MINGEO-DI儀磁通門探頭更換標定

姚 遠王曉美張 平徐 金孫維懷張 福蔣 薇王錫軍

1）中國云南652700通海地震臺

2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

3）中國昆明650100云南省地震局

MINGEO-DI儀磁通門探頭更換標定

姚 遠1）王曉美2）張 平3）徐 金1）孫維懷1）張 福1）蔣 薇1）王錫軍1）

1）中國云南652700通海地震臺

2）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

3）中國昆明650100云南省地震局

因MINGEO-DI儀出現故障需更換磁通門探頭，介紹探頭更換、定向方法和注意事項，更換探頭后計算水平角度δ、垂直角度ε，選擇地磁平靜時段標定格值與線性度，并經過后期觀測數據對比分析，驗證磁通門探頭定向和性能標定的重要性和必要性。

探頭更換；探頭定向；格值、線性度；MINGEO-DI儀

0 引言

基準地磁臺監視全球地磁場長期變化，為地球主磁場、地球核幔邊界物質運動、地球磁場的電離層和磁層活動的研究提供基礎數據（Jerzy Jankowski et al，1997）。通海地磁臺是位于中國西南的一個基準地磁臺，地處云南省中部地區。在臺站絕對觀測工作中，以DI 儀與質子旋進磁力儀組合而構成D、I、F的絕對觀測(王娜等，2006)。目前通海地磁臺采用MINGEO-DI儀作為磁偏角、磁傾角絕對觀測儀器（張福等，2013），與相對記錄儀器結合，提供連續、完整的地磁觀測數據。

1 磁通門探頭更換

MINGEO-DI儀由無磁經緯儀、磁通門探頭、磁通門檢測器3 部分組成，磁通門探頭固定在經緯儀的望遠鏡上，隨望遠鏡光軸轉動，如果外磁場方向與磁軸方向正交，則磁通門傳感器檢測出的磁場為零（朱兆才，2005），在測量時通過使傳感器磁軸與磁場正交，確定地磁場矢量的方向，進而測量地磁場的磁偏角D和磁傾角I。通海地磁臺（以下簡稱通海臺）磁通門檢測器于2015年4月27日出現數據跳動異常或者無法顯示數據的現象。故障排查未發現磁通門探頭與檢測器存在斷線現象。磁通門傳感器利用高磁導率且易飽和磁化的軟磁材料在外磁場中非線性磁化的特點制成，由磁芯、激勵線圈及感應線圈組成（張福等，2013），其中感應線圈的工作壽命由多方面因素決定，不易修復。因此，磁通門探頭出現故障，應考慮更換探頭。選取相同型號和尺寸的備用探頭，將4顆位于望遠鏡筒上部底座的螺絲拆卸下即可更換。更換探頭不能使用鐵磁性工具，建議采用純銅或瓷制工具，避免物質接觸表面殘留鐵磁性物質，影響觀測數據精度。

2 儀器參數測定

2.1 磁通門探頭定向

定向目的是使探頭磁軸盡可能與望遠鏡光軸重合，可通過計算不重合度得到δ（望遠鏡水平狀態時磁通門探頭磁軸方向與經緯儀光軸在水平面上的夾角）、ε（相應位置的垂直角度），從而獲得探頭磁軸與光軸間相對位置的穩定性及磁通門零場漂移的穩定性。

計算公式如下

式中，A1′、A2′、A3′、A4′為改正后的4組磁偏角觀測值，V1、V2、V3、V4為修正后的傾角I的垂直度盤讀數，IC1、IC2、IC3、IC4為結合相對記錄值計算的與V1、V2、V3、V4對應的數值。

計算通海地磁臺2015年1—6月δ、ε值并繪圖，見圖1。磁通門探頭于5月1日進行格值標定。

2.2 零場漂移S0

S0指磁通門電子線路部分的零場漂移，選取2015年1—6月觀測數據，經過相同DI儀組合，計算得不同記錄儀零場漂移，其中H為當地水平分量概值（圖2）。S0計算公式為

圖1 2015年1—6月水平角度δ、垂直角度ε曲線Fig.1 Horizontal angle δ,vertical angle ε curve from January to June 2015

圖2 零場漂移S0Fig.2 Offset value S0

2.3 格值與線性度標定

磁通門檢測器輸出的電壓值（mV）轉換為磁場值（nT）的轉換系數η（又稱DI儀格值）。使用DI儀進行近零法，觀測D時，檢測器的輸出是地磁場水平強度H在磁通門探頭的磁軸上的投影測量I時，檢測器的輸出是地磁場總強度F在磁通門探頭的磁軸上的投影。故

式中，α、β分別是測D和測I時磁軸方向與地磁場水平強度和總強度方向夾角的余角。

據此，在已知H或F的數值時，探頭偏離指零位置的角度與檢測器的輸出值之間就存在一個固定關系。由此即可對DI儀的格值和線性度進行標定。

選擇磁場平靜時，采用測I的方式進行連續不間斷測量。數據測量開始時間為2015年5月1日晚9時整，垂直度盤讀數變化量依次為：+1、0、-1、+2、0、-2、+3、0、-3、+4、0、-4、+5、0、-5、+6、0、-6、+7、0、-7、+8、0、-8、+9、0、-9、+10、0、-10（數值選取依據電磁臺網運行管理細則）。格值計算公式為

式中： η為格值系數，F0為F變化理論值，F1為F變化輸出值，Fα為觀測時段總場概值。計算結果見表1、表2和圖3。

表1 MINGEO-DI儀磁通門探頭格值標定計算Table 1 MINGEO-DI scale value calibration

表2 格值計算結果Table 2 Scale calibration value

圖3 格值計算Fig.3 Scale value calculation

3 數據分析

3.1 磁通門探頭定向

3.1.1 水平角度δ。從圖1水平角度δ曲線可以看出，1—4月變化比較平穩，其中數據變化未超過0.3′。更換探頭重新定向后數據最大變化3.82′，6月下降約1′。偶爾出現的大幅跳動應不是儀器的問題，受溫度影響，δ、ε值也會發生變化（朱兆才，2005）。因此可以看到，水平角度雖然變化較快，但在一定程度上反映了探頭的穩定性。

3.1.2 垂直角度ε。從圖1垂直角度ε曲線可以看出，1—4月垂直角度基本在零點附近，數據變化維持在0.2′之內。更換探頭后，較之前有大幅下降，降幅約1′。定向后再觀測，垂直角度比較穩定。

3.2 零場漂移S0

從圖2的觀測結果看，零場漂移在前4個月2套組合記錄儀計算出的漂移變化量均未超過2.5 nT，5月啟用新值后，零場漂移反向為負值。在后1個月的觀測計算中，零場漂移趨于穩定，有幾組跳動，分析認為：①更換的磁通門探頭電子線路部分的零場漂移還不夠穩定；②絕對觀測墩或相對記錄墩不同程度地變化；③記錄室溫度、濕度可能是影響因素。

3.3 格值

從表2看到前4組均方差超標，與初始觀測時儀器與磁通門穩定性有關。1—3組

測量值誤差較大，第2組的均方差達0.019 7。選取5—10組計算格值-0.968 53，均方差0.002 308，標定結果較好。圖3表明，1—3組觀測值跳動幅度大，最大有超過0.5的變化量；在垂直度盤變化量很小的情況下，帶來的整體誤差較大；第4組后數據線性度較好；6組數在一定程度上靠近，誤差不超過0.1，在具體選定格值時可取數值接近的幾組。

4 結論

MINGEO-DI儀磁通門探頭更換后，通過對探頭性能可行性進行調試和測試，基于數據分析得出以下結論：①探頭安裝后定向是必要的。在1—4月探頭垂直角度變化平穩，說明之前觀測儀器參數正常。5月后測量結果較之前有一個臺階變化，但定向后觀測值平穩，更換探頭后觀測數據基本控制在1′以內，變化形態正常；②磁通門探頭與磁通門檢測器配套使用，若單換探頭，需要進行格值和絕對零點值修正，均方差≤3‰，符合觀測規范要求。

郭建芳，周劍青，王莉森，等.208#CTM-DI磁通門地磁經緯儀的性能初步分析[J].地震地磁觀測與研究，2008，29（6）：55.

王娜，于春頌，王艷榮，等.CTM-DI磁通門經緯儀觀測操作方法[J].地震地磁觀測與研究，2006，27（Z1）：58-59.

王治業，姜華.CTM-DI磁力儀的應用與故障分析[J].東北地震研究，2009，25（2）：58-59.

張福，王錫軍.通海臺磁通門地磁記錄儀基線值日變化現象[J].防災科技學院學報，2013，15（1）：36-37.

朱兆才.數字三分量磁通門磁變儀定向的研究數字三分量磁通門磁變儀定向的研究[J].東北地震研究，2005，21（1）：66-67.

Jerzy Jankowski,Christian Sucksdorff.地磁測量與地磁臺站工作指南［M］.北京：地震出版社，1997：2-4.

MINGEO-DI instrument fl uxgate probe replacement

Yao Yuan1)，Wang Xiaomei2)，Zhang Ping3)，Xu Jin1)，Sun Weihuai1)，Zhang Fu1)，Jiang Wei1)and Wang Xijun1)
1) Tonghai Seismic Station,Yunnan Province 652700,China
2) Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China
3) Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,China

Because of the MINGEO-DI observation instrument fails,the fluxgate probe is replaced after troubleshooting.In this paper,the fluxgate probe transplantation,orientation methods and precautions,the horizontal angle δ and vertical angle ε calculation after the transplant,and the scale value and the linearity calibration for the new transplant probe during selected geomagnetic quiet period are introduced.Finally,by comparing the late observation data analysis,the importance and necessity of orientation and calibration of transplanted probe is validated.

probe transplantation，probe orientation，scale value，linearity，MINGEO-DI instrument

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.021

姚遠（1990—），男，云南大學地質系畢業，從事地磁基準觀測工作。E-mail： 561623673@qq.com

本文收到日期：2015-12-11