CN102608662A - 基于瞬变电磁法的探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及TEM探测技术。本发明公开了一种基于瞬变电磁法的探测装置，其装置结构包括用于产生瞬变电磁场的发射天线和用于接收所述瞬变电磁场激发的二次电磁场的接收天线，所述发射天线由至少2个线圈构成的线圈阵列组成，所述线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。本发明将瞬变电磁法一次场发射天线由单一线圈改为多个线圈组成的线圈阵列，通过调整阵列中各个线圈的相关参数，使其产生的电磁场矢量叠加后汇聚到设定区域，大大改善了发射天线产生的电磁场的发散性，使一次场的覆盖范围受到了约束，提高了发射天线的汇聚性能。本发明主要用于电磁探测领域，如探矿、地下管道检测、金属探测等。

Description

基于瞬变电磁法的探测装置

技术领域

本发明涉及电磁探测技术，特别涉及一种时间域电磁法(Time domain electromagneticmethod)也称为瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简写为TEM)探测技术。

背景技术

瞬变电磁法(TEM)是一种电磁探测技术，主要用于金属探测和矿物资源探测，瞬变电磁法在金属管道状态(如：平均厚度、腐蚀程度、渗漏等)评估中运用较为广泛。TEM利用发射天线中电流的瞬间变化产生脉冲电磁波(称为一次电磁场，或一次场)，在一次电磁场的激励下，被测物体内部由于电磁感应将产生随时间变化的感应电流，该感应电流又在周围空间激发二次电磁场(简称为二次场)，此二次场与被测导体的内部结构状态和参数相关，如管径、材质、管壁厚度、管内输送的介质等，这种脉冲瞬变响应具有时间上的可分性，这是实现管道状态检测的TEM技术基础。在此基础上利用接收天线接收该二次电磁场，分析并研究其与时间的变化关系，就可以对目标管线的当前状态进行定量和定性评估。现有技术用于产生一次电磁场的发射天线，通常采用一个矩形或环形线圈(一般为平面线圈，结构参见图1、图2和图3)，通过控制流过线圈的电流产生突变，激发一次场覆盖区域的金属导体产生二次电磁场辐射。以正方形线圈构成的发射天线为例，其产生的一次场覆盖范围近似为边长＝L+2h的正方形，其中，L为发射天线边长，h为探测深度。由于发射天线输出能量与L相关，为了得到一定的激发能量，L取值不能太小。可以看出，这种发射天线产生的一次场覆盖范围是发散的，随着探测深度的增加，电磁场覆盖范围增加，电磁场覆盖管段范围扩大。对于并行、交叉或靠近的管道，或者被测管道附近存在其他金属物体，由于他们产生的二次电磁场相互干扰，导致检测精度降低，甚至无法分辨有用信号和干扰信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种利用发射天线阵列实现空间电磁场分布向设定区域汇聚的基于瞬变电磁法的探测装置。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，基于瞬变电磁法的探测装置，包括用于产生瞬变电磁场的发射天线和用于接收所述瞬变电磁场激发的二次电磁场的接收天线，其特征在于，所述发射天线由至少2个线圈构成的线圈阵列组成，所述线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

根据TEM的原理，发射天线产生的一次场覆盖范围愈小，测量的精度愈高。因此，本发明结合磁约束方法与瞬变电磁法，将瞬变电磁法一次场发射天线由单一线圈改为多个线圈组成的线圈阵列，通过调整阵列中各个线圈的相关参数，使其产生的电磁场矢量叠加后汇聚到设定区域，大大改善了发射天线产生的电磁场的发散性，使一次场的覆盖范围受到了约束。本发明利用磁约束方法提高了发射天线的汇聚性能，进行探测时能有效避免周围金属介质的干扰，能够有效克服并排管道对检测结果的影响，勘测深度可以提高，能够更精确的测量出小范围内管道参数，如管段平均厚度、直径、腐蚀情况等。

进一步的，通过控制线圈阵列中各线圈流过的电流大小和/或相位使线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

发射天线产生的电磁场，与线圈中流过的电流大小、相位(包括电流方向)有关，通过控制阵列中各个线圈的电流大小及其相位可以达到控制合成电磁场矢量方向和大小的目的，从而使线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

进一步的，通过调整线圈阵列中各线圈的形状和/或相对位置使线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

阵列中各线圈的形状及其相对位置都与线圈阵列的合成电磁场矢量的大小、方向及场的分布有关系，适当地调整各线圈的形状和/或相对位置，可以使线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

优选的，所述线圈阵列由2个线圈构成。

由2个线圈构成的阵列结构最简单，其合成电磁场矢量容易控制，分析计算也比较简单。特别是工程上容易实现，具有实际意义。

具体的，所述2个线圈分别位于2个平行的平面内，其在所述平面垂直方向的投影相接或至少有部分重叠。

该方案利用2个位于平行平面的线圈配置调整空间电磁场的分布，通过调整2个线圈之间垂直距离、重叠部分大小和形状等，可以控制合成电磁场在空间的汇聚方向和位置。2个线圈在其平面垂直方向的投影可以相接或有部分重叠，相接可以理解为重叠部分为0的情况。一般而言，对于重叠配置在两个平行平面内的线圈，合成电磁场主要集中在2个线圈重叠部分所覆盖的区域，即该线圈阵列产生的电磁场向重叠部分所覆盖的区域汇聚。

进一步的，在2个线圈重叠部分配置有第三线圈，所述第三线圈所在平面与所述2个线圈所在平面平行。

在2个线圈重叠部分配置第三线圈，可以通过调整第三线圈的形状、大小、配置位置、驱动电流等，进一步控制合成电磁场的空间汇聚，缩小一次场覆盖范围，提高汇聚性能。

具体的，所述2个线圈结构相同或不同。

通过调整2个线圈的结构，也可以控制合成电磁场的汇聚性能。线圈结构主要包括形状、大小、匝数等参数。

更具体的，所述线圈为矩形线圈或圆形线圈或三角形线圈。

矩形线圈、圆形线圈或三角形线圈是形状比较简单的线圈结构，便于工业化生成和应用。

推荐的，所述三角形线圈为等腰三角形线圈或等边三角形线圈。

等腰三角形线圈或等边三角形线圈在绕制线圈匝数相同的情况下，可以节省线材。而且试验中，采用2个结构相同的等边三角形线圈构成的阵列，电磁场汇聚特性能改善明显，合成矢量调整也比较方便。

更进一步的，所述等腰三角形线圈或等边三角形线圈相接的两条边或重叠部分的两条边平行。

试验证明，这种配置方式，是采用等腰三角形线圈或等边三角形线圈较佳的配置方式，具有汇聚性能好，调整方便的特点。

本发明的有益效果是，利用线圈阵列组成发射天线，能够根据需要通过调整阵列中各个线圈的空间配置，如相对位置、距离，各个线圈的电流大小、相位等，使一次场约束在设定范围，探测时能有效避免周围环境金属介质的干扰，特别有利于解决并排管道检测的实际问题，能够扩大探测深度，更精确的测量出小范围内管道平均厚度，提高腐蚀探测、金属探测、矿产探测的精度和准确性。

附图说明

图1是现有技术矩形发射天线结构示意图；

图2是现有技术环形发射天线结构示意图；

图3是图1和图2中P-P剖面的放大示意图；

图4是实施例1的线圈阵列结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是实施例2的线圈阵列结构示意图；

图7是图6的俯视图；

图8是实施例3的线圈阵列结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是实施例4的线圈阵列结构示意图；

图11是图10的俯视图；

图12是实施例5的线圈阵列结构示意图；

图13是图12的俯视图；

图14是电磁场分布仿真图。

其中，10——导线；11——绝缘介质；1——第一线圈；2——第二线圈；3——第三线圈；A——第一线圈和第二线圈重叠部分覆盖的空间区域；B——第一线圈、第二线圈和第三线圈重叠部分覆盖的空间区域；a——第三线圈与第一线圈之间的距离；L——第一线圈与第二线圈之间的距离；d——第一线圈和第二线圈重叠部分长度；I1、I2和I3分别为第一线圈、第二线圈和第三线圈的驱动电流。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

现有技术发射天线采用的线圈结构如图1、图2和图3所示。从剖面图图3中可以看出，图1、图2分别是19匝的矩形和环形线圈。这种发射天线产生的一次场是发散的，图14a给出了边长50cm的正方形线圈，顺时针方向通入1A的驱动电流，在距离线圈平面100cm处的电磁场分布仿真图。

本发明根据TEM的原理，对发射天线产生的一次场进行约束，将瞬变电磁法一次场发射天线由单一线圈改为由多个线圈组成的线圈阵列，这些构成阵列的线圈称为子线圈。本发明的发射天线阵列，可以通过调整阵列中各个子线圈的空间位置、形状、大小、驱动电流(包括电流大小、相位)，使其产生的电磁场矢量叠加后汇聚到设定区域。本发明大大改善了单一发射线圈产生的电磁场的发散性，使一次场的覆盖范围受到了约束。本发明利用磁约束方法提高了发射天线的汇聚性能，进行探测时能有效避免周围金属介质的干扰，有效克服并排管道对检测结果的影响，勘测深度可以提高，能够更精确的测量出小范围内管道参数，如管段平均厚度、直径、腐蚀情况等。下面的实施例对本发明的线圈阵列结构进行描述，需要说明的是，下述实施例仅用于说明本发明，其并不能穷尽本发明的线圈阵列结构，更不应将其理解为对本发明的限定。

实施例1

本例基于瞬变电磁法的探测装置，包括用于产生瞬变电磁场的发射天线和用于接收所述瞬变电磁场激发的二次电磁场的接收天线。本例发射天线由2个边长为60cm的线圈构成的阵列组成，如图4和图5所示。2个线圈分别位于两个平行的平面内，两个平行平面之间的距离为L，第一线圈1在第二线圈2所在平面的投影有部分重叠，重叠部分长度为d。这种结构的发射天线阵列，2个线圈重叠区域A是合成电磁场汇聚的区域，图14b给出了L＝3cm，d＝6cm，驱动电流为1A，电流方向如图4所示的线圈阵列，在距离第二线圈2所在平面100cm处的电磁场仿真图。这种结构的发射天线阵列，可以通过控制各个子线圈的电流大小、相位以及距离L、长度d的值，可以调整线圈阵列合成电磁场的汇聚区域，满足不同探测系统的需要。

实施例2

图6和图7示出了本例发射天线阵列结构。这实际上就是实施例1中，d＝0的情况。这是2个子线圈相接的情况，该发射天线阵列可以通过调整2个子线圈电流、距离L控制合成电磁场的汇聚区域。

实施例3

本例发射天线阵列在2个线圈重叠部分配置有第三线圈3，参见图8和图9。子线圈3所在平面与该2个线圈所在平面平行。图14c给出了在距离第二线圈2所在平面100cm处的电磁场分布仿真图。仿真条件为：线圈1和线圈2均为边长60cm的正方形，按图8所示方向输入驱动电流1A；第三线圈3为60×42cm的矩形线圈，按图8所示方向输入驱动电流1A；L＝a＝3cm，d＝6cm。比较图14b和图14c可以看出，配置第三线圈3使电磁场分布由椭圆形趋近圆形，通过调整本例线圈阵列中的各种参数，如a、L、d、I1、I2、I3等可以控制电磁场的汇聚方向、位置和电磁场分布形状。该实施例电磁场可以向3个线圈重叠部分覆盖的区域B集中。

实施例4

本例第一线圈1和第二线圈2是2个结构相同的等边三角形线圈，其边长为80cm，分别位于两个相距L的平行平面内，配置关系如图10和图11所示。本例线圈阵列电磁场覆盖的区域也是主要集中在第一线圈1和第二线圈2重叠覆盖的区域A，通过调整图中的参数L、d、I1、I2可以控制电磁场汇聚方向、位置和分布形状等。图14d给出了在距离第二线圈2所在平面100cm处本例线圈阵列合成电磁场分布仿真图。仿真条件为：第一线圈1和第二线圈2边长为80cm；I1＝1A，I2＝1A方向如图10所示；L＝3cm，d＝13.856cm。

本例线圈阵列中，等边三角形的边长可以根据需求选取合适的边长，所需能量越大，边长越大。L的取值为分段的两个区间：[0，3]和[10，..]，第一线圈1和第二线圈2重叠部分的两条边e1和e2平行。两个等边三角形线圈在两平行平面内平行移动，重叠长度d的取值符合d＝边长×ratio×1.732，其中，ratio取值范围为[0，1.2]。ratio＝0时d＝0，此时两个等边三角形线圈两底边相接；ratio＜0.6，d小于等边三角形的高，等边三角形两底边距离较近，此时对合成电磁场的影响因素主要集中在两条底边e1和e2上；ratio＞0.6，d大于三角形的高，两个等边三角形顶点较接近，此时对电磁场分布的影响因素主要为第一线圈1和第二线圈2重叠的区域A的大小和形状。

根据第一线圈1和第二线圈2的驱动电流方向不同，本例线圈阵列驱动电流有多种组合状态。下面给出几种不同驱动电流组合状态的试验情况：

1、第一线圈1为顺时针方向电流，第二线圈2为反时针方向电流。ratio取[0.1，0.2]或[1.1，1.2]范围的值时，合成电磁场汇聚改善明显，当ratio＝0.2时电磁场形状是横向尺寸大于纵向尺寸。

2、第一线圈1和第二线圈2均为顺时针方向电流。ratio取[0.2，1.2]范围的值时合成电磁场汇聚改善明显，合成电磁场在远场处中心凹陷。

3、第一线圈1和第二线圈2均为反时针方向电流。ratio取[0.3，0.7]范围的值时，合成电磁场汇聚改善明显，合成电磁场在远场处中心凹陷。

4、第一线圈1为反时针方向电流，第二线圈2为顺时针方向电流(即图10所示电流方向)；ratio取[0，0.9]范围的值，合成电磁场汇聚改善明显，ratio＝0.5时电磁场分布近似为纵向椭圆形，其他取值电磁场分布近似为横向椭圆形。图14e为该电流组合状态下，ratio＝0.1，L＝3cm，在距离第二线圈2所在平面100cm处的电磁场分布仿真图，此时两个等边三角形线圈重叠长度d＝80×0.1×1.732＝13.856cm。这种驱动电流组合状态，合成电磁场汇聚效果优于其它电流组合状态。

上诉4种电流组合状态中，ratio最大取值1.2，但是当ratio＞1.2时，电磁场分布虽然出现多个聚焦点，但其主要聚焦点聚焦效果在ratio取值不同时，聚焦效果同样有所改善。

实施例5

本例线圈阵列是在实施例4的线圈阵列基础上增加第三线圈3构成的，第三线圈3采用直径60cm的环形线圈，其所在平面与第一线圈1所在平面平行且距离为a，本例三个线圈配置关系如图12和图13所示。本例d取值也满足d＝边长×ratio×1.732，在第一线圈1驱动电流为顺时针方向电流，第二线圈2驱动电流为反时针方向电流的组合状态下，ratio取[0.1，0.2]或[1.1，1.2]范围的值时，合成电磁场汇聚改善明显，当ratio＝0.2时电磁场分布形状横向尺寸大于纵向尺寸。

ratio＝0.1时，第三线圈3中注入1A的顺时针方向电流，合成电磁场聚焦性能和能量大小均有改善。

ratio＝1.1时，第三线圈3中注入1A的逆时针方向电流，合成电磁场聚焦性能几乎没有变化，但是能量大小有所增加。图14f为这种电流组合状态，L＝a＝3cm，d＝80×0.1×1.732＝13.856cm的合成电磁场仿真图。

Claims (10)

1.基于瞬变电磁法的探测装置，包括用于产生瞬变电磁场的发射天线和用于接收所述瞬变电磁场激发的二次电磁场的接收天线，其特征在于，所述发射天线由至少2个线圈构成的线圈阵列组成，所述线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

2.根据权利要求1所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，通过控制线圈阵列中各线圈流过的电流大小和/或相位使线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

3.根据权利要求1或2所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，通过调整线圈阵列中各线圈的形状和/或相对位置使线圈阵列产生的电磁场向设定区域汇聚。

4.根据权利要求3所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，所述线圈阵列由2个线圈构成。

5.根据权利要求4所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，所述2个线圈分别位于2个平行的平面内，其在所述平面垂直方向的投影相接或至少有部分重叠。

6.根据权利要求5所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，在所述2个线圈重叠部分配置有第三线圈，所述第三线圈所在平面与所述2个线圈所在平面平行。

7.根据权利要求4所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，所述2个线圈结构相同或不同。

8.根据权利要求4所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，所述线圈为矩形线圈或圆形线圈或三角形线圈。

9.根据权利要求8所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，所述三角形线圈为等腰三角形线圈或等边三角形线圈。

10.根据权利要求9所述的基于瞬变电磁法的探测装置，其特征在于，所述等腰三角形线圈或等边三角形线圈相接的两条边或重叠部分的两条边平行。

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