MINGEO-DI仪磁通门探头更换标定

姚 远王晓美张 平徐 金孙维怀张 福蒋 薇王锡军

1）中国云南652700通海地震台

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

3）中国昆明650100云南省地震局

MINGEO-DI仪磁通门探头更换标定

姚 远1）王晓美2）张 平3）徐 金1）孙维怀1）张 福1）蒋 薇1）王锡军1）

1）中国云南652700通海地震台

2）中国北京100081中国地震局地球物理研究所

3）中国昆明650100云南省地震局

因MINGEO-DI仪出现故障需更换磁通门探头，介绍探头更换、定向方法和注意事项，更换探头后计算水平角度δ、垂直角度ε，选择地磁平静时段标定格值与线性度，并经过后期观测数据对比分析，验证磁通门探头定向和性能标定的重要性和必要性。

探头更换；探头定向；格值、线性度；MINGEO-DI仪

0 引言

基准地磁台监视全球地磁场长期变化，为地球主磁场、地球核幔边界物质运动、地球磁场的电离层和磁层活动的研究提供基础数据（Jerzy Jankowski et al，1997）。通海地磁台是位于中国西南的一个基准地磁台，地处云南省中部地区。在台站绝对观测工作中，以DI 仪与质子旋进磁力仪组合而构成D、I、F的绝对观测(王娜等，2006)。目前通海地磁台采用MINGEO-DI仪作为磁偏角、磁倾角绝对观测仪器（张福等，2013），与相对记录仪器结合，提供连续、完整的地磁观测数据。

1 磁通门探头更换

MINGEO-DI仪由无磁经纬仪、磁通门探头、磁通门检测器3 部分组成，磁通门探头固定在经纬仪的望远镜上，随望远镜光轴转动，如果外磁场方向与磁轴方向正交，则磁通门传感器检测出的磁场为零（朱兆才，2005），在测量时通过使传感器磁轴与磁场正交，确定地磁场矢量的方向，进而测量地磁场的磁偏角D和磁倾角I。通海地磁台（以下简称通海台）磁通门检测器于2015年4月27日出现数据跳动异常或者无法显示数据的现象。故障排查未发现磁通门探头与检测器存在断线现象。磁通门传感器利用高磁导率且易饱和磁化的软磁材料在外磁场中非线性磁化的特点制成，由磁芯、激励线圈及感应线圈组成（张福等，2013），其中感应线圈的工作寿命由多方面因素决定，不易修复。因此，磁通门探头出现故障，应考虑更换探头。选取相同型号和尺寸的备用探头，将4颗位于望远镜筒上部底座的螺丝拆卸下即可更换。更换探头不能使用铁磁性工具，建议采用纯铜或瓷制工具，避免物质接触表面残留铁磁性物质，影响观测数据精度。

2 仪器参数测定

2.1 磁通门探头定向

定向目的是使探头磁轴尽可能与望远镜光轴重合，可通过计算不重合度得到δ（望远镜水平状态时磁通门探头磁轴方向与经纬仪光轴在水平面上的夹角）、ε（相应位置的垂直角度），从而获得探头磁轴与光轴间相对位置的稳定性及磁通门零场漂移的稳定性。

计算公式如下

式中，A1′、A2′、A3′、A4′为改正后的4组磁偏角观测值，V1、V2、V3、V4为修正后的倾角I的垂直度盘读数，IC1、IC2、IC3、IC4为结合相对记录值计算的与V1、V2、V3、V4对应的数值。

计算通海地磁台2015年1—6月δ、ε值并绘图，见图1。磁通门探头于5月1日进行格值标定。

2.2 零场漂移S0

S0指磁通门电子线路部分的零场漂移，选取2015年1—6月观测数据，经过相同DI仪组合，计算得不同记录仪零场漂移，其中H为当地水平分量概值（图2）。S0计算公式为

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

图2 零场漂移S0Fig.2 Offset value S0

2.3 格值与线性度标定

磁通门检测器输出的电压值（mV）转换为磁场值（nT）的转换系数η（又称DI仪格值）。使用DI仪进行近零法，观测D时，检测器的输出是地磁场水平强度H在磁通门探头的磁轴上的投影测量I时，检测器的输出是地磁场总强度F在磁通门探头的磁轴上的投影。故

式中，α、β分别是测D和测I时磁轴方向与地磁场水平强度和总强度方向夹角的余角。

据此，在已知H或F的数值时，探头偏离指零位置的角度与检测器的输出值之间就存在一个固定关系。由此即可对DI仪的格值和线性度进行标定。

选择磁场平静时，采用测I的方式进行连续不间断测量。数据测量开始时间为2015年5月1日晚9时整，垂直度盘读数变化量依次为：+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（数值选取依据电磁台网运行管理细则）。格值计算公式为

式中： η为格值系数，F0为F变化理论值，F1为F变化输出值，Fα为观测时段总场概值。计算结果见表1、表2和图3。

表1 MINGEO-DI仪磁通门探头格值标定计算Table 1 MINGEO-DI scale value calibration

表2 格值计算结果Table 2 Scale calibration value

图3 格值计算Fig.3 Scale value calculation

3 数据分析

3.1 磁通门探头定向

3.1.1 水平角度δ。从图1水平角度δ曲线可以看出，1—4月变化比较平稳，其中数据变化未超过0.3′。更换探头重新定向后数据最大变化3.82′，6月下降约1′。偶尔出现的大幅跳动应不是仪器的问题，受温度影响，δ、ε值也会发生变化（朱兆才，2005）。因此可以看到，水平角度虽然变化较快，但在一定程度上反映了探头的稳定性。

3.1.2 垂直角度ε。从图1垂直角度ε曲线可以看出，1—4月垂直角度基本在零点附近，数据变化维持在0.2′之内。更换探头后，较之前有大幅下降，降幅约1′。定向后再观测，垂直角度比较稳定。

3.2 零场漂移S0

从图2的观测结果看，零场漂移在前4个月2套组合记录仪计算出的漂移变化量均未超过2.5 nT，5月启用新值后，零场漂移反向为负值。在后1个月的观测计算中，零场漂移趋于稳定，有几组跳动，分析认为：①更换的磁通门探头电子线路部分的零场漂移还不够稳定；②绝对观测墩或相对记录墩不同程度地变化；③记录室温度、湿度可能是影响因素。

3.3 格值

从表2看到前4组均方差超标，与初始观测时仪器与磁通门稳定性有关。1—3组

测量值误差较大，第2组的均方差达0.019 7。选取5—10组计算格值-0.968 53，均方差0.002 308，标定结果较好。图3表明，1—3组观测值跳动幅度大，最大有超过0.5的变化量；在垂直度盘变化量很小的情况下，带来的整体误差较大；第4组后数据线性度较好；6组数在一定程度上靠近，误差不超过0.1，在具体选定格值时可取数值接近的几组。

4 结论

MINGEO-DI仪磁通门探头更换后，通过对探头性能可行性进行调试和测试，基于数据分析得出以下结论：①探头安装后定向是必要的。在1—4月探头垂直角度变化平稳，说明之前观测仪器参数正常。5月后测量结果较之前有一个台阶变化，但定向后观测值平稳，更换探头后观测数据基本控制在1′以内，变化形态正常；②磁通门探头与磁通门检测器配套使用，若单换探头，需要进行格值和绝对零点值修正，均方差≤3‰，符合观测规范要求。

郭建芳，周剑青，王莉森，等.208#CTM-DI磁通门地磁经纬仪的性能初步分析[J].地震地磁观测与研究，2008，29（6）：55.

王娜，于春颂，王艳荣，等.CTM-DI磁通门经纬仪观测操作方法[J].地震地磁观测与研究，2006，27（Z1）：58-59.

王治业，姜华.CTM-DI磁力仪的应用与故障分析[J].东北地震研究，2009，25（2）：58-59.

张福，王锡军.通海台磁通门地磁记录仪基线值日变化现象[J].防灾科技学院学报，2013，15（1）：36-37.

朱兆才.数字三分量磁通门磁变仪定向的研究数字三分量磁通门磁变仪定向的研究[J].东北地震研究，2005，21（1）：66-67.

Jerzy Jankowski,Christian Sucksdorff.地磁测量与地磁台站工作指南［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

姚远（1990—），男，云南大学地质系毕业，从事地磁基准观测工作。E-mail： 561623673@qq.com

本文收到日期：2015-12-11