CN103809218A - Tem井中磁探头的校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TEM井中磁探头的校准装置及方法，装置包括赫姆霍茨线圈、脚架，TEM井中探头，其中：脚架设置在赫姆霍茨线圈顶部，该脚架具有中心圆孔，该中心圆孔的外周设置可旋转的制有360°刻度的刻度盘；校准和测试时，将TEM井中探头穿设于脚架的中心圆孔中，通过卡箍与脚架上的刻度盘连接。它可以对水平分量探头的Hy线圈和Hx线圈与姿态测量部件二者的安装精度(误差)进行精确测量，以及精确测试Hy和Hx这两个线圈的正交的偏差值。

Description

TEM井中磁探头的校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种TEM井中磁探头的校准装置及校准方法。

背景技术

TEM是地球物理勘探中瞬变电磁方法的简称。地面发射-井中接收的瞬变电磁(地-井TEM)法的研究和发展始于上世纪70年代，而深入研究、广泛应用是从上世纪80年代中期开始的。目前地-井TEM三分量仪器，从稳定性、定位精度、观测精度等各方面来说，均已比较成熟，能满足地-井TEM测量的需要。国外找矿实践表明，地-井TEM已成为一种重要的导电矿体勘探方法，尤其是在地面电磁法工作因矿体深度太大，或者在受电性干扰因素(如导电覆盖、浅部硫化物、地表矿化地层等)影响大的地区，地-井TEM法的优势就更加突出。在加拿大、澳大利亚等国家，地-井TEM法已成为常规勘查方法，几乎所有可用的钻孔都必做地-井TEM测量，提交地-井TEM资料，取得了很多成功的深部找矿实例。

在国内，自1983年以来已经有不少单位开展地-井TEM的研究工作，在地-井TEM方法技术和仪器研制方面取得了一些的进展，但三分量地-井TEM仪器研制基本是空白。

2009年-2013年，在公益性行业科研专项经费项目《深井物探和抗干扰电法技术研究与应用示范》的支持下，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在国内首次研制成功一套适用于地-井TEM勘探的仪器设备，包括发射机、接收机、三分量井下探头和相应的数据处理程序。

三分量井下探头是项目研制的关键设备之一。它分为垂直探头和水平探头。由于水平探头受下井电缆的影响，其旋转角度是随机的。因此要求采集井下X方向和Y方向的磁场信号，同时还需要实时采集水平探头在井下的姿态参数。

这对水平探头的二个分量Hx与Hy的线圈绕制提出了很高的要求。理论上要求，这两个方向的线圈绝对正交(垂直)。在TEM水平探头中，为了实时探测水平探头的姿态，必须在探头中放置一个高精度的姿态测量组件。

虽然水平探头的二个分量Hx与Hy的线圈骨架都是用数控机床加工的，但二组线圈之间是靠十字接头相连的，接头之间的间隙会带来一定误差。并且Hx、Hy的线圈用绕线机手工绕制时也会有一定误差，所以测量二个线圈Hx与Hy的正交误差是需要解决的关键技术之一。

另外，井中探头水平分量的指向与探头姿态测量部件的指向是按照探管外部的一根定位指示线来组装的，人工组装会带来一定的误差，这个误差也是我们需要测量的重要参数。

有了这些偏差的数值，我们便可以在后期的数据处理上进行校正。所以，如何测量水平分量Hy和Hx的线圈与姿态测量部件的安装精度(误差)，以及如何测试两个线圈的正交偏差值，是本发明要解决的关键技术。

与本发明最相近的一种设备是大直径环形线圈校准装置。

大直径环形线圈校准装置用于测量磁探头(垂直探头)的幅频特性及方位，这是一种常用的方法，其优点是在地面放一个大直径环形线圈很方便，只要环形线圈的直径精确到0.1％，电流的测量精度到0.1％，产生的磁场精度最大误差仅0.2％。

用大直径环形线圈装置测量的缺点是要求信号功率较大，特别是低频端要求的功率更大，测量电流的无感取样电阻的功率也要足够大。当线圈半径r=6.13米时，线段两端的磁场衰减1％。(此处的线段指水平分量探头Hy或Hx的线圈长度)。因此选择环形线圈的直径要根据被测探头的谐振频率，灵敏度及探头线圈的长度综合考虑。另外，高精度的大直径环形线圈制作起来比较困难。测试时，探头在环形线圈的中间，要求与环形线圈在同一平面，另外要进行高精度旋转，这些实现起来都很困难。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种TEM井中磁探头的校准装置及校准方法，它可以对水平分量探头的Hy线圈和Hx线圈与姿态测量部件的安装精度(误差)进行精确测量，以及测量Hy和Hx这两个线圈的正交的偏差值。

本发明采用的技术解决方案为：

TEM井中磁探头的校准装置包括赫姆霍茨线圈、脚架，TEM井中探头，其中：

脚架设置在赫姆霍茨线圈顶部，该脚架具有中心圆孔，该中心圆孔的外周设置可相对于该脚架旋转的制有360°刻度的刻度盘。

校准和测试时，TEM井中探头穿设于脚架的中心圆孔中，通过卡箍将TEM井中探头与脚架上的刻度盘连接。

所述TEM井中探头由下至上依次由探头水平分量Hy线圈与Hx线圈、探头放大器、探头姿态测量部件、马龙头连接组成。

TEM井中磁探头的校准方法包括以下步骤：

步骤1：制作测试装置

制作一个赫姆霍茨线圈，设计一个具有中心圆孔的脚架，将该脚架放在赫姆霍茨线圈顶部，在脚架中央安装一个旋转精度为0.1度的360度刻度盘；

步骤2：测试设备的安装与调试

将赫姆霍茨线圈置于平地，并调节赫姆霍茨线圈下部的水平调节螺栓，使赫姆霍茨线圈垂直于地面；

将TEM井中水平探头从上面穿入脚架的中心圆孔中，调节探头与脚架的连接位置，使探头的Hy线圈与Hx线圈的连接点处于赫姆霍茨线圈轴线上；

步骤3：测量TEM井中水平分量探头的Hx线圈与Hy线圈的正交误差

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在赫姆霍茨线圈中旋转，精密调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，记录刻度盘的位置，然后再旋转刻度盘，使探头转90°，精密调节刻度盘，使Hy线圈的输出为最小值，再记录刻度盘的位置；

若从Hx线圈输出值最小到Hy线圈输出值最小，刻度盘旋转的角度正好是90°，则表明探头的Hx、Hy线圈是正交的；如果刻度盘旋转的角度大于或小于90°，则将刻度盘旋转的角度值减去90，所得的差值就是探头的Hy线圈与Hx线圈的正交误差值；

步骤4：测量TEM井中水平分量探头的Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差

用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角；

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，这时Hx线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的；

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Y轴的磁方位角，该磁方位角与前面用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角是一致的，若有偏差，其偏差值就是Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差；

步骤5：测量TEM井中水平分量探头的Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差

同样用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心面的磁方位角；

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hy线圈的输出为最小值，这时Hy线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的；

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Z轴的磁方位角，该磁方位角与赫姆霍茨线圈平面的磁方位角是一致的，若有偏差，其偏差值就是Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差。

与大直径环形线圈校准装置相比，本发明的TEM井中磁探头的校准装置具有以下优点：

1.测量精度高，测量重复性好。

大直径环形线圈校准装置要求环形线圈直径大于6米，这么大的线圈，只能是铺在平坦的地面，要想把线圈铺成完全圆形很难，而且也很难把线圈铺在一个平面上。线圈不圆，又不在一个平面上，那么在线圈上加上电流后，线圈中间点的磁场值不准确，而且不均匀。这些都会影响测量精度。同时，测试时探头还必须放在和线圈同一个平面内，并且实现高精度旋转，这些实现起来都会有很大的误差，直接影响测试精度。

而本发明的TEM井中磁探头的校准装置，把两个平行的方形赫姆霍茨线圈框架加工和线圈绕组的误差控制在很小的范围内，可以保证在线圈上加上电流后，线圈中点区域的磁场均匀、稳定。通过高精度旋转刻度盘，可以实现探头在稳定磁场内，以0.1度的角度旋转，保证测量精度，并且有很好的重复性。

2.体积小，搬运、挪动方便。

大直径环形线圈校准装置必须放在外界电磁场信号稳定、绝对值小(地磁场信号、各种电磁干扰信号)的地方，这种校准装置一旦铺设好后，搬运、挪动很困难，而且重现性很差。

而本发明装置的体积、重量都不大，搬运、挪动比较方便，可以挑选外界干扰相对小的地方进行测试。

附图说明

图1是校准装置结构组成图；

图2是姿态测量部件的坐标系统和方位角度示意图；

图3是刻度盘示意图。

图中：1方形赫姆霍茨线圈、2三角形脚架(带有360°刻度盘)、3TEM井中水平探头、4马龙头、5探头姿态测量部分、6探头放大器及电池部分、7探头水平分量的Hy和Hx线圈、71Hx线圈、72Hy线圈、8接收仪器(显示探头姿态数据的面板部分)、9接收仪器(显示探头Hy、Hx分量的测量值的面板部分)、10电缆、11带通滤波器、12数字电压表、13Vo-Vi转换器、14信号源、15赫姆霍茨线圈的中心面、16刻度盘、17游标、18顶丝。

具体实施方式

本发明涉及一种TEM井中磁探头的校准装置及校准方法。

TEM井中磁探头的校准装置包括赫姆霍茨线圈、脚架，TEM井中探头，其中：

脚架设置在赫姆霍茨线圈顶部，该脚架具有中心圆孔，该中心圆孔的外周设置可相对于该脚架旋转的制有360°刻度的刻度盘；

校准和测试时，TEM井中探头穿设于脚架的中心圆孔中，通过卡箍将TEM井中探头与脚架上的刻度盘连接。

所述赫姆霍茨线圈由多圈漆包线在二个完全平行的正方形线圈骨架上绕制而成。

所述脚架上位于刻度盘的外周处设有圆弧形游标，所述游标的精度为0.1°。

所述赫姆霍茨线圈的底部设有调平螺栓。

所述TEM井中探头由下至上依次由探头水平分量Hy线圈与Hx线圈、探头放大器、探头姿态测量部件、马龙头连接组成。

TEM井中磁探头的校准方法包括以下步骤：

步骤1：制作测试装置

制作一个赫姆霍茨线圈，设计一个具有中心圆孔的脚架，将该脚架放在赫姆霍茨线圈顶部，在脚架中央安装一个旋转精度为0.1度的360度刻度盘；

步骤2：测试设备的安装与调试

将赫姆霍茨线圈置于平地，并调节赫姆霍茨线圈下部的水平调节螺栓，使赫姆霍茨线圈垂直于地面；

将TEM井中水平探头从上面穿入脚架的中心圆孔中，调节探头与脚架的连接位置，使探头的Hy线圈与Hx线圈的连接点处于赫姆霍茨线圈轴线上；

步骤3：测量TEM井中水平分量探头的Hx线圈与Hy线圈的正交误差

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在赫姆霍茨线圈中旋转，精密调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，记录刻度盘的位置，然后再旋转刻度盘，使探头转90°，精密调节刻度盘，使Hy线圈的输出为最小值，再记录刻度盘的位置；

若从Hx线圈输出值最小到Hy线圈输出值最小，刻度盘旋转的角度正好是90°，则表明探头的Hx、Hy线圈是正交的；如果刻度盘旋转的角度大于或小于90°，则将刻度盘旋转的角度值减去90，所得的差值就是探头的Hy线圈与Hx线圈的正交误差值；

步骤4：测量TEM井中水平分量探头的Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差

用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角；

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，这时Hx线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的；

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Y轴的磁方位角，该磁方位角与前面用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角是一致的，若有偏差，其偏差值就是Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差；

步骤5：测量TEM井中水平分量探头的Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差

同样用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心面的磁方位角；

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hy线圈的输出为最小值，这时Hy线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的；

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Z轴的磁方位角，该磁方位角与赫姆霍茨线圈平面的磁方位角是一致的，若有偏差，其偏差值就是Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差。

在所述步骤2和步骤4中，给赫姆霍茨线圈提供6KHz交流信号。

在赫姆霍茨线圈中，二个正方形线圈的边长为1米，两个线圈间距为0.5445米。

所述探头上部的姿态测量部件具有X、Y、Z三轴输出信号，分别为重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，利用Mag x、Mag y、Mag z和Acc x、Acc y、Acc z计算出姿态测量部件的滚角、倾角和磁方位角；

所述TEM井中探头Hx线圈平面方向与探头上部的姿态测量部件的Z轴平行，探头Hy线圈平面方向与探头上部的姿态测量部件的Y轴平行。

下面结合附图详细说明。

为了精确测量测量水平分量探头的Hy和Hx线圈与姿态测量部分二者的安装精度(误差)，以及测试两个线圈的正交的偏差值，本发明提供了一种高精度的TEM井中磁探头的校准装置。

如图1所示。该TEM井中磁探头的校准装置包括：赫姆霍茨线圈1、三角形脚架2、TEM井中探头3、接收仪器面板8和9、带通滤波器11、数字电压表12、Vo-Vi转换器13、信号源14。TEM井中探头3由下至上依次由探头水平分量Hx线圈与Hy线圈7、探头放大器6、探头姿态测量部件5、马龙头4连接组成。其中：

赫姆霍茨线圈1由两个完全平行的1米正方形线圈骨架绕上漆包线组成。两个正方形线圈的边长为1米，两个线圈间距为0.5445米。赫姆霍茨线圈1的底部设有调平螺栓。

下井仪器测量的信号是用电缆传输到地面的接收仪器中的。因受下井电缆芯数的限制，故很多连线功能都是复用的。水平探头输出数据有三组：探头姿态数据、Hy磁场信号、Hx磁场信号。由接收装置通过控制继电器来选择探头输出数据的类别。接收装置有两根控制线，一根是姿态/HyHx输出控制线，另一根是Hy/Hx输出控制线。

当姿态/HyHx控制线为高电平时，探头输出为姿态信号；

当姿态/HyHx控制线为低电平且Hy/Hx控制线为高电平时，探头输出为Hy磁场信号；

当姿态/HyHx控制线为低电平且Hy/Hx控制线为低电平时，探头输出为Hx磁场信号。

井下的信号和地面仪器的控制信号通过电缆10进行传输。

为了使水平探头在方形赫姆霍茨线圈1中自由旋转，特设计了一个三角形脚架2，三角形脚架2设置在赫姆霍茨线圈1的顶部，三角形脚架顶部具有中心圆孔。在该中心圆孔的外周安装一个Φ174mm的360°刻度盘，并附有游标，它可以带动TEM井中探头3在赫姆霍茨线圈1中旋转。

如图3所示。三角形脚架2的中心圆孔的外周设置可相对于三角形脚架2旋转的制有360°刻度的刻度盘16，脚架3上位于刻度盘16的外周处设有圆弧形游标17，游标17的精度为0.1°。

校准和测试时，将TEM井中探头穿设于脚架2的中心圆孔中，通过装有顶丝18的卡箍将TEM井中探头与脚架上的刻度盘16固定连接。

下面详细说明本发明的校准方法。

步骤1-制作一个赫姆霍茨线圈

赫姆霍茨线圈主要由二个完全平行的边长为1米的正方形线圈组成，两个线圈间距为544.5mm。整个赫姆霍茨线圈全部用厚度为1020mm的塑料板制成，无任何金属部件(绕制线圈的漆包线除外)，赫姆霍茨线圈底部附有调平装置。赫姆霍茨线圈的特点是：由两个形状相同的线圈组成，同轴平行放置。它的磁场特征是，在两线圈轴线周边一定的范围内，磁场是均匀的、稳定的。

设计一个三角形脚架，将该三角形脚架放置在赫姆霍茨线圈顶部中间，脚架顶部中央安装一个Φ174mm的360°刻度盘(附有游标)，可精确读到0.1°，它可以带动探头在赫姆霍茨线圈中旋转，旋转精度0.1°。

步骤2-测试设备的安装与调试

将赫姆霍茨线圈置于外界电磁干扰相对较小的平地，并调节赫姆霍茨线圈下部的调平螺栓，使赫姆霍茨线圈的平面(即线圈所在的平面，该平面与该线圈的轴线垂直)垂直于地面，将探头放入赫姆霍茨线圈顶部的脚架中，通过上下移动探头以调节探头的高度，使探头的Hy线圈与Hx线圈的连接点处于赫姆霍茨线圈轴线上，然后通过卡箍将探头与刻度盘固定。再调节三角形脚架使探头垂直于地面。

由于刻度盘是由三条腿支撑的，通过调节三条腿的角度，用水平尺校准，可使探头垂直于地面(平行于赫姆霍茨线圈)。

用测量仪器(GPS加罗盘仪)测出赫姆霍茨线圈平面的指向，即中心线与磁北的夹角(磁方位角)。

步骤3-测量TEM井中水平分量探头Hx线圈与Hy线圈的正交误差

按图1连线，给赫姆霍茨线圈提供6KHz正弦信号，因赫姆霍茨线圈的两个线圈是串联的，故实际是给两个线圈一起提供信号。

旋转刻度盘，使探头在赫姆霍茨线圈中旋转，精密调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，记录此时刻度盘的位置，然后旋转刻度盘，使探头转90°左右，再精密调节刻度盘，使探头的Hy线圈的输出为最小值，再记录此时刻度盘的位置。

若从Hx线圈输出值最小到Hy线圈输出值最小，刻度盘旋转的角度正好是90°，则表明探头的Hx、Hy线圈是正交的；如果刻度盘旋转的角度大于或小于90°，则将刻度盘旋转的角度值减去90，所得的差值就是探头的Hy线圈与Hx线圈的正交误差值。

也就是说，如果探头的Hx、Hy线圈是正交的，那么从Hx线圈输出值最小到Hy线圈输出值最小，刻度盘旋转的角度就是90°。如果刻度盘旋转的角度大于或小于90°，则将其旋转角度值减去90，差值就是Hy线圈与Hx线圈的正交误差。

该测量依据的原理是，在赫姆霍茨线圈上加交流信号，线圈轴线附近区域的磁场是均匀的，其磁力线的方向是垂直于赫姆霍茨线圈平面的。根据电磁原理，如果Hx线圈方向垂直于赫姆霍茨线圈，也就是Hx线圈与磁力线平行，那么由赫姆霍茨线圈产生的磁场在Hx线圈上产生的电压信号为最小(理论上为零)。

如果Hy线圈方向平行于赫姆霍茨线圈，也就是Hy线圈与磁力线垂直，那么由赫姆霍茨线圈产生的磁场，在Hy线圈上产生的电压信号为最小(理论上为零)。

也可以反过来测量，先将Hy线圈输出调到最小值，再旋转刻度盘，使Hx线圈输出变为最小，其刻度盘旋转的角度值，减去90，其差值也是Hy线圈与Hx线圈的正交误差。

由于刻度盘是360°等分的，并附有游标，旋转精度可以达到0.1°，可以使探头在赫姆霍茨线圈中旋转，旋转精度0.1°，所以，Hy线圈与Hx线圈的正交误差的测量精度可以达到0.2°。

步骤4-测量TEM井中水平分量探头Hx线圈与姿态测量部件的Z轴的安装精度

用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角。

在探头上部装有姿态测量部件，该姿态测量部件有X、Y、Z三轴输出信号(重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z)，利用Mag x、Mag y、Mag z和Acc x、Acc y、Acc z可以计算出姿态测装置的滚角、倾角和磁方位角。

如图2所示。旋转TEM井中探头，使探头的Hx线圈71的平面方向与探头姿态测量部件5的Z轴平行，探头的Hy线圈72的平面方向与探头姿态测量部件5的Y轴平行。

按图1连线，给赫姆霍茨线圈供6KHz正弦信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，再精确地调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，这时Hx线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的。

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Y轴的磁方位角，该磁方位角与前面用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角应该是一致的。若有偏差，其偏差值就是Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差。

步骤5：测量TEM井中水平分量探头的Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴的安装误差

同样用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心面的磁方位角。

按图1连线，给赫姆霍茨线圈供6KHz正弦信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hy线圈的输出为最小值，这时Hy线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的。

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Z轴的磁方位角，该磁方位角与赫姆霍茨线圈平面的磁方位角应该是一致的。若有偏差，其偏差值就是Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差。

赫姆霍茨线圈1由两个完全平行的1米正方形线圈骨架绕上漆包线组成。两个正方形线圈的边长为1米，两个线圈间距为0.5445米。赫姆霍茨线圈1的底部设有调平螺栓。

本发明的工作原理：

为了测量水平分量探头的Hy和Hx线圈与姿态测量部分二者的安装精度(误差)，以及测试两个线圈的正交的偏差值，必须使探头处于一个稳定的磁场内，并要求其磁力线必须互相平行，不能发散。

本发明利用方形赫姆霍茨线圈中间磁场均匀，磁力线互相平行，不易发散且垂直于线圈平面的特点，若将TEM井中水平分量磁探头放入赫姆霍茨线圈顶部的脚架中，调节探头高度使探头的测量点(即Hx和Hy线圈总长的中点)对准赫姆霍兹线圈轴线的中点，并使探头和赫姆霍茨线圈面垂直于地面，探头在赫姆霍茨线圈中可360°自由旋转。给线圈供6KHz正弦信号(选择6KHz信号的理由是：6KHz处于水平分量探头幅频特性曲线线性段的上部，灵敏度较高，远离工频干扰，有利于测量探头输出Vo的最小值)，这时探头的Hx水平分量应有输出，慢慢旋转刻度盘可以精确找到Hx水平分量的最小值(要用6KHz带通滤波器)的位置。这时，Hx水平分量线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的，用测量仪器测出赫姆霍茨线圈平面的与磁方位角，也是探头Hx水平线圈平面的磁方位角。测量时所用仪器为GPS加罗盘仪。(GPS为广州中海达卫星导航技术股份有限公司的RTK系统V8。罗盘仪为哈尔滨光学仪器厂DQL-1B型森林罗盘仪)。

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身轴的磁方位角，该磁方位角与赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角是一致的。若有偏差，其偏差值就是Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差。姿态测量部件型号：Model544Miniature Angular Orientation Sensor。

同样原理，也可以测量TEM井中水平分量Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差。

测量TEM井中水平分量探头Hx线圈与Hy线圈的正交误差时，无需测量赫姆霍茨线圈的指向，只要调节赫姆霍茨线圈下部调平螺栓使赫姆霍茨线圈的面垂直于地面，将探头放入赫姆霍茨线圈顶部的脚架中，调节探头高度，使探头的测量点处于赫姆霍茨线圈的轴线的中点，并调节脚架使探头垂直于地面，给赫姆霍茨线圈供6KHz信号，调节刻度盘带动探头在线圈中旋转，精确测出最小值后，将刻度盘松开，调到0°(用游标精确到0.1°以内)，并固定刻度盘，调节刻度盘将探头转90°左右，换测Hx线圈，精确测出最小值，这时最小值所指的刻度盘读数应该是90°，若有偏差，其差值就是Hy线圈与Hx线圈的正交误差。

本发明主要应用于地球物理勘探中的瞬变电磁(TEM)井下探头的测试和校准。

参考资料

1.耿胜利、赵庆安：MC-01超低铁芯磁探头的研制，《传感器世界》2002年第4期。

2.河北省地质矿产局物探大队；磁偶源频率测深法(地矿部地质专报)，地质出版社，1985。

3.陈鹏万编：电磁学(高等学校试用教材)，人民教育出版社，1978。

4.张秀成编著：大地电磁测深及仪器，地质出版社，1989。

5.顾心如：方形赫姆霍茨线圈最佳间距求解，《物探与化探》，第五期，2000。

Claims (10)

1.一种TEM井中磁探头的校准装置，其特征在于：

包括赫姆霍茨线圈、脚架，TEM井中探头，其中：

脚架设置在赫姆霍茨线圈顶部，该脚架具有中心圆孔，该中心圆孔的外周设置可相对于该脚架旋转的制有360°刻度的刻度盘；

校准和测试时，TEM井中探头穿设于脚架的中心圆孔中，通过卡箍将TEM井中探头与脚架上的刻度盘连接。

2.如权利要求1所述的TEM井中磁探头的校准装置，其特征在于：

所述赫姆霍茨线圈由多圈漆包线在二个完全平行的正方形线圈骨架上绕制而成。

3.如权利要求1所述的TEM井中磁探头的校准装置，其特征在于：

所述脚架上位于刻度盘的外周处设有圆弧形游标。

4.如权利要求1所述的TEM井中磁探头的校准装置，其特征在于：

所述游标的精度为0.1°。

5.如权利要求1所述的TEM井中磁探头的校准装置，其特征在于：

所述赫姆霍茨线圈的底部设有调平螺栓。

6.如权利要求1所述的TEM井中磁探头的校准装置，其特征在于：

所述TEM井中探头由下至上依次由探头水平分量Hy线圈与Hx线圈、探头放大器、探头姿态测量部件、马龙头连接组成。

7.一种TEM井中磁探头的校准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：制作测试装置

制作一个赫姆霍茨线圈，设计一个具有中心圆孔的脚架，将该脚架放在赫姆霍茨线圈顶部，在脚架中央安装一个旋转精度为0.1度的360度刻度盘；

步骤2：测试设备的安装与调试

将赫姆霍茨线圈置于平地，并调节赫姆霍茨线圈下部的水平调节螺栓，使赫姆霍茨线圈垂直于地面；

将TEM井中水平探头从上面穿入脚架的中心圆孔中，调节探头与脚架的连接位置，使探头的Hy线圈与Hx线圈的连接点处于赫姆霍茨线圈轴线上；

步骤3：测量TEM井中水平分量探头的Hx线圈与Hy线圈的正交误差

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在赫姆霍茨线圈中旋转，精密调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，记录刻度盘的位置，然后再旋转刻度盘，使探头转90°，精密调节刻度盘，使Hy线圈的输出为最小值，再记录刻度盘的位置；

若从Hx线圈输出值最小到Hy线圈输出值最小，刻度盘旋转的角度正好是90°，则表明探头的Hx、Hy线圈是正交的；如果刻度盘旋转的角度大于或小于90°，则将刻度盘旋转的角度值减去90，所得的差值就是探头的Hy线圈与Hx线圈的正交误差值；

步骤4：测量TEM井中水平分量探头的Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差

用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角；

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hx线圈的输出为最小值，这时Hx线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的；

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Y轴的磁方位角，该磁方位角与前面用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心平面的磁方位角是一致的，若有偏差，其偏差值就是Hx线圈平面与姿态测量部件的Z轴安装误差；

步骤5：测量TEM井中水平分量探头的Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差

同样用测量仪器测出赫姆霍茨线圈中心面的磁方位角；

给赫姆霍茨线圈提供电信号，旋转刻度盘，使探头在线圈中旋转，调节刻度盘，使探头的Hy线圈的输出为最小值，这时Hy线圈的平面与赫姆霍茨线圈平面是垂直的；

用探头上部的姿态测量部件测出姿态仪器本身的重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，计算出Z轴的磁方位角，该磁方位角与赫姆霍茨线圈平面的磁方位角是一致的，若有偏差，其偏差值就是Hy线圈平面与姿态测量部件的Y轴安装误差。

8.如权利要求7所述的TEM井中磁探头的校准方法，其特征在于：

在所述步骤2和步骤4中，给赫姆霍茨线圈提供6KHz交流信号。

9.如权利要求7所述的TEM井中磁探头的校准方法，其特征在于：

在赫姆霍茨线圈中，二个正方形线圈的边长为1米，两个线圈间距为0.5445米。

10.如权利要求7所述的TEM井中磁探头的校准方法，其特征在于：

所述探头上部的姿态测量部件具有X、Y、Z三轴输出信号，分别为重力场Mag x、Mag y、Mag z和地磁场Acc x、Acc y、Acc z，利用Mag x、Mag y、Mag z和Acc x、Acc y、Acc z计算出姿态测量部件的滚角、倾角和磁方位角；

所述TEM井中探头Hx线圈平面方向与探头上部的姿态测量部件的Z轴平行，探头Hy线圈平面方向与探头上部的姿态测量部件的Y轴平行。

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