CN102928885A - 球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头。是在球形不导电材料外表刻有三个方向相互垂直交叉的漆包线缠绕槽；球内装有三个以上三分量磁通门传感器，三分量磁通门传感器通过控制电路连接三轴球形反馈线圈形成闭环构成三分量磁通门磁梯度全张量探头。与现有技术相比球形线圈产生的均匀场比其它种类反馈线圈产生的大，在相同均匀度下，球形反馈线圈所占体积最小，把多个磁通门传感器放在一个三轴球形线圈中，保证了磁通门在零磁附近的环境中工作状态稳定，避免了每个磁通门分别反馈时反馈线圈的互扰，便于校正，大大减少了基线距离，提高了系统精度，特别适合在航空、航天等空间受限的环境中应用，扩展张量仪的应用范围。

Description

球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探装置，尤其是球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头。

背景技术：

磁梯度张量探头是一种测量磁场在空间沿直角坐标系中xyz三个方向变化率的传感器。由于此类传感器需要对磁场方向敏感，故目前张量探头的实现主要有两种方式，一种是由超导量子干涉器件组合而成，如德国的LTS-SQUID 航空全张量磁梯度张量仪[R.Stolz et al, Magnetic full-tensor SQUID gradiometer system for geophysical applications, The Leading Edge, 2006, 25(2):178-180.]，澳大利亚GETMAG 磁梯度张量仪[P.Schmidt et al, GETMAG-a SQUID magnetic tensor gradiometer for mineral and oil exploration, Exploration Geophysics, 2004, 35:297-305.]等。超导系统不能在常温下使用，价格昂贵，特别是不适合空间探测。因此出现了另一类张量探头，即由磁通门构成的张量探头，如美国地质调查局的正四面体形磁通门张量探头[PJ.Brown et al,A case study of magnetic gradient tensor invariantsapplied to the UXO problem, U.S.Geological Survey，2004：1-4.]。IBM研制的使用亥姆赫兹线圈分别反馈的磁通门张量探头[RH.Koch et al, Room temperature three sensor magnetic field gradiometer, Review of Scientific Instruments,1996,64(1):230-235.]。由于磁梯度张量的每个分量是梯度，故与之相关的梯度计有Bartington公司设计的高稳定性磁通门梯度探头[G.Bartington et al, A high-stability fluxgate magnetic gradiometer for shallow geophysical survey application.Archaeological Prospection, 2004,11:19-34.]和丹麦设计的高精度梯度探头[J.M.G.Merayo et al, Triaxial fluxgate gradiometer of high stability and linearity, Sensors and Actuators A,2005,120:71-77.]。磁通门张量探头具有价格低廉，温度范围广泛等优点，但是由于磁通门传感器本身的缺陷，使得磁通门张量探头的精度较低，主要是系统的稳定性差，误差大。因此在地磁场环境下工作的高精度磁通门张量探头必须具有反馈线圈（也可称为补偿线圈），使得磁通门工作在零磁场附近，减少温度灵敏度，增加动态范围，提高精度等。目前的磁通门张量探头要么没有反馈部分，要么在单个磁通门上进行反馈，然后再构成张量系统。这种方式存在的问题是作用在某个磁通门上的反馈线圈会对其它磁通门进行干扰。比如反馈线圈半径为5cm，电流2.5A，那么当磁通门1 z方向的补偿线圈在此磁通门中心处产生45000nT的磁场来抵消地磁场时，在与其相距27cm的磁通门2的中心将产生约400nT的磁场。在实际实现过程中由于受不可避免的安装误差等影响，这些干扰磁场无法相互抵消，造成较大的系统误差，在运动情况下会转化为随机误差，难以消除。特别是在航空航天安装空间有限以及为提高微分的近似程度而需要磁通门之间基线（即磁通门中心点之间的距离）较小的情况下，此干扰磁场的影响尤为明显。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种把多个磁通门传感器放在一个三轴球形线圈中的球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头。

本发明的目是通过以下技术方案实现的：

球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，是在球形不导电材料外表刻有三个方向平行于笛卡尔坐标系垂直交叉的等宽、不等深、等间距分布的漆包线缠绕槽；球体内部装有三个以上三分量磁通门传感器，三分量磁通门传感器通过螺栓固定在球体内部的十字形支架上，球体外部装有控制电路，三分量磁通门传感器通过控制电路连接三轴球形反馈线圈形成闭环，构成三分量磁通门磁梯度全张量探头。

三分量磁通门传感器在球体内的分布为第一三分量磁通门传感器1和第三三分量磁通门传感器3沿X轴方向分别放置，第四三分量磁通门传感器4和第二三分量磁通门传感器2沿Y轴方向分别放置，在空间上构成以坐标原点为中心的十字形，三分量磁通门传感器1、三分量磁通门传感器2、三分量磁通门传感器3分别通过控制电路与三轴球形反馈线圈连接，三分量磁通门传感器4为参考磁通门。

按x轴方向分别放置磁通门1和磁通门3，按y轴的方向分别放置磁通门4和磁通门2，由四个三分量磁通门传感器和三轴球形反馈线圈所构成张量探头的输出表达式为：

$\begin{array}{c}G=\left(\begin{array}{ccc}{g}_{\mathrm{xx}}& g_{\mathrm{xy}}& g_{\mathrm{xz}}\\ g_{\mathrm{yx}}& g_{\mathrm{yy}}& g_{\mathrm{yz}}\\ g_{\mathrm{zx}}& g_{\mathrm{zy}}& g_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{ccc}\frac{B_{1x}-B_{3x}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1y}-B_{3y}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1z}-B_{3z}}{\mathrm{\Δx}}\\ \frac{B_{4x}-B_{2x}}{\mathrm{\Δy}}& \frac{B_{4y}-B_{2y}}{\mathrm{\Δy}}& \frac{B_{4z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}\\ \frac{B_{1z}-B_{3z}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{4z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}& -\frac{B_{1x}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}-\frac{B_{4y}-B_{2y}}{\mathrm{\Δy}}\end{array}\right)\end{array}$

式中：g_ij(i,j=x,y,z)表示磁梯度张量中的每个元素，共有9个分量，由于在无源空间中在不包括场源的域内有

和

故只有五个量是独立的，即g_xy=g_yx，g_xz=g_zx，g_yz=g_zy，g_xx+g_yy=0。B_ij(i=1,2,3,4;x,y,z)，i表示传感器的编号，j表示传感器感应的方向，比如B_1x表示磁通门1在x方向上磁感应强度值；

控制电路是由比较器经参考磁通门、采集模块、控制器、电流输出模块和线圈与比较器连接构成。

所述的球形不导电材料是指原木、聚苯乙烯、ABS塑料或环氧树脂。

有益效果：与现有技术相比球形线圈产生的均匀场比其它种类反馈线圈产生的大，在相同均匀度下，球形反馈线圈所占体积最小，把多个磁通门传感器放在一个三轴球形线圈中，保证了磁通门在零磁附近的环境中工作状态稳定，避免了每个磁通门分别反馈时反馈线圈的互扰，便于校正，大大减少了基线距离，提高了系统精度，特别适合在航空、航天等空间受限的环境中应用，扩展张量仪的应用范围。

附图说明：

附图1为球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头外部结构图。

附图2为球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头内部结构图。

附图3为三分量磁通门传感器在球内安装图。

附图4球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头单个轴线球形线圈结构图。

附图5为控制电路结构框图。

附图6为三分量磁通门传感器4的输出结构框图。

附图7为三分量磁通门传感器4的输出电路图。

附图8为设计时计算球形线圈单个轴向上的磁场分布图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，是在球形不导电材料外表刻有三个方向平行于笛卡尔坐标系垂直交叉的等宽、不等深、等间距分布的漆包线缠绕槽；球体内部装有三个以上三分量磁通门传感器，三分量磁通门传感器通过螺栓固定在球体内部的十字形支架上，球体外部装有控制电路，三分量磁通门传感器通过控制电路连接三轴球形反馈线圈形成闭环，构成三分量磁通门磁梯度全张量探头。

三分量磁通门传感器在球体内的分布为第一三分量磁通门传感器1和第三三分量磁通门传感器3沿X轴方向分别放置，第四三分量磁通门传感器4和第二三分量磁通门传感器2沿Y轴方向分别放置，在空间上构成以坐标原点为中心的十字形，三分量磁通门传感器1、三分量磁通门传感器2、三分量磁通门传感器3分别通过控制电路与三轴球形反馈线圈连接，三分量磁通门传感器4为参考磁通门。

按x轴方向分别放置磁通门1和磁通门3，按y轴的方向分别放置磁通门4和磁通门2，由四个三分量磁通门传感器和三轴球形反馈线圈所构成张量探头的输出表达式为：

$\begin{array}{c}G=\left(\begin{array}{ccc}{g}_{\mathrm{xx}}& g_{\mathrm{xy}}& g_{\mathrm{xz}}\\ g_{\mathrm{yx}}& g_{\mathrm{yy}}& g_{\mathrm{yz}}\\ g_{\mathrm{zx}}& g_{\mathrm{zy}}& g_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{ccc}\frac{B_{1x}-B_{3x}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1y}-B_{3y}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1z}-B_{3z}}{\mathrm{\Δx}}\\ \frac{B_{4x}-B_{2x}}{\mathrm{\Δy}}& \frac{B_{4y}-B_{2y}}{\mathrm{\Δy}}& \frac{B_{4z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}\\ \frac{B_{1z}-B_{3z}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{4z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}& -\frac{B_{1x}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}-\frac{B_{4y}-B_{2y}}{\mathrm{\Δy}}\end{array}\right)\end{array}$

式中：g_ij(i,j=x,y,z)表示磁梯度张量中的每个元素，共有9个分量，由于在无源空间中在不包括场源的域内有

和

故只有五个量是独立的，即g_xy=g_yx，g_xz=g_zx，g_yz=g_zy，g_xx+g_yy=0。B_ij(i=1,2,3,4;x,y,z)，i表示传感器的编号，j表示传感器感应的方向，比如B_1x表示磁通门1在x方向上磁感应强度值；

控制电路是由比较器经参考磁通门、采集模块、控制器、电流输出模块和线圈与比较器连接构成。

所述的球形不导电材料是指原木、聚苯乙烯、ABS塑料或环氧树脂。

本发明具体实施方案如下：

(1)传感器结构设计：尽管磁梯度张量有九个分量，但是由于在不包括场源的域内有

和

故只有五个量是独立的，对于张量探头有多种结构可以获得这五个独立的量，包括：十字形、正方形、等边三角形、正四面体、直角四面体等，其张量分量等效误差以十字形结构为最小。因此在本发明中采用放入四个三分量磁通门，构成十字形。

(2)选理论上在球体沿共轴缠绕补偿线圈后，其轴向的磁场感应强度为B=(2/3)μ₀nI，其中n为每单位长度的线圈匝数。在实际实现中，只能以一定槽数的多匝线圈来近似实现，如图1所示。设圆的半径为R，槽之间的间距为h，槽的宽度和高度均为d，槽到中心的距离为l_i，先根据球体材料的特性确定槽数和槽宽，以等间距分布，可得到槽间距和每个槽到中心的距离，再根据

可以计算出每个槽的半径，由槽深和缠绕所用漆包线的直径可以得到每个槽所缠绕的圈数（按并排整齐缠绕一层或两层计算）。设补偿线圈中所流过的电流为I，需要计算的位置与线圈的距离为x_i，则由载流线圈在轴线上产生的磁场公式：

可以计算出单个线圈在待算位置的磁场，再乘以每槽所绕圈数即得到每个槽所产生的磁场，重复此过程可以获得所有槽上线圈在待算位置产生的磁场，把这些磁场累加起来就是整个反馈线圈在待算位置产生的磁场。比如在中心处的磁场需要能够抵消地磁场，通过以上设计就可以获得各个参数值，并最终在球体表面形成三个方向的凹槽供反馈线圈缠绕。

(3)在球形反馈张量探头中，选择其中一个磁通门作为参考。它把测量到的各个分量电压通过采集模块输入到控制器中，控制器根据此时的磁场情况，调节电流输出模块输出电流的大小，作用到三个反馈线圈中，使得参考磁通门测量的磁场为环境磁场减去补偿磁场之后的值。控制器的作用实际上是使参考磁通门的三个分量的值为0。

(4)球形反馈张量仪的输出表达，按x轴正方向分别放置磁通门1和磁通门3，按y轴的正方向分别放置磁通门4和磁通门2，故由此四个磁通门及三轴的球形反馈线圈所构成张量仪的输出表达式如下。

$\begin{array}{c}G=\left(\begin{array}{ccc}{g}_{\mathrm{xx}}& g_{\mathrm{xy}}& g_{\mathrm{xz}}\\ g_{\mathrm{yx}}& g_{\mathrm{yy}}& g_{\mathrm{yz}}\\ g_{\mathrm{zx}}& g_{\mathrm{zy}}& g_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)\\ =\left(\begin{array}{ccc}\frac{B_{1x}-B_{3x}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1y}-B_{3y}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{1z}-B_{3z}}{\mathrm{\Δx}}\\ \frac{B_{4x}-B_{2x}}{\mathrm{\Δy}}& \frac{B_{4y}-B_{2y}}{\mathrm{\Δy}}& \frac{B_{4z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}\\ \frac{B_{1z}-B_{3z}}{\mathrm{\Δx}}& \frac{B_{4z}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}& -\frac{B_{1x}-B_{2z}}{\mathrm{\Δy}}-\frac{B_{4y}-B_{2y}}{\mathrm{\Δy}}\end{array}\right)\end{array}$

式中：g_ij(i,j=x,y.z)表示磁梯度张量中的每个元素，共有9个分量，由于在无源空间中在不包括场源的域内有

和

故只有五个量是独立的，即g_xy=g_yx，g_xz=g_zx，g_yz=g_zy，g_xx+g_yy=0。B_ij(i=1,2,3,4;x,y,z)，i表示传感器的编号，j表示传感器感应的方向。比如B_1x表示磁通门1在x方向上磁感应强度值。

在野外进行磁梯度张量探测时，环境磁场一般是由地球磁场和磁性目标产生磁场叠加而成。所设计的张量仪需要抵消单个磁通门所测量的三个方向上的磁场。下面以其中一个方向进行详细描述，另外两个方向的设计方法完全相同。

现在以其中一个方向需要补偿的最大地磁场为56000nT为例，球体的半径选为18cm，电流输出模块输出大于40mA，那么当缠绕线圈的槽选为14，槽之间的间距取1.2cm，槽宽取0.3cm，漆包线直径取0.15mm，圈数为20圈时，根据公式可得其轴向的磁场情况如图8所示。可知磁场最大值在56000nT附近，并且中心与相距5cm处的相对误差为1.88%，具备满足要求的磁场均匀性，另外张量实际上获得两个磁通门的差值，不均匀性造成的相当误差并不影响张量的输出精度，故两个磁通门传感器的基线取10cm，另外两个方向也按此设计进行实现，四个磁通门构成间距为10cm的十字形。球体的材料选择ABS塑料，这种工程塑料具有绝缘性好、形变小、温度范围广等优点。带槽的球体和内部的十字形支架通过3D打印机制作而成，四个磁通门传感器按照所设计的位置，通过八个铜螺栓安装在球体内部的十字形支架上。

使用漆包线按球上所开的槽进行缠绕，选择磁通门4作为参考磁通门，把磁通门4的三个输出分别连接到图7所示的三个结构完全相同的电路中，该电路输出与磁通门输出电压相关的电流，并加载于反馈线圈上。图7中的U1组成电压跟随器，起到隔离磁通门与后续电路，并提高磁通门的输出驱动能力的作用；U1的输出连接到U2构成的积分器上，其中R1、C1起到补偿的作用，用于抵消U2输入失调电压及失调电流的影响，电位器R4可进一步调节积分电路的失调电压，使得反馈后磁通门4的输出为零；积分器的输出连接到U3构成的V/I电流输出模块，由于需要加载于线圈的电流可达40mA以上，而通常的运算放大器的输出电流达不到实际需要的电流值，且提供正反向电流的能力不同，因此需要在运算放大器后面加上一个由达林顿管Q1及Q2构成的推挽式缓冲器用于增大输出的正反向电流，Q1、Q2的输出与U3的反向端相连，经过功率电阻再加到反馈线圈上，使得磁通门4工作在零磁附近，由于球形反馈线圈所产生磁场的均匀性，磁通门1、磁通门2、磁通门3相应的磁场分量也有很大的减小。功率电阻主要起到限流的作用。把此电路对应于结构框图进行解释，采集模块是由磁通门输出后的电压跟随器表示（因为控制器采用模拟电路，故不用进行模数转换），控制器是由运放构建的积分电路表示（通过积分器才能保证稳态误差为0），电流输出模块是由运放和达林顿管组成的缓冲器表示，线圈是由漆包线所绕的实际线圈表示。

补偿线圈产生三个方向的磁场与环境磁场的方向相反，抵消环境磁场。当参考磁通门测量的磁场为0时，此时采集到其它三个磁通门的磁场值，再根据张量的输出表达式，得到张量值。这样就实现了磁梯度张量的测量，并且磁通门工作在零磁附近，稳定性好，精度高，没有串扰的影响，张量系统的基线较小，满足空间探测等领域的应用。

Claims (5)

1.一种球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，其特征在于，是在球形不导电材料外表刻有三个方向平行于笛卡尔坐标系垂直交叉的等宽、不等深、等间距分布的漆包线缠绕槽；球体内部装有三个以上三分量磁通门传感器，三分量磁通门传感器通过螺栓固定在球体内部的十字形支架上，球体外部装有控制电路，三分量磁通门传感器通过控制电路连接三轴球形反馈线圈形成闭环，构成三分量磁通门磁梯度全张量探头。

2.按照权利要求1所述的球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，其特征在于，三分量磁通门传感器在球体内的分布为第一三分量磁通门传感器(1)和第三三分量磁通门传感器(3)沿X轴方向分别放置，第四三分量磁通门传感器(4)和第二三分量磁通门传感器(2)沿Y轴方向分别放置，在空间上构成以坐标原点为中心的十字形，三分量磁通门传感器(1)、三分量磁通门传感器(2)、三分量磁通门传感器(3)分别通过控制电路与三轴球形反馈线圈连接，三分量磁通门传感器(4)为参考磁通门。 

3.按照权利要求2所述的球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，其特征在于，按x轴方向分别放置磁通门(1)和磁通门(3)，按y轴的方向分别放置磁通门(4)和磁通门(2)，由四个三分量磁通门传感器和三轴球形反馈线圈所构成张量探头的输出表达式为：

式中：g_ij(i,j=x,y,z)表示磁梯度张量中的每个元素，共有9个分量，由于在无源空间中在不包括场源的域内有

 和

 故只有五个量是独立的，即g_xy=g_yx，g_xz=g_zx，g_yz=g_zy，g_xx+g_yy+g_zz=0。B_ij(i=1,2,3,4;j=x,y,z)，i表示传感器的编号，j表示传感器感应的方向，比如B_1x表示磁通门(1)在x方向上磁感应强度值。

4.按照权利要求1所述的球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，其特征在于，控制电路是由比较器经参考磁通门、采集模块、控制器、电流输出模块和线圈与比较器连接构成。 

5.按照权利要求1所述的球形反馈三分量磁通门磁梯度全张量探头，其特征在于，所述的球形不导电材料是指原木、聚苯乙烯、ABS塑料或环氧树脂。 

Images