CN102147482A - 一种用于浅层csamt方法的感应式磁传感器的发明 - Google Patents

Abstract

本发明实现了一种用于浅层CSAMT方法的感应式磁传感器，解决了工作频率在10KHz～100KHz的CSAMT观测方法中的磁场信号的收集。本发明采用了在高磁导率细长磁芯上缠绕多匝漆包线线圈感应待测磁场信号，并将感应信号送入低噪声放大器进行信号，达到可观测范围的电压信号。整个传感器采用磁流负反馈形式实现。磁流负反馈是将输出信号通过反馈电阻与次线圈的方式反馈到输入，以增大线圈的工作带宽，增强系统的温度稳定性、机械稳定性。实践证明本发明中的感应式磁场传感器具有噪声低、响应函数平坦等优点，适合CSAMT的工程运用。

Description

一种用于浅层CSAMT方法的感应式磁传感器的发明

技术领域

本发明为探测深度为0～100m之间的可控源大地电磁测深(CSAMT)仪器的核心部件，主要解决目前浅层CSAMT方法的磁场传感器体积庞大，适应性差、稳定性差等问题。可用于工程地质精细调查、地下溶洞分布调查、大型水利工程地质情况调查、大型建筑物地基勘探等领域。

背景技术

随着我国国民经济的飞速发展，重大工程的实施日益增多，如修建高楼大厦、修建高速铁路、大型水利工程等。在此过程中了解工程区域的地下深度为100米以内精细地质情况尤为重要，如溶洞分布、采空区分布等。实践表明施工区浅层(深度在100米以内)地质情况将直接影响工程施工的进行，如果能采用合适勘探仪器，准确的勘查地质状况，则可以指导工程布局、指导钻探、打桩施工，提高钻探、打桩成功率，降低施工成本、减低事故发生率，为生命安全提供保障。

电磁法是探测地下目标的手段之一，它利用电磁波的穿透特性，接收来自地下的电磁波，反演出地下目标的特征与分布情况。CSAMT方法作为电磁法之一，具有广泛的应用，目前CSAMT方法多用于探测地下200～1000米范围内的矿产资源勘探中，但是他对于浅层的100米的分辨率并不理想，其原因在于缺乏接收频率在10KHz～100KHz范围内的磁场传感器。目前市场较多的为工作频率为10KHz以下的磁场传感器，10KHz以上的传感器普遍信号反应差、体积庞大、不便于携带等缺点。

本发明着眼解决这一问题，为浅层CSAMT技术提高合适的磁场传感器，它具有体积小、噪声低、稳定性强等优点，适合工程化的CSAMT方法。

发明内容

感应式磁场传感器是采用电磁感应定律(法拉第定律)设计的磁场传感器，当外界存在待测变化磁场B时，在置于磁场的线圈两端存在电压差，可以表示为：

(公式1)

其中，n表示线圈的匝数，s表示线圈的截面积，负号表示线圈的电压差与磁场的变化成反比关系。当在线圈中放置可以增强B的软磁材料后，B可表示为：

B＝μ_appμ₀H  (公式2)

其中，μ_app表示软磁材料的有效磁导率，如果不放置任何磁性材料，此值为1；μ₀表示真空中的磁导率，为4π×10^-7H□m^-1，H为磁场强度。

本发明依据法拉第定律设计的感应式磁场传感器结构如图1所示，图中中心位置为高磁导率磁芯，用于增强B；在磁芯外层带有一层薄环氧树脂套，用于包含磁芯不受外界撞击，在环氧树脂套上，分组绕制多匝漆包线线圈，线圈的引线接入低噪声放大电路，放大电压信号，放大电路输出最后接入数据采集板。

此外发明还包括静电场屏蔽罩、线圈支撑架等辅助性部件。

整体结构采用磁流负反馈结构，如图2所示，待测磁场H在磁芯材料中产生B，变化的B在感应线圈中产生电压V，电压经过前置放大器分为两路，一路经过第二级放大器、滤波送至数据采集板，一路经过反馈回路送至输入端，反馈回路包括反馈电阻与产生磁流的线圈，所产生的磁流与待测磁场相反。

磁流负反馈结构等效电路为如图3所示。则可以表示为输出电压Vo可以表示为：

$\frac{V_o}{e}=\frac{G}{1+\mathrm{j\ω}(R_{\mathrm{sc}}+\frac{\mathrm{GM}}{R_{\mathrm{fb}}})-L_{p}C{\mathrm{\ω}}^2}$ (公式3)

V_o表示传感器输出电压，e表示感应线圈的感应电压，G表示放大器增益，R_sc表示线圈热电阻大小，R_fb表示反馈电阻的大小，L_p表示感应线圈电感大小，C表示放大器输入端电容与感应线圈电容的综合值。

联立公式1，则可以表示为：

$\frac{V_o}{B}=\frac{-\mathrm{j\ω}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{app}}{N}_1\mathrm{SG}}{1+\mathrm{j\ω}(R_{\mathrm{sc}}C+\frac{\mathrm{GM}}{R_{\mathrm{fb}}})-L_{p}C{\mathrm{\ω}}^2}$ (公式4)

上式中，V_o表示输出电压，ω表示频率，N₁表示为主线圈的圈数，S表示磁芯截面积，G表示放大器增益，R_fb表示反馈电阻。上式是在ωL_s□R_fb的条件下获得。

磁流反馈的等效噪声图如图4所示，则输入电压噪声可以有如下表达式：

${\left|e_m\right|}^2={\left|e_n\right|}^2\frac{{|1+\mathrm{j\ω}{R}_{\mathrm{sc}}C-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{p}C|}^2}{{|1+\mathrm{j\ω}(R_{\mathrm{sc}}C+\frac{\mathrm{MG}}{R_{\mathrm{fb}}})-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{p}C|}^2}$ (公式5)

e_m表示折合到放大器输入端的等效电压噪声电平，e_n表示放大器输入电压噪声大小。电流噪声引起的电压噪声可以表示为：

${\left|e_{\mathrm{isc}}\right|}^2={\left|i_n\right|}^2\frac{{|R_{\mathrm{sc}}+\mathrm{j\ω}{L}_p|}^2}{{|1+\mathrm{j\ω}(R_{\mathrm{sc}}C+\frac{\mathrm{MG}}{R_{\mathrm{fb}}})-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{p}C|}^2}$ (公式6)

e_isc表示折合到放大器输入端的输入电流噪声产生的等效电压噪声电平，i_n表示放大器输入电流噪声大小。

感应线圈的热噪声e_r可以表示为：

${\left|e_r\right|}^2=\frac{4k_b\mathrm{T\Δf}{R}_{\mathrm{sc}}}{{|1+\mathrm{j\ω}(R_{\mathrm{sc}}C+\frac{\mathrm{GM}}{R_{\mathrm{fb}}})-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{p}C|}^2}$ (公式7)

反馈电阻引起的输入噪声e_rfb：

${\left|e_{\mathrm{rfb}}\right|}^2=\frac{{\left|\frac{\mathrm{\ωM}}{R_{\mathrm{fb}}}\right|}^{2}4k_b\mathrm{T\Δf}{R}_{\mathrm{sc}}}{{|1+\mathrm{j\ω}(R_{\mathrm{sc}}C+\frac{\mathrm{GM}}{R_{\mathrm{fb}}})-{\mathrm{\ω}}^2{L}_{p}C|}^2}$ (公式8)

忽略其他噪声带来的影响，则输入端带来的噪声可以表示为：

|e_nt|²＝|e_ni|²+|e_isc|²+|e_rfb|²+|e_r|²           (公式9)

由此计算传感器的灵敏度，即传感器的本底噪声，噪声越低越好。

附图说明

图1感应式磁传感器结构图

图2磁流负反馈结构图

图3磁流负反馈等效电路图

图4系统噪声等效模型

具体实施方式

1.磁芯实现方式

构成磁芯的磁性材料具有参数为相对磁导率μ_r(或称初始磁导率)，有效磁导率可以通过相对磁导率进行计算得到，由如下公式表示：

(公式10)

N_B为消磁因子常数，可以表示为：

(公式11)

其中L_c、D_c分别磁芯的长度和直径。

本方案选择磁芯磁导率在30 000以上的1J85型号坡莫合金，其主要成分是FeNiMo17％-78％-5％，1J85型坡莫合金由于其较高的初始磁导率，广泛用于磁传感器中。本方案设计长径比为40∶1，具体尺寸还考虑到工作中的便携性，感应线圈的灵敏度等因素。磁芯采用厚度为0.03mm的坡莫合金带材叠放而成，层层之间材料高温绝缘氧化物涂层，再经过热处理、定型、测试。最后涂层厚度约为叠片厚度的1/4。

实际上，磁芯材料的初始磁导率是温度、压力等外界因素的敏感性函数，当温度变化时，μ_r变化可能在数倍左右。由公式可知，适当的长径比可以使得在μ_r变化较大的情况下，μ_e值保持不变。根据公式10计算得到的有效磁导率为388，当初始磁导率变化30 000～100 000之间时，有效磁导率的变化在1％以内。这样的设计既考虑到有效利用到高磁导率磁性材料的性能，又兼顾磁芯性能的稳定性。

2.感应线圈实现方式

感应线圈的设计目的是选择合适线圈结构，达到线圈电性能参数L、R、C达到预期值。

由电磁理论可知，当l_c/d_c□10时，电感值可以近似表示为

$L=\frac{N^2{\mathrm{\μ}}_c{\mathrm{\μ}}_{0}A}{l_c}{\left(\frac{l}{l_c}\right)}^{-\frac{3}{5}}$ (公式12)

l_c、d_c表示线圈长度与直径，A表示线圈的面积，μ_c表示磁芯磁导率，μ₀表示真空中相对磁导率。

R可以表示为：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{4l_w}{\mathrm{\π}{d_w}^2}$ (公式13)

ρ表示绕线材料的电阻率；l_w表示绕线的长度；d表示绕线的直径。通常情况下，根据几何关系，绕线的长度l_w可以表示成如下公式：

$l_w=N\frac{\mathrm{\π}(d_{\mathrm{out}}+d_{\mathrm{in}})}{2}$ (公式14)

d_out、d_in为感应线圈的内径与外径，可得R的表达式：

$R=\mathrm{\ρ}\frac{2N^2(d_{\mathrm{out}}+d_{\mathrm{in}})}{d_w}$ (公式15)

本发明中，R约为1.3K欧姆，L约为12亨利。发明中采用多端对称绕法对其进行绕制，所能达到分布电容值小于12nF。

3.电子线路实现方式

电子线路主要实现两个功能：一实现观测信号的低噪声放大；二实现磁流负反馈。

低噪声放大电路采用JFET差分放大器作为第一级放大器，可提供的等效电压噪声分别为

等效电流噪声约为

电压放大倍数为400倍，第二、三级放大分别采用运算放大器实现，放大倍数分别为10倍、10倍。

负反馈采用精密电阻与线圈实现，精密电阻的大小约为27K欧姆，线圈的电感值约为数个μH，绕制方向与感应线圈方向相反。

Claims (9)

1.一种用于浅层可控源大地电磁测深方法(CSAMT)的感应式磁传感器，其特征在于，包括：

高磁导率磁芯，用于增强CSAMT磁场信号强度；

多匝漆包线线圈，用于将CSAMT磁场信号转化为电压信号；

低噪声放大电路，用于将电压信号进行放大，直至可以观测；

磁流负反馈回路，用于改善磁传感器的频率特性；

静电屏蔽罩，用于屏蔽静电场对线圈所产生的影响，增强观测可靠性。

2.如权利要求1所述的感应式磁传感器，其特征在于：

工作带宽为10KHz～100KHz，用于感应探测区域浅层的磁场信号，分辨浅层地质电导率异常体。

3.如权利要求1所述的感应式磁传感器，其特征在于，包含的高磁导率磁芯包括：

采用坡莫合金带材叠放而成，带材表面涂有MgO高温绝缘层，减小磁场在磁芯内的涡流场；

带材厚度小于磁场信号的趋肤深度；

带材成分包含铁元素、钼元素、镍元素。

4.如权利要求1所述的感应式磁传感器，其特征在于，包含的漆包线线圈包括：

漆包线线圈采用准随机绕法绕制和分成多个段组绕制，以减小自身的分布电容大小；

包括数万扎线圈；

采用中心位置绕制多层，两端层数逐渐减小的方法绕制，以增强电感值。

5.如权利要求1所述的感应式磁传感器，其特征在于，包含的低噪声放大电路包括：

低噪声放大电路的等效输入电压噪声、电流噪声与感应线圈阻抗匹配，实现输出噪声最小；

包含BJT或者FFT差分放大器、运算放大器等集成电路与相应的滤波器。

6.如权利要求1所述的感应式磁传感器，其特征在于，包含的磁流负反馈回路包括：

反馈电阻，用于控制反馈电流大小；

反馈负线圈，用于产生反馈磁流，抵消原磁场信号。

7.一种高磁导率磁芯设计方法，其特征在于，包括：

采用有限元方法计算磁芯带材中的涡流场分布，选择符合条件的带材；

计算磁芯的有效磁导率，量化磁场信号增强幅度大小；

提取磁芯等效损耗阻抗，用于衡量磁芯损耗。

8.一种低噪声放大电路设计方法，其特征在于，包括

采用阻抗匹配法优化前置放大器的工作状态，使其等效输出噪声最小；

采用多级放大结构，使得被检测信号逐步放大至可观测值；

采用电容仿真软件，如ADS、PSPICE等，实现其前期仿真。

9.一种磁流负反馈回路结构设计方法，其特征在于，包括

采用输出电压信号，产生电流，进而产生与原磁场方向相反的磁场，抵消原磁场，达到提高观测带宽的目的；

采用深负反馈条件，实现其观测带宽内增益平坦化。

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