為實(shí)現(xiàn)地磁矢量場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)目標(biāo)，提供高分辨力、低噪聲和長(zhǎng)期穩(wěn)定特點(diǎn)的相對(duì)記錄儀器。研制的磁通門傳感器采用高導(dǎo)磁率坡莫合金作為磁芯材料，激勵(lì)線圈直接纏繞在高塑性、較高持久蠕變強(qiáng)度的環(huán)形合金骨架上，感應(yīng)線圈和補(bǔ)償線圈纏繞在低溫度系數(shù)的玻璃鋼骨架上，抑制外界溫度對(duì)傳感器輸出的影響，獲得較低的溫度系數(shù)；同時(shí)采用懸掛磁探頭的方式，消除因觀測(cè)墩的傾斜導(dǎo)致的漂移，這通常是相對(duì)記錄儀器基線漂移的主要原因，以及觀測(cè)儀器在安裝過程中因水平調(diào)節(jié)而引入的安裝誤差。懸掛機(jī)構(gòu)采用具有與特殊鋼相當(dāng)高硬度和耐磨性的鈹銅制作成無磁萬向節(jié)，使其具有自動(dòng)校平功能，實(shí)現(xiàn)以Z軸傾斜±6°內(nèi)自動(dòng)調(diào)平。

1.小型化磁通門探頭，磁探頭磁芯采用1J86坡莫合金薄帶軟磁材料，經(jīng)1100度高溫退火處理后具有最大磁導(dǎo)率 μm 50000 Gs/Oe、高飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度 Bs 0.23T和極低的矯頑力 Hc 0.0164 Oe ，使其對(duì)微弱磁場(chǎng)信號(hào)反應(yīng)靈敏。磁芯直徑從原先50mm縮小為30mm；

2.懸掛磁探頭結(jié)構(gòu)，采用一種傳感器軸心面與地理水平面重合度自動(dòng)修正調(diào)整機(jī)構(gòu)，保證初始安裝時(shí)三分量傳感器的軸心所在面與地理水平面始終重合，消除儀器初始安裝過程因水平調(diào)節(jié)引入的誤差.調(diào)整機(jī)構(gòu)的核心為萬向節(jié)，采用與特殊鋼相當(dāng)高硬度和耐磨性的鈹銅制作；

3.磁探頭鎖緊及密封結(jié)構(gòu)，自鎖裝置包括一個(gè)旋桿和一個(gè)位于懸掛傳感器下方的升降托盤，同時(shí)基座也設(shè)有密封槽，這樣可以保證磁探頭的整體密封性。通過調(diào)節(jié)升降調(diào)節(jié)裝置，使升降調(diào)節(jié)裝置的頂端與探頭裝配機(jī)構(gòu)的底端固定鎖緊或有一定距離，從而實(shí)現(xiàn)磁探頭裝配機(jī)構(gòu)處于鎖緊或懸掛狀態(tài)。

圖1 懸掛磁探頭結(jié)構(gòu)示意圖       圖2 磁探頭鎖緊及密封結(jié)構(gòu)示意圖

研制三軸磁通門傳感器臺(tái)站試運(yùn)行在天津靜海地震臺(tái)開展，樣機(jī)2020年1月至6月的基線值月剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差σD、σH、σZ的最大值分別為 0.68nT, 0.58 nT和 0.44 nT。 

圖3 樣機(jī)2020年1月至6月Z、H、D三分量基線值曲線

圖4 懸掛式磁通門磁力儀整機(jī)的整機(jī)示意圖和實(shí)物圖

研制的懸掛式磁通門傳感器具有噪聲低、體積小、重量輕且長(zhǎng)期穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，以及制作成本低非常適用于地面臺(tái)站磁場(chǎng)記錄、空間磁場(chǎng)測(cè)量、地質(zhì)勘探等多個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)合；同時(shí)實(shí)現(xiàn)了整機(jī)一體化設(shè)計(jì)，便于攜帶和簡(jiǎn)易架設(shè)，非常適用于地震短臨跟蹤和磁異常區(qū)域的加密觀測(cè)。

研究成果發(fā)表于“Measurement Science and Technology ”2021，研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)（2019YFC1509504-02）、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（2014YQ100817-2）和國(guó)家自然科學(xué)基金（41404141）共同資助。

【相關(guān)文獻(xiàn)列表】

1. Ripka, P.Magnetic Sensors and Magnetometers. Artech House Publ. Boston, London.2001.
2. Lenz J, Edelstein A S. Magnetic Sensors and Their applications. IEEE Sens. J. 2006, 6(3):631-649.
3. Valery K, Andriy M.Flux-Gate Magnetometers Design Peculiarities.Surv Geophys, 2012, 33(5):1059-1079.
4. Lei G,Cai W,Saotao Zh,et al.Wide Linearity Range and Highly Sensitive MEMS-Based Micro-Fluxgate Sensor with Double-Layer Magnetic Core Made of Fe-Co-B Amorphous Alloy. Micromachines. 2017,8(352):2-14.
5. Douglas, G. M.；, Héctor. I. A.；Perez, I.；et al.Autonomous Aeromagnetic Surveys Using a Fluxgate Magnetometer.Sensors, 2016; 16, 2169; doi:10.3390/s16122169.
6. Mandea M and Korte M.Geomagnetic Observations and Models.Springer, Dordrecht, Netherlands.2011.
7. O.Rasmussen and E.Kring Lauridsen.Improving baseline drift in fluxgate magnetometers caused by foundation movements,using band suspended fluxgate sensors.Physics of the earth and Planetary interiors,1990,59:78-81.
8. Suqin Zhang，Dongmei Yang.Study on the Stability and Accuracy of Baseline Values Measured During the Calibrating Time Intervals.Data Science Journal,2011,10:19-24.

【作者簡(jiǎn)介】

王曉美，女，滿族，1979年7月出生，博士，高級(jí)工程師。一直從事地磁觀測(cè)儀器的研制、地磁觀測(cè)技術(shù)以及地磁數(shù)據(jù)處理工作。磁測(cè)傳感器包括磁通門磁力儀、感應(yīng)式磁力儀、非晶絲磁傳感器、TMR芯片級(jí)磁傳感器、dIdD矢量磁力儀等；地磁觀測(cè)技術(shù)包括磁通門磁力儀標(biāo)定校準(zhǔn)技術(shù)及定型入網(wǎng)技術(shù)要求、地磁密集臺(tái)陣觀測(cè)、地震危險(xiǎn)區(qū)短臨跟蹤觀測(cè)和地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析及校正。

電子郵件：wxm@cea-igp.ac.cn

辦公電話：010-68729325