CN102736113A - 超宽频弱磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽频弱磁传感器。是由横截面为方形的高导磁磁棒上粘贴有时间差式磁场测量敏感部件组成的磁芯穿过骨架的中心，骨架外部凹槽绕有多匝感应线圈，感应线圈外部包有屏蔽铜皮构成。避免了需要更换传感器才能完成地表至上地幔的高精度探测，由于以0.01Hz为分界频率，高于该频率时感应式传感器的精度更高，而低于该频率则磁通门式传感器精度更高。解决了使用单一传感器时造成的部分频段精度偏低的问题。由于采用了低频测量部分改用时间差式磁通门传感器，能够实现DC-10kHz的超宽频磁场测量，拓宽了目前地球电磁探测磁场传感器的应用频率范围。不必使用过多的线圈和过长的磁芯，便于传感器的小型化。

Description

超宽频弱磁传感器

技术领域：

本发明涉及一种频率域地球电磁探测用磁场接收装置，尤其是超宽频弱磁测量传感器。

背景技术：

频率域地球电磁探测时，激励源发射不同频率的激励波形，该激励波形在探测区域形成平面波，利用该平面波电场与磁场的关系确定地下电阻率的分布结构，广泛应用于地壳演化、油气及矿产资源、水资源以及工程探测等领域。由于探测深度与频率大小直接相关，频率越低探测的深度越深，反之，频率越小探测的深度越浅，因此，自该方法产生以来，人们为获得更大的勘探深度范围，需要获取的信号频率范围越来越大。该方法的磁场信息获取，最初起源于纯感应式磁场测量方法，可测量频率低、应用频段窄。随着技术的进步，利用感应式传感方式测量磁场的频率范围已经达到8个数量级。同时，人们尝试使用超导磁力仪、磁通门磁力仪等其他的磁场测量方式获取频率域电磁探测的磁场信息，但超导磁力仪的使用条件要求苛刻，磁通门磁力仪与感应式传感器相比，只是在低于0.01Hz的频段内具有优势，频率升高后，其信号检测能力迅速下降，只在长周期大地电磁探测中有应用。

现有的频率域地球电磁探测的磁场获取，对于0.0001Hz以上的频率，以感应式传感器探测为主，比较著名的有加拿大phoenix公司、美国zonge公司、德国metronix公司以及乌克兰的LCISR研究所等，其中以metronix公司的MFS-06e传感器跨越的频带最宽，从0.0001-10000Hz，达到8个数量级。另外phoenix公司和LCISR研究所均研制了利用磁通门进行低频磁场测量，测量频带为DC-20Hz。

吉林大学研制出了感应式磁场传感器和磁通门磁场传感器，CN2857038Y公开了磁分量传感器，感应式磁场传感器的频带范围在0.001-10000Hz，中科院电子所研制的感应式磁场传感器的频带范围为0.001-400Hz。对于时间差式磁通门传感器，CN101545958A公开了双向磁饱和时间差磁通门传感器，主要涉及时间差磁通门磁芯材料、结构及读出电路等。

由于以0.01Hz为分界频点，高于该频率时感应式传感器具有灵敏度高噪声低的优势，同样，低于该频率磁通门传感器在上述指标上有优势。时间差式磁通门磁场测量的磁芯结构与感应式传感器磁芯结构上的相似性以及对磁芯性能(包括高相对磁导率、低饱和磁感应强度及磁滞回线的高线性度等)要求的一致性，为二者集成在一起构成一个完整的传感器提供了基础，进而可实现DC-10kHz的超宽频段磁场测量。目前尚未见将时间差式磁通门磁场测量与感应式磁场测量集成在一起的报道。

发明内容：

本发明的目的就在于针对频率域地球电磁探测中，无法单独利用感应式或磁通门式传感器实现超宽频磁场测量的问题，提供一种适用于DC-10kHz的超宽频弱磁传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

高导磁材料做成薄的长条带形状，选取一个条带上面绕制互不重叠的两个线圈，一个线圈作为激励线圈，另一个线圈作为感应线圈，激励线圈利用外部提供的电流产生激励磁场，使磁性条带产生双向饱和，感应线圈接收因条带双向饱和产生的感应电压，该电压正负半周期的时间差经计数器计数后输出，形成数字式磁场测量。绕制线圈的条带与其他多条未绕制线圈的条带叠放在一起进行粘接，形成横截面为方形的长直磁棒。在绝缘塑料棒上铣出中空的多段凹槽，以凹槽为骨架绕制多匝感应线圈。将绕好线圈的骨架穿在磁棒上，作为感应式传感器的敏感部件，经前置放大后输出电压信号，形成感应式磁场测量。

超宽频弱磁传感器，是由横截面为方形的高导磁磁棒3上粘贴有时间差式磁场测量敏感部件4组成的磁芯穿过骨架1的中心，骨架1外部凹槽绕有多匝感应线圈2，感应线圈2外部包有屏蔽铜皮构成。

所述的骨架1上设有15—20个凹槽，凹槽宽3cm，深1.5cm，凹槽间棱宽0.2cm。

所述的高导磁磁棒3的长和宽均大于1cm时间差式磁场测量敏感部件4，或高导磁磁棒3的长和宽与时间差式磁场测量敏感部件4等大。

所述的高导磁磁棒3是由150—300片高导磁材料做成的长直薄条带5经表层绝缘处理后叠加粘接在一起构成。

所述的高导磁磁棒3优选波莫合金或非晶合金。

所述的时间差式磁场测量敏感部件4是由高导磁材料做成的长直薄条带8经表层绝缘处理后垂直时间差式高导磁长直薄条带8的延长方向平行绕有时间差式激励线圈6和时间差式接收线圈7构成。

感应式线圈2的输出方式为低频放大输出或高频放大输出：

——当控制逻辑是高电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是低电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

或者是：

——当控制逻辑是低电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是高电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

有益效果：利用感应式传感器与时间差式磁通门传感器对于磁性材料特性及结构要求的近似性，设计出频率范围覆盖DC-10kHz的超宽频弱磁传感器。可使用一种传感器完成地表至上地幔的高精度探测，避免了目前需要更换传感器才能完成该项工作的问题。同时，由于以0.01Hz为分界频率，高于该频率时感应式传感器的精度更高，而低于该频率则磁通门式传感器精度更高，本发明解决了使用单一传感器时造成的部分频段精度偏低的问题。另外，宽频的感应式传感器为了获取低频的信号，使用了超过两万匝的线圈以及超过一米长的磁芯，从而造成传感器的体积较大，灵活性较差，本发明将传感器的低频测量部分改用时间差式磁通门完成，因此，不必要使用过多的线圈和过长的磁芯，便于传感器的小型化。

本发明是感应式传感器与磁通门式传感器的集成与整合，而非其中单一类型。

附图说明：

图1是超宽频弱磁传感器结构图

图2是图1高导磁磁棒3的结构图

图3是图1时间差式磁场测量敏感部件4的结构图

图4是图1感应式磁场测量输出信号的放大电路结构图

1感应式线圈骨架，2感应式线圈，3高导磁磁棒，4时间差式磁场测量敏感部件，5感应式高导磁长直薄条带，6时间差式激励线圈，7时间差式接收线圈，8时间差式高导磁长直薄条带，9感应式磁场测量的输出信号，10放大器输入的双刀双掷开关，11放大器输出的双刀双掷开关，12放大器输出信号，13低频斩波放大电路，14控制逻辑，15高频放大电路。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步详细说明：

超宽频弱磁传感器，是由横截面为方形的高导磁磁棒3上粘贴有时间差式磁场测量敏感部件4组成的磁芯穿过骨架1的中心，骨架1外部凹槽绕有多匝感应线圈2，感应线圈2外部包有屏蔽铜皮构成。

所述的多匝感应线圈2至少是10000匝。

所述的骨架1上设有15—20个凹槽，凹槽宽3cm，深1.5cm，凹槽间棱宽0.2cm。

所述的高导磁磁棒3的长和宽均大于1cm时间差式磁场测量敏感部件4，或高导磁磁棒3的长和宽与时间差式磁场测量敏感部件4等大。

所述的高导磁磁棒3是由150—300片高导磁材料做成的长直薄条带5经表层绝缘处理后叠加粘接在一起构成。

所述的高导磁磁棒3优选波莫合金或非晶合金。

所述的时间差式磁场测量敏感部件4是由高导磁材料做成的长直薄条带8经表层绝缘处理后垂直时间差式高导磁长直薄条带8的延长方向平行绕有时间差式激励线圈6和时间差式接收线圈7构成。

感应式线圈2的输出方式为低频放大输出或高频放大输出：

——当控制逻辑是高电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是低电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

或者是：

——当控制逻辑是低电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是高电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

由高导磁材料做成的长直薄条带8，经表面绝缘处理后外部绕制导线6和导线6导线构成线圈，导线6绕制的线圈作为激励线圈，导线7绕制的线圈作为接收线圈，构成具有时间差式磁场测量的敏感部件4，导线6和导线7分别与时间差计数器连接，其输出的波形经时间差计数后，给出低频磁场的测量值。使用高导磁材料做成的长直薄条带5，经表层绝缘处理后，叠加粘接在一起，形成横截面为方形的高导磁磁棒3。具有时间差式磁场测量的敏感部件4与高导磁磁棒3叠放粘接在一起，构成完整的磁芯。中心为空、表面刻有凹槽的线圈骨架1上，绕有多匝感应线圈2，骨架1、感应线圈2及磁芯三者共同构成感应式磁场传感器的敏感部件。该敏感部件经外部铜皮屏蔽后的输出信号9，经双刀双掷开关10选择进行低频放大还是高频放大以确定感应式磁场测量的输出频带范围。选择低频放大时，经低频斩波放大电路13对信号放大，选择高频放大时，经高频放大电路15对信号放大。最后的输出12，经双刀双掷开关11选择输出低频信号还是高频信号。双刀双掷开关10和11通过控制逻辑电路实现开关回路的选择。

时间差式磁场测量的敏感部件4与高导磁磁棒3共同组成感应式磁传感器的磁芯，从骨架1的中心穿过，高导磁磁棒3同时作为敏感部件4的支撑骨架。

高导磁磁棒3由150-300长直薄条带5经表面绝缘叠加粘接而成。

通过控制逻辑控制感应式磁场测量的信号不同放大方式，可以选择进行低频放大输出也可以选择高频放大输出。

时间差式磁场测量的敏感部件4，其长度与宽度可以小于高导磁磁棒3的长度与宽度1cm，时间差式磁场测量的敏感部件4所使用的高导磁长直薄条带8，其材料可以与高导磁磁棒3所使用的高导磁长直薄条带5的材料相同也可以不同。高导磁磁棒3优选波莫合金或非晶合金。

高导磁材料做成的长直薄条带8，经表面绝缘处理后，外部仅绕制导线6作为激励线圈，当以时间差式磁通门方式工作时，以感应线圈2对时间差信号进行接收，通过切换开关将该时间差信号输送到时间差计数器上，从而实现另一种形式的时间差式磁通门测量磁场。

实施例1

超宽频弱磁传感器，是由横截面为方形的高导磁磁棒3上粘贴有时间差式磁场测量敏感部件4组成的磁芯穿过骨架1的中心，骨架1外部凹槽绕有多匝感应线圈2，感应线圈2外部包有屏蔽铜皮构成。

所述的多匝感应线圈2至少是10000匝。

所述的骨架1上设有15个凹槽，凹槽宽3cm，深1.5cm，凹槽间棱宽0.2cm。

所述的高导磁磁棒3的长和宽均大于1cm时间差式磁场测量敏感部件4，或高导磁磁棒3的长和宽与时间差式磁场测量敏感部件4等大。

所述的高导磁磁棒3是由200片高导磁材料做成的长直薄条带5经表层绝缘处理后叠加粘接在一起构成。

所述的高导磁磁棒3优选波莫合金或非晶合金。

所述的时间差式磁场测量敏感部件4是由高导磁材料做成的长直薄条带8经表层绝缘处理后垂直时间差式高导磁长直薄条带8的延长方向平行绕有时间差式激励线圈6和时间差式接收线圈7构成。

感应式线圈2的输出方式为低频放大输出或高频放大输出：

——当控制逻辑是高电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是低电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

或者是：

——当控制逻辑是低电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是高电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

实施例2

超宽频弱磁传感器，是由横截面为方形的高导磁磁棒3上粘贴有时间差式磁场测量敏感部件4组成的磁芯穿过骨架1的中心，骨架1外部凹槽绕有多匝感应线圈2，感应线圈2外部包有屏蔽铜皮构成。

所述的多匝感应线圈2至少是10000匝。

所述的骨架1上设有18个凹槽，凹槽宽3cm，深1.5cm，凹槽间棱宽0.2cm。

所述的高导磁磁棒3的长和宽均大于1cm时间差式磁场测量敏感部件4，或高导磁磁棒3的长和宽与时间差式磁场测量敏感部件4等大。

所述的高导磁磁棒3是由300片高导磁材料做成的长直薄条带5经表层绝缘处理后叠加粘接在一起构成。

所述的高导磁磁棒3优选波莫合金或非晶合金。

所述的时间差式磁场测量敏感部件4是由高导磁材料做成的长直薄条带8经表层绝缘处理后垂直时间差式高导磁长直薄条带8的延长方向平行绕有时间差式激励线圈6和时间差式接收线圈7构成。

感应式线圈2的输出方式为低频放大输出或高频放大输出：

——当控制逻辑是高电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是低电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

或者是：

——当控制逻辑是低电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是高电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

Claims (7)

1.一种超宽频弱磁传感器，其特征在于，是由横截面为方形的高导磁磁棒3上粘贴有时间差式磁场测量敏感部件4组成的磁芯穿过骨架1的中心，骨架1外部凹槽绕有多匝感应线圈2，感应线圈2外部包有屏蔽铜皮构成。

2.按照权利要求1所述的一种超宽频弱磁传感器，其特征在于，所述的骨架1上设有15—20个凹槽，凹槽宽3cm，深1.5cm，凹槽间棱宽0.2cm。

3.按照权利要求1所述的一种超宽频弱磁传感器，其特征在于，所述的高导磁磁棒3的长和宽均大于1cm时间差式磁场测量敏感部件4，或高导磁磁棒3的与时间差式磁场测量敏感部件4等大。

4.按照权利要求1所述的一种超宽频弱磁传感器，其特征在于，所述的高导磁磁棒3是由150—300片高导磁材料做成的长直薄条带5经表层绝缘处理后叠加粘接在一起构成。

5.按照权利要求1所述的一种超宽频弱磁传感器，其特征在于，所述的高导磁磁棒3优选坡莫合金或非晶合金。

6.按照权利要求1所述的一种超宽频弱磁传感器，其特征在于，所述的时间差式磁场测量敏感部件4是由高导磁材料做成的长直薄条带8经表层绝缘处理后垂直时间差式高导磁长直薄条带8的延长方向平行绕有时间差式激励线圈6和时间差式接收线圈7构成。

7.按照权利要求1所述的超宽频弱磁传感器，其特征在于，感应式线圈2的输出方式为低频放大输出或高频放大输出：

——当控制逻辑是高电平的时候，低频放大输出时感应线圈2的输出9与低频斩波放大电路13相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，低频斩波放大电路13的输出与放大器输出12相连，信号被放大后经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时高频放大电路15不工作；

——当控制逻辑是低电平的时候，高频放大输出时感应线圈2的输出9与高频放大电路15相连，控制逻辑14与放大器输入双刀双掷开关10连接，控制逻辑14与放大器输出双刀双掷开关11相连，高频放大电路15的输出与放大器输出12相连，信号被放大后，经放大器输出双刀双掷开关11由放大器输出端12送出，此时低频斩波放大电路13不工作。

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