CN103344996B - 串联谐振式核磁共振探测装置及探测方法 - Google Patents

串联谐振式核磁共振探测装置及探测方法 Download PDF

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CN103344996B CN201310287018.XA CN201310287018A CN103344996B CN 103344996 B CN103344996 B CN 103344996B CN 201310287018 A CN201310287018 A CN 201310287018A CN 103344996 B CN103344996 B CN 103344996B
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Abstract

本发明涉及一种串联谐振式核磁共振探测装置及探测方法。是由三分量磁场测量电路与计算机相连、输出电压可调的大功率电源、发射控制单元和信号采集单元相连,输出电压可调的大功率电源与大功率发射桥路连接,发射控制单元与高压继电器连接,高压继电器的一端与第一接收单元连接,高压继电器的另一端与第N接收单元连接构成。本发明采用串联谐振式大大减小了接收装置的尺寸和重量,提高了核磁共振探测的横向分辨率,小尺寸的接收探头有更好的适应性,采用串联谐振式接收单元,避免了现场铺设大线圈时耗费的人力、物力和时间,提高了工作效率;串联谐振式接收单元中多个串联的谐振接收单元同时工作,提高了接收到的核磁共振信号的幅度。

Description

串联谐振式核磁共振探测装置及探测方法
技术领域:
[0001] 本发明涉及一种地球物理勘探设备及方法,尤其是一种利用核磁共振找水原理进 行地质灾害预警的核磁共振探测装置及探测方法。
背景技术:
[0002] 核磁共振探测方法是目前唯一的直接地下水探测方法,具有解释唯一、结果量化、 测量准确的突出优点。在地下施工中,尤其是隧道、矿井地下掘进工程中,由于地质条件复 杂,由地下水引起的突水、突泥地质灾害时有发生,给施工安全带来了巨大的灾难和无法估 计的经济损失。如何对地下工程中周围的含水体进行精确、有效的探测,成为了地球物理勘 探方法中的一个重要研究方向。
[0003] CN201051151公开了一种核磁共振找水仪,由发射系统、信号接收系统、微机控制 与记录系统三部分组成,DC/DC变换器一端连接电池,另一端连接超强储能器;超强储能器 与大功率交流方波发生器连接,其中间设有开关K1,大功率交流方波发生器还与共振频率 发生器、开关K2、K3连接;开关K2与K3之间串接发射线圈和配谐电容器组;K3、K4分别连接超 低噪声放大器,再连接相关检测放大器,再连接检波器和相位检测器,检波器连接A/D转换 器并连接微机控制与记录系统,相位检测器与共振频率发生器和A/D转换器连接并连接微 机控制与记录系统。本实用新型有益效果为:仪器工作安全性高、能量利用率高、频率稳定 性好、具有较高的测量精度。
[0004] CN102096111A公开了一种收发天线分离式核磁共振找水装置及找水方法,由计算 机通过串口总线与大功率电源、发射及控制单元、电流采集单元、选频放大单元、信号采集 单元连接,发射及控制单元通过控制总线经Η桥路与配谐电容、发射线圈和二极管连接构 成。本发明将发射天线和接收天线分离,使发射系统和接收系统能够相互独立。该发明的优 点是:实现了发射和接收的高低压隔离,提高了系统的可靠性;发射线圈和接收线圈的匝 数、尺寸、线径、铺设方式不再相互制约;通过远端参考能够抵消干扰,提高信噪比。
[0005] 上述发明的核磁共振找水装置均具有较高的测量精度、可靠性较高,但都存在一 些不足,测量一个点时,只能得到很大一个范围内是否有水(例如100m*100m大线圈面积1万 平米),导致测量的横向分辨率低,难以实现水体的精确定位;而且由于线圈尺寸大,现场铺 设极不方便,耗费人力、物力和时间,工作效率低,对工作环境的适应能力差。
发明内容:
[0006] 本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足,提供一种串联谐振式核磁共振探 测装置及探测方法。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008] 串联谐振式核磁共振探测装置,是由三分量磁场测量电路8通过数据线与计算机1 相连,计算机1通过串口总线分别与输出电压可调的大功率电源3、发射控制单元2和信号采 集单元9相连,输出电压可调的大功率电源3与大功率发射桥路4连接,发射控制单元2通过 控制总线经大功率发射桥路4与发射线圈5的一端相连,大功率发射桥路4经配谐电容6与发 射线圈5的另一端连接,发射控制单元2通过控制线与高压继电器7连接,发射控制单元2通 过控制线经信号采集单元9、放大器电路10和高压继电器7与接收单元连接,高压继电器7的 一端与第一接收单元连接,高压继电器7的另一端与第N接收单元连接构成。
[0009]所述的接收单元是由一个以上结构相同,频率在1K~3KHz之间连续可调的接收单 元经串联构成。
[0010]所述的接收单元是由电感L1、可变电容器C1与两个反向二极管D1和二极管D2并联 构成。
[0011]串联谐振式核磁共振探测装置的探测方法,包括以下步骤:
[0012] a、选择一个测区,利用三分量磁场测量电路8测量当地地磁场Βο(ηΤ),并根据fL (Hz)=0.04258*B〇(nT)换算得出拉莫尔频率;
[0013] b、由换算出的拉莫尔频率和发射线圈电感关系式
Figure CN103344996BD00041
,通过计算机1计 算出配谐电容6的值、发射控制单元2的电流频率和信号采集单元9的采样频率;
[00Ί4] c、在选择的测区布设接收单元1、2、3......N,根据每一个接收单元的电感Li、L2、 L3......Ln和拉莫尔频率由关系式
Figure CN103344996BD00042
,计算出接收单元中可变电容器Ci、C2、 C3……CN所需调节的配谐电容值,并保证每一个接收单元的谐振频率相等,即都为当地拉莫 尔频率fL;
[0015] d、计算机1通过串口线控制输出电压可调的大功率电源3,通过改变其输出电压的 大小来改变在发射线圈5上的激发电流的大小,即产生不同强度的激发磁场,通过不同强度 磁场的激发,实现距发射线圈不同远近水体的探测;
[0016] e、发射控制单元2产生40ms频率信号对大功率发射桥路4进行驱动,发射桥路4被 驱动后,利用大功率电源3的输出电压向发射线圈5及配谐电容6施加40ms发射电流对含水 体的激发;
[0017] f、在激发时,发射控制单元2控制高压继电器7,使其处于断开状态,对信号接收端 进行保护,当激发结束后,经过90ms,发射控制单元2控制高压继电器7闭合,接收单元接收 的信号经高压继电器7送入放大器电路10;
[0018] g、放大器电路10对信号进行调理、放大,将处理后的信号送至信号采集单元9,发 射控制单元2控制信号采集单元9的采集开始与结束,信号采集单元9将放大器电路10输出 的模拟信号转换成数字信号后送给计算机1进行数据显示和保存;
[0019] h、将步骤g测得的数据进行特征参数提取,获得弛豫时间、初始振幅、频率参数;对 采集的数据进行反演解释,得到所测区域内含水体的含水量、渗透率等水文地质参数,为可 能发生的突水、突泥地质灾害预警。
[0020] 发射阶段:发射控制单元2产生当地拉莫尔频率的发射方波,方波经过驱动后控制 大功率发射桥路4,输出电压可调的大功率电源3产生需要的高压,给大功率发射桥路4供 电。大功率发射桥路4上连接有发射线圈5和配谐电容6。发射线圈5与配谐电容6构成一个串 联谐振系统。大功率发射桥路4将大功率电源3的输出电压作为发射电压加载在发射线圈5 和配谐电容6的两端,发射控制单元2控制桥路中各个功率开关器件的交替导通状态,在发 射线圈5中产生一个大功率的交变电流信号,此电流信号通过发射线圈5产生了交变磁场, 完成了对探测区域的含水体的激发。
[0021 ]接收阶段:根据核磁共振探测原理,在激发含水体后撤去激发场,含水体中的氢质 子会产生核磁共振信号,表现为在串联谐振式接收单元中产生一个幅度按指数规律衰减的 nV级的电信号。当发射结束后,经过一段时间的延迟,发射控制单元2发出一个控制信号,令 高压继电器7闭合,接收单元中接收到的微弱电信号通过高压继电器7进入放大器电路10 中。该放大器电路包含对接收信号的滤波、放大处理,微弱的核磁共振信号被放大至符合信 号采集单元9的输入要求,输入到信号采集电路9,信号采集电路9将放大器电路10输出的模 拟信号转换为数字信号,并送至计算机1中保存下来,完成对核磁共振信号的接收。
[0022] 有益效果:采用本发明的串联谐振式核磁共振探测装置,大大减小了接收装置的 尺寸和重量,提高了核磁共振探测的横向分辨率,从而能够对含水体进行更精确地探测;小 尺寸的接收探头受到空间的约束更小,有更好的适应性,可以在隧道、矿井复杂地下工程中 得到应用;采用串联谐振式接收单元,避免了现场铺设大线圈时耗费的人力、物力和时间, 提高了工作效率;串联谐振式接收单元中多个串联的谐振接收单元同时工作,提高了接收 到的核磁共振信号的幅度。
附图说明:
[0023] 图1是串联谐振式核磁共振探测装置的结构框图;
[0024] 图2是附图1中接收单元的连接关系图。
[0025] 1计算机,2发射控制单元,3输出电压可调的大功率电源,4大功率发射桥路,5发射 线圈,6配谐电容,7高压继电器,8三分量磁场测量电路,9信号采集单元,10放大器电路。
具体实施方式:
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0027]串联谐振式核磁共振探测装置,是由三分量磁场测量电路8通过数据线与计算机1 相连,计算机1通过串口总线分别与输出电压可调的大功率电源3、发射控制单元2和信号采 集单元9相连,输出电压可调的大功率电源3与大功率发射桥路4连接,发射控制单元2通过 控制总线经大功率发射桥路4与发射线圈5的一端相连,大功率发射桥路4经配谐电容6与发 射线圈5的另一端连接,发射控制单元2通过控制线与高压继电器7连接,发射控制单元2通 过控制线经信号采集单元9、放大器电路10和高压继电器7与接收单元连接,高压继电器7的 一端与第一接收单元连接,高压继电器7的另一端与第N接收单元连接构成。
[0028]接收单元是由一个以上结构相同,频率在1K~3KHz之间连续可调的接收单元经串 联构成。
[0029] 接收单元是由电感L1、可变电容器C1与两个反向二极管D1和二极管D2并联构成。
[0030] 大功率发射桥路4分别与发射线圈5的一端和配谐电容6连接,输出电压可调的大 功率电源3为大功率发射桥路4供电。
[0031] 三分量磁场测量电路8测量出所在区域的地磁场Bo(nT),一方面用来换算出当地 的拉莫尔频率,另一方面地磁场Βο(ηΤ)的方向与接收单元所在平面的夹角为后期数据处 理、解释和校正提供参考依据。
[0032] 具体工作工程是:
[0033] 发射阶段:发射控制单元2产生当地拉莫尔频率的发射方波,方波经过驱动后控制 大功率发射桥路4,输出电压可调的大功率电源3产生需要的高压,给大功率发射桥路4供 电。大功率发射桥路4上连接有发射线圈5和配谐电容6。发射线圈5与配谐电容6构成一个串 联谐振系统,大功率发射桥路4将大功率电源3的输出电压作为发射电压加载在发射线圈5 和配谐电容6的两端,发射控制单元2控制桥路中各个功率开关器件的交替导通状态,在发 射线圈5中产生一个大功率的交变电流信号,此电流信号通过发射线圈5产生了交变磁场, 完成了对探测区域的含水体的激发。
[0034] 接收阶段:根据核磁共振探测原理,在激发含水体后撤去激发场,含水体中的氢质 子会产生核磁共振信号,表现为在测区布设接收单元1、2、3......N中产生一个幅度按指数 规律衰减的nV级的电信号。当发射结束后,经过一段时间的延迟,发射控制单元2发出一个 控制信号,令高压继电器7闭合,在接收单元1、2、3......N中接收到的微弱电信号通过高压 继电器7进入放大器电路10中。该放大器电路包含对接收信号的滤波、放大处理,微弱的核 磁共振信号被放大至符合信号采集单元9的输入要求,输入到信号采集电路9,信号采集电 路9将放大器电路10输出的模拟信号转换为数字信号,并送至计算机1中保存下来,完成对 核磁共振信号的接收。
[0035] 串联谐振式核磁共振探测装置的探测方法,包括以下步骤:
[0036] a、选择一个测区,利用三分量磁场测量电路8测量当地地磁场Bo(nT),并根据fL (Hz)=0.04258*B〇(nT)换算得出拉莫尔频率;
[0037] b、由换算出的拉莫尔频率和发射线圈电感关系式
Figure CN103344996BD00061
,通过计算机1计 算出配谐电容6的值、发射控制单元2的电流频率和信号采集单元9的采样频率;
[0038] c、在选择的测区布设接收单元1、2、3......N,,根据每一个接收单元的电感Ln和 拉莫尔频率由关系式
Figure CN103344996BD00062
,计算出接收单元中可变电容器CN所需调节的配谐电 容值,并保证每一个接收单元的谐振频率相等,即都为当地拉莫尔频率红;
[0039] d、计算机1通过串口线控制输出电压可调的大功率电源3,改变其输出电压的大小 来改变在发射线圈5上的激发电流的大小,即产生不同强度的激发磁场,通过不同强度磁场 的激发,实现距发射线圈不同远近水体的探测;
[0040] e、发射控制单元2产生40ms频率信号对大功率发射桥路4进行驱动,发射桥路4被 驱动后,利用大功率电源3的输出电压向发射线圈5及配谐电容6施加40ms发射电流,实现对 含水体的激发;
[0041] f、在激发时,发射控制单元2控制高压继电器7,使其处于断开状态,对信号接收端 进行保护,当激发结束后,经过90ms,发射控制单元2控制高压继电器7闭合,接收单元1、2、 3......N的信号经高压继电器7送入放大器电路10;
[0042] g、放大器电路10对信号进行调理、放大,将处理后的信号送至信号采集单元9,发 射控制单元2控制信号采集单元9的采集开始与结束时间,信号采集单元9将放大器电路10 输出的模拟信号转换成数字信号,并将转换后的数据送至计算机1,进行数据的显示与保 存;
[0043] h、将步骤g测得的数据进行特征参数提取,获得弛豫时间、初始振幅、频率参数;对 采集的数据进行反演解释,得到所测区域内含水体的含水量、渗透率水文地质参数,为可能 发生的突水、突泥地质灾害提供预报依据。

Claims (2)

1. 一种串联谐振式核磁共振探测装置,由三分量磁场测量电路(8)通过数据线与计算 机(1)相连,计算机(1)通过串口总线分别与输出电压可调的大功率电源(3)、发射控制单元 (2)和信号采集单元(9)相连,输出电压可调的大功率电源(3)与大功率发射桥路(4)连接, 发射控制单元(2)通过控制总线经大功率发射桥路(4)与发射线圈(5)的一端相连,大功率 发射桥路(4)经配谐电容(6)与发射线圈(5)的另一端连接,发射控制单元(2)通过控制线与 高压继电器(7)连接,发射控制单元(2)通过控制线经信号采集单元(9)、放大器电路(10)和 高压继电器(7)与接收单元连接,高压继电器(7)的一端与第一接收单元连接,高压继电器 (7)的另一端与第N接收单元连接构成; 所述的接收单元是由一个以上结构相同,频率在1K~3KHz之间连续可调的接收单元经 串联构成; 其特征在于,所述的接收单元是由电感U、可变电容器&与二极管0:和二极管出并联,其 中二极管Di与二极管D2反向并联构成。
2. -种串联谐振式核磁共振探测装置的探测方法,其特征在于,包括以下步骤: a、 选择一个测区,利用三分量磁场测量电路(8)测量当地地磁场B〇(nT),并根据fL(Hz) =0.04258*B〇(nT)换算得出拉莫尔频率; 式中Bo为地磁场强度,(ηΤ)为地磁场强度的单位; b、 由换算出的拉莫尔频率和发射线圈电感关系式
Figure CN103344996BC00021
,通过计算机(1)计算 出配谐电容(6)的值、发射控制单元(2)的电流频率和信号采集单元(9)的采样频率; 式中L为电感量,C为可变电容量; c、 在选择的测区布设接收单元1、2、3......N,根据每一个接收单元的电感Li、L2、 L3......LN和拉莫尔频率由关系
Figure CN103344996BC00022
,计算出接收单元中可变电容器Ci、C2、 C3……CN所需调节的配谐电容值,并保证每一个接收单元的谐振频率相等,即都为当地拉莫 尔频率fL; d、 计算机(1)通过串口线控制输出电压可调的大功率电源(3),通过改变其输出电压的 大小来改变在发射线圈(5)上的激发电流的大小,即产生不同强度的激发磁场,通过不同强 度磁场的激发,实现距发射线圈不同远近水体的探测; e、 发射控制单元(2)产生40ms频率信号对大功率发射桥路(4)进行驱动,发射桥路(4) 被驱动后,利用大功率电源(3)的输出电压向发射线圈(5)及配谐电容(6)施加40ms发射电 流对含水体的激发; f、 在激发时,发射控制单元(2)控制高压继电器(7),使其处于断开状态,对信号接收端 进行保护,当激发结束后,经过90ms,发射控制单元(2)控制高压继电器(7)闭合,接收单元 接收的信号经高压继电器(7)送入放大器电路(10); g、 放大器电路(10)对信号进行调理、放大,将处理后的信号送至信号采集单元(9),发 射控制单元(2)控制信号采集单元(9)的采集开始与结束,信号采集单元(9)将放大器电路 (10)输出的模拟信号转换成数字信号后送给计算机(1)进行数据显示和保存; h、 将步骤g测得的数据进行特征参数提取,获得弛豫时间、初始振幅、频率参数;对采集 的数据进行反演解释,得到所测区域内含水体的含水量、渗透率水文地质参数,为可能发生 的突水、突泥地质灾害预警。
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