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国产自动化磁通门经纬仪研制

归档日期:10-15       文本归类:磁经纬仪      文章编辑:爱尚语录

  第 39 卷 第 5 期 2018 年 10 月 地震地磁观测与研究 SEISMOLOGICAL AND GEOMAGNETIC OBSERVATION AND RESEARCH doi: 10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2018. 05. 025 Vol.39 No. 5 Oct. 2018 国产自动化磁通门经纬仪研制 范晓勇1) 张 涛1) 张 策1) 张小涛2) 蔡 寅3) 1)中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所 2)中国河北 056001 河北省地震局邯郸中心台 3)中国济南 250014 山东省地震局 摘要 通过激光准直机构、无磁二维旋转机构、二维旋转控制与角度测定等装置的设计, 并通过磁通门传感器配置、数据采集与总控装置设计和地磁场偏角与倾角自动算法的研究 与实现,构建自动化地磁倾角与偏角自动测量系统原理样机。通过原理样机的实验验证和 误差分析,取得地磁绝对观测系统关键技术,为地磁自动化绝对观测系统研制提供技术支 撑,突破目前人工观测的限制,为地磁无人值守台站观测模式的发展提供有力保障。 关键词 无磁二维旋转机构;二维旋转控制;自动测量 0 引言 DI 仪作为地磁偏角 D 和地磁倾角 I 的观测设备,是目前实现地磁观测的主要绝对观 测仪器之一 。地磁绝对观测依然处于人工测量阶段,由于人工观测 DI 仪属于高精密仪器, 加工工序复杂,生产难度大,且需求有限,造成人工观测 DI 仪无法形成生产规模,基本 处于停产状态 。人工观测 DI 仪完全依赖人工观测完成测量,为了达到较高的观测精度, 每个台站需配备专职观测员,由于受到时间、体力、人为误差等因素的影响,致使现有人 工观测 DI 仪无法大量普及,更无法实现长时间连续观测;同时,由于观测人员无法在高 海拔、荒漠、海岛等自然条件较差的环境中观测,导致人工观测 DI 仪无法突破地域限制 ( Loo et al,2007;Auster et al,2007;谢凡等,2011;谢凡,2012;王锋吉等,2013)。 开展地磁绝对观测自动化技术研究和仪器研发,是实现地磁台站完全自动化的关键, 也是实现地磁台站无人值守的必经之路,是当前地磁观测技术研究的热点 。国际气象学 和大气物理学会( the International Association of Geomagnetism and Aeronomy,IAGA) 的成员单位均开展了自动化绝对地磁观测系统研发,其中仅德国和比利时开展了地磁场 倾角与偏角自动观测技术研究和观测系统研发,并已制成样机( Rasson et al,2008)。 基于传统磁通门经纬仪观测原理,比利时皇家气象学院的 RASSON 团队于 2004 年 开始 AUTODIF 绝对地磁观测系统的研发,实验样机于 2006 年完成,截至 2012 年已完 成 3 代样机研制,第 3 代样机实现了自动化观测与数据采集,磁偏角 D 的测量误差小 于 20′,磁倾角 I 的测量误差小于 6′,实现全天连续测量( Magnetic Valley,2012)。德 作者简介:范晓勇(1983 —),男,硕士研究生,助理研究员,主要从事地磁观测与仪器研发工作 。 E-mail: 基金项目:山东省自然科学基金(项目编号:ZR2015DQ002) 本文收到日期:2018-09-28 第5期 范晓勇等:国产自动化磁通门经纬仪研制 173 国布伦瑞克工业大学 Auster 团队基于高斯的地磁空间理论,通过欧拉变换实现地磁空 间与地理空间的磁场值变换( Auster et al,2007),于 2003 年完成 GAUSS( geomagtic automated system)绝对地磁观测系统的研制( Auster et al,2003)。 国产自动化磁通门经纬仪原理样机研制工作于 2017 年完成,填补了中国相关研究空 白,项目组完成了无磁二维旋转机构设计与模型仿真、高精度照准机构研制等主要关键 技术的研究工作,为自动化磁通门经纬仪国产化奠定了研究基础 。 1 观测原理 磁偏角 D 是磁北方向与地理北方向的夹角,这是一个水平面内的夹角 。因此,测量 D 是利用水平度盘读数,在水平度盘上确定磁北和地理北的位置,进而计算得到磁偏角 数值 。磁倾角 I 是地磁场总强度 F 与水平强度 H 的夹角,是一个在磁子午面内的夹角 。 因此,测量 I 要求磁轴在磁子午面内,利用垂直度盘读数,在垂直度盘上确定地磁场总 强度方向,进而计算得到磁倾角数值,见图 1、图 2。 ?????M ??m D ??? ? ˋ ?? ? 图 1 磁北、地理北和标志关系 Fig.1 Sketch for the relationship among geomagnetic North pole, geographical North pole and the instrument mark H ?? I ?? H I F Z (a) Z F (b) 图 2 测量 D、I 时磁轴方向与地磁场矢量方向关系 (a) 测量 D;(b) 测量 I Fig.2 Sketch for the relationship between directions of the magnetic axis and the geomagnetic vector when D and I are measured 2 关键技术研究 2.1 设计结构 GPS 自动化磁通门经纬仪主要由控制主机、 ζ? 集成电源和测量本体组成,见图 3。控制主 ???ζ 机主要功能为:实现与 PC 端的网络通讯和 数据传输;实现集成电源为测试本体的供电 控制;实现电机运动使能信号的传输,控制 电机转动参数;通过 GPS 授时,完成测试 ?????? ???? ???? ? ?????

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