画出地面上重力异常示意图。 2、画出地球上（见图2）A 、B 、C 、D 四点的重力、引力、离心力矢量图，说明哪点引力最大、哪点离心力最大、哪点重力最大？（16分）
地磁场和磁场中的临界极值问题
地磁场和磁场中的临界极值问题 问题一、地磁场 1、下列关于地磁场的描述正确的是（） A.指南针总是指向南北是因为受到地磁场的作用 B.地磁两极与地理两极完全重合 C.地球周围的地磁场的磁感线是从地磁南极出发到地磁北极 D.我国宋代学者沈括正确找到了地磁场产生的原因 2、科考队进入某一磁矿区域后，发现指南针原来指向正北的N极逆时针转过30°（如 图的虚线），设该处的地磁场磁感应强度水平分量为B，则磁矿所产生的磁感应强度 水平分量的最小值为（） A．B B．2B 3、指南针是我国古代的四大发明之一。当指南针静止时，其N极指向如图1虚线(南北向)所示，若某一条件下该指南针静止时N极指向如图实线(N极北偏东向)所示。则判断正确的是() A．可能在指南针上面有一导线东西放置，通有东向西的电流 B．可能在指南针上面有一导线东西放置，通有西向东的电流 C．可能在指南针上面有一导线南北放置，通有北向南的电流 D．可能在指南针上面有一导线南北放置，通有南向北的电流 4、已知龙岩市区地磁场磁感应强度B约为4.0×10－5T，其水平分量约为3.0×10－5T。若龙岩市区一高层建筑安装了高50 m的竖直金属杆作为避雷针，在某次雷雨天气中，当带有正电的乌云经过避雷针的上方时，经避雷针开始放电，某一时刻的放电电流为1.0×105 A，此时金属杆受到地磁场对它的安培力方向和大小分别为() A．方向向东，大小约为150 N B．方向向东，大小约为200 N C．方向向西，大小约为150 N D．方向向西，大小约为200 N 5、每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来，地磁场可以改变射线中大多数带电粒子的运动方向，使它们不能到达地面，这对地球上的生命有十分重要的意义。假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来，在地磁场的作用下，它将( ) A．向东偏转B．向南偏转C．向西偏转D．向北偏转 6、2010年地球再次受到“太阳风暴”袭击，如图所示，在“太阳风暴”中若有一个质子以3.6×105 km/h速度垂直射向北纬60°的水平地面，经过此地面上空100 km处时，质子速 度方向与该处地磁场方向间的夹角为30°，该处磁感应强度B＝6×10－5T(e＝ 1.6×1019C)，则() A．该质子在此处受洛伦兹力方向向东，大小约为5×10－19N B．该质子一定会落到北纬60°的地面上
海洋测量1
海洋：海洋是地球表面包围大陆和岛屿的广大连续的含盐水域，是由作为海洋主体的海水水体、溶解和悬浮其中的物质、生活于其中的海洋生物、邻近海面上空的大气、围绕海洋周缘的海岸和海底等部分组成的统一体。 海湾：是指洋或海延伸进入大陆部分的水域 海峡：是指海洋中相邻海区之间宽度较窄的水道 海岸：笼统的讲就是陆地与海洋相互作用、相互交界的地带。 海岸带：是海陆交互的地带，其外界应在15-20m等深线一带，这里既是波浪、潮流对海底作用有明显影响的范围，人们活动频繁的区域。 海岸线：是近似于多年平均大潮高潮的痕迹所形成的水陆分界线。 海洋概貌：海洋地形通常分为海岸带、大陆边缘和大洋底三个部分。海岸带是海陆交互作用的地带，其地貌是在波浪、潮汐和海流等作用下形成的，海岸带由海洋、海滩及水下岸坡组成。大陆边缘是大陆与海洋连接的边缘地带，大陆边缘是大陆与大洋之间的过渡带，通常由大陆架、大路坡、大陆隆及海沟等组成。大洋底是大陆边缘之间的大洋全部部分，由大洋中脊和大洋盆地构成。 海洋资源：包括海洋中储存的海洋能、矿物资源和生物资源。 海洋测绘：海洋测绘是海洋测量和海图绘制的总称，其任务是对海洋及其邻近陆地和江河湖泊进行测量和调查，获取海洋基础地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设、海洋开发和海洋研究服务。海洋测绘的主要内容有：海洋大地测量、水深测量、海洋工程测量、海底地形测量、障碍物探测、水文要素调查、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋专题测量和海区资料调查；以及各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版，海洋地理信息的分析、处理及应用。现代海洋测绘的主要体现：（1）测绘内容更加广泛（2）采用的技术手段更加先进 海洋测量的特点：1）海洋测量中垂直坐标是和船体的平面位置同步测定的；2）在海洋中设置控制点相当困难，海洋测量中测量的作用距离远比陆地上测量的作用距离长得多；3）由于海上测站点处于动态中，所以其观测精度不如陆地上的观测精度高；4）由于作用距离的差别，陆上和海洋测量时所使用的传播信号也是不同的，海水中采用声波做信号源，受到海水温度、盐度和深度的影响；5）陆地上测定的是高程，即某点高出大地水准面多少，而在海上测定的是海底某点低于大地水准面多少；6）因为海面是不断运动的，因此就某点无法进行重复观测，需要在一条船上采用不同的仪器系统或者同一仪器系统的多台仪器进行测量，从而产生多余观测，进行平差后提高精度。 海洋测绘的任务：（1）科学性任务，包括三大部分内容，一是为研究地球形状提供更多的数据资料；二是为研究海底地质的构造运动提供必要的资料；三是为海洋环境研究工作提供测绘保障。（2）实用性任务，主要指对各种不同的海洋开发工程，提供他们所需的海洋测量服务工作，他们的服务对象主要有海洋自然资源的勘探和离岸工程、航运、救援与航道、近岸工程、渔业捕捞、海底电缆和管道工程、海上划界等。 海洋测绘主要内容：海洋重力测量；海洋磁力测量；海水面的测定；大地控制和海底控制测量；定位；测深；海底地形测量及地貌、底质探测；海图编制；海洋地理信息系统。 海洋大地测量:是研究海洋大地控制点网及确定地球形状大小，研究海面形状变化的科学。海洋大地测量控制网主要由海底控制点、海面控制点以及海岸或岛屿上的大地控制点相连而组成。
全国各地区地磁场强度表
水平分量（高斯）重力分量（高斯）北京0.300.45上海0.350.35哈尔滨0.26 0.48南京0.34 0.36青岛0.30 0.40广州0.38 0.24香港0.37 0.22武汉0.34 0.36西安0.36 0.40郑州0.38 0.35厦门0.350.22椎骨0.260.42横滨0.300.33韩国首尔0.310.39阿曼0.350.24菲律宾马尼拉0.38 0.12越南胡志明市0.41 0.03缅甸仰光0.41 0.14泰国曼谷0.415 0.07马来西亚girongpo 0.40 -0.10新加坡0.40 -0.10印度尼西亚雅加达0.37 -0.24印度新德里0.350.30斯里兰卡科伦坡0.400.00巴基斯坦卡拉奇0.350.26伊朗德黑兰0.280.36土耳其伊斯坦布尔0.250.37黎巴嫩贝鲁特0.300.30伊拉克巴格达0.300.30以色列0.30 0.35科威特0.31 0.30利雅得0.34 0.22阿联酋迪拜0.34 0.22蒙古乌兰巴托0.22 0.54孟加拉国达卡0.38 0.24巴林0.31 0.30埃及开罗0.30 0.26尼日利亚拉各斯0.34 0.04利比亚的黎波里0.28 0.25阿尔及利亚阿尔及尔0.26 0.30苏丹喀土穆0.350.07塞内加莱达喀尔0.310.10加纳阿克拉0.3 10.04中国日本世界国家/地区亚洲和非洲著名国家的地磁场清单地区水平分量（Gauss）重力直接分量（Gauss）世界国家/地区清单-南非约翰内斯堡0.14 -0.28喀麦隆0.320.08迈阿密0.26 0.36锚地0.15 0.55檀香山0.29 0.22纽约0.17 0.53洛杉矶0.26 0.42旧金山0.26 0.44达拉斯，德克萨斯州0.250.44蒙特利尔0.150.54温哥华0.18 0.53墨西哥城0.30 0.32古巴哈瓦那0.270.40危地马拉0.31 28圣何塞哥斯达黎加0.31 0.24巴拿马巴拿马0.30 0.24牙买加0.27 0.31委内瑞拉加拉加0.28 0.25哥伦比亚波哥大0.30 0.20厄瓜多尔基多
海洋重力测量及其在重力场中的应用
海洋重力测量及其在重力场中的应用 摘要海洋重力测量是在海上或海底进行连续或定点观测的—种重力测量方法。近几年来,随着卫星技术的发展,精密的海洋重力仪不断出观,海洋重力得到迅速的发展。简要介绍海洋重力测量的特点及其发展,阐述其技术设计与实施,分析其在全球重力场研究中的重要作用。 关键词海洋重力测量;重力场;应用 海洋占地球面积的71%,要准确研究地球形状与地球内部构造,勘探海洋丰富的矿产资源,保障航天和远程武器发射等,就必须了解海洋重力场精细结构。高精度的海洋重力测量正是解决这些问题的重要手段之一。近年来,卫星技术取得了较大的进展。未来海洋重力场的精细结构,可以利用卫星测高、卫星重力梯度测量和海洋重力测量相结合的方法来研究。 1 海洋重力测量 1)重力测量的重要性。自然界的一切现象几乎都与重力有着密切的联系,因此重力测量的应用范围很广。例如,在地球物理勘探中,由于岩石和矿石的密度不同所引起的重力场的变化,可用来寻找矿藏和了解地质构造;在地球物理学中,可以利用重力测量的数据去测定地球的弹性、密度及地壳的构造;在大地测量学中,要用重力数据去归算观测成果和研究地球形状;在导弹与航天技术中,重力测量资料可为空间飞行器的轨道计算和惯性导航服务,提高导弹的命中率。 2)海洋重力测量与陆上测量的不同。海洋重力测量与陆上测量不同,它是在海洋环境下进行的连续动态测量。因此,在克服外界干扰,提高测量精度方面,有着自己特殊的考虑;在仪器设备和测量实施等方面也与陆上测量有着很大的差别。 海洋重力测量开展较晚的原因是在于它不同于陆地重力测量,海洋重力测量必须在运动状态下,即所谓的动基座上进行。因此,它会受到外部条件的干扰。这种干扰可以概括为以下六个方面:①径向加速度影响。这是由于测量船的航迹为曲线所产生的径向加速度对重力观测的影响;②航行加速度影响。这是因为测量船的航速不均匀产生加速度对重力观测的影响;③周期性水平加速度影响。这是由于波浪起伏及机器震动等因素引起的船在水平方向上的周期性振动对重力观测的影响;④周期性垂直加速度影响。这是上面所述外界因素使船在垂直方向上的周期性振动对重力观测的影响;⑤旋转影响。即由于波浪、风力和驾驶因素而引起的船绕三个正交轴转动而对重力观测的影响。这种影响有常量和周期两种; ⑥厄特弗斯(Eotovos)效应。由于海洋重力测量仪器随测量船相对地球在运行,这样改变了作用在仪器上的离心力而对重力观测值产生影响。 3)海洋重力测量的发展。近几十年来,随着海洋开发事业的蓬勃发展,世界各主要海洋国家普遍加强了海洋重力测量工作,在发展仪器的同时,完成了大量海区的测量工作。我国在海洋上开展了海洋重力测量工作仅30余年的历史,多数情况
地磁场水平分量的测量
地磁场水平分量的测量 地磁场的数值比较小，约T 105-数量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻 传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 【实验目的】 1.掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性 2.了解各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理 3.学会用磁阻传感器测定地磁场 【实验仪器】 地磁场实验仪、底座、转轴，带角度刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线圈 【实验原理】 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率)(θρ依赖于磁化强度M 和电流I 方向间的夹角θ，具有以下关系式： θρ-ρ+ρ=θρ⊥⊥2cos )()(∥ （1） 其中∥ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分(当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系)，使磁阻传感器输出显示线性关系。 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器内部结构如图2所示。图中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示
地磁场水平分量的测量知识讲解
地磁场水平分量的测
地磁场水平分量的测量 地磁场的数值比较小，约10 5T数量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻 传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高、易安 装，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景。 【实验目的】 1.掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性 2.了解各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理 3.学会用磁阻传感器测定地磁场 【实验仪器】 地磁场实验仪、底座、转轴，带角度刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍磁线 圈 【实验原理】 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 磁阻传感器由长而薄的玻莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电路集成芯片（二维和三维磁阻传感器可以测量二维或三维磁场）。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附 着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率（）依赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角，具有以下关系式： 2 （）（// ）cos （1）其中//、分别是电流I平行于M和垂直于M时的电阻率。当沿着铁镍合金带的 长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强 度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将
地磁场测定实验
地磁场的测量 一、实验目的 1．掌握坡莫合金磁阻传感器的定标 2．测量地磁场水平分量和磁倾角的方法 二、实验仪器 FD-HMC-2型磁阻传感器与地磁场实验仪 三、实验原理 地磁场作为一种天然磁源，在军事、航空、工业、医学、探矿等科研中有着重要用途。地磁场的数值比较小，约5 10-T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往要知道其数值，并设法消除其影响，地磁场作为一种天然磁源，在军事，工业，医学，探矿等科研中也有着重要用途。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测量地磁场磁感应强度及地磁场磁感应强度的水平和垂直分量；测量地磁场的磁倾角，从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种重要方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高，易安装，因而在弱磁测量方面有广泛应用前景。 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁，钴，镍及合金等磁性金属，当外加磁场平行与磁体部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各相异性磁阻效应。 HMC1021Z型磁阻传感器由长而薄的坡莫合金（铁镍合金）制成一维磁阻微电 ρ依半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上，如图1所示。薄膜的电阻率) (θ 赖于磁化强度M和电流I方向间的夹角θ，具有以下关系公式
θρρρθρ2//cos )()(⊥⊥-+= 其中//ρ、⊥ρ分别是电流I 平行于M 和垂直于M 时的电阻率。当沿着铁镍合金带长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会发生较大的变化，利用合金带阻值这一变化，可以测量磁场大小和方向。同时制作时还在硅片上设计了两条铝制电流带，一条是置位与复位带，该传感器遇到强磁场感应时，将产生磁畴饱和现象，也可以用来置位或复位极性；另一条是偏置磁场带，用于产生一个偏置磁场，补偿环境磁场中的弱磁场部分（当外加磁场较弱时，磁阻相对变化值与磁感应强度成平方关系），使磁阻传感器输出显示线性关系。 HMC1021Z 型磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，它能测量与管脚平行方向的磁场。传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出。传感器部结构如图2所示。图2中由于适当配置的四个磁电阻电流方向不相同，当存在外界磁场时，引起电阻值变化有增有减。因而输出电压out U 可以用下式表示为 b out U R R U ?=)(? 对于一定的工作电压，如b U =5.00V ，HMC1021Z 型磁阻传感器输出电压out U 与外界磁场的磁感应强度成正比关系 KB U U out +=0 式中，K 为传感器的灵敏度，B 为待测磁感应强度。0U 为外加磁场为零时传感器的输出量。 本实验先利用亥姆霍兹线圈产生的磁场对传感器进行定标，求出传感器的灵敏度K ，然后，根据传感器的电压输出，求地磁场。 由于亥姆霍兹线圈的特点是能在其轴线中心点附近产生较宽围的均匀磁场区，所以常用作弱磁场的标准磁场。亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度为 2305 8R NI B μ= 式中N 为线圈匝数，I 为线圈流过的电流强度，R 为亥姆霍兹线圈的平均半径，0μ为真空磁导率。本实验亥姆霍兹线圈每个线圈匝数N =500匝，线圈的半径R =10cm ；真空磁导率270/104A N -?=πμ 亥姆霍兹线圈轴线上中心位置的磁感应强度为（二个线圈串联） I I R NI B 42372301096.445 100.0500104858--?=?????==πμ 式中，B 为磁感应强度，单位T （特斯拉）；I 为通过线圈的电流，单位A （安培）。 四、仪器简介
地磁场水平分量的测量
地磁场水平分量的测量 【摘要】： 地磁场水平分量（horizontal component of geomagnetic field）：地磁场的总磁场强度矢量T在参考坐标系的XOY水平面上的投影，称为地磁场水平分量，通常用符号H表示。水平分量的数值在赤道附近最大，约为0.03～0.04mT，由赤道向两极数值逐渐减小，两极为零。地球上除高纬度地区以外，大部分地区地磁场水平分量是大致指北的，这个方向称为磁北。中国由南到北，水平分量逐渐减小，约从0.04到0.02mT。 【关键词】： 地磁场水平分量、亥姆霍兹线圈、正切电流 【引言】： 地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分。基本磁场 是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于 静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要 起源于地球内部，相对比较微弱。地球变化磁场可分为平 静变化和干扰变化两大类型。行军、航海利用地磁场对指 南针的作用来定向。人们还可以根据地磁场在地面上分布 的特征寻找矿藏。地磁场的变化能影响无线电波的传播。 当地磁场受到太阳黑子活动而发生强烈扰动时，远距离通 讯将受到严重影响，甚至中断。假如没有地磁场，从太阳发出的强大的带电粒子流（通常叫太阳风），就不会受到地磁场的作用发生偏转而直射地球。在这种高能粒子的轰击下，地球的大气成份可能不是现在的样子，生命将无法存在。所以地磁场这顶“保护伞”对我们来说至关重要。 地磁场强度大约是0.5-0.6高斯，也就是5-6*E-5特斯拉（50-60μT）。 【实验目的】： 1.学习测量地磁场水平分量的方法 2.了解正切电流计的原理 3.学习分析系统误差的方法 【实验原理】： 亥姆霍兹线圈（Helmholtz coil）是一 种制造小范围区域均匀磁场的器件。由于亥 姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易地可以将 其它仪器置入或移出，也可以直接做视觉观 察，所以，是物理实验常使用的器件。因德 国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹而命名。