CN103969690B - 一种磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场传感器，其包括：壳体，其为筒状结构；中空骨架，其为中空柱体，外表面等间隔分布多个相同的环状凹槽；分段磁芯，其置于所述中空骨架的中空部分，由多段等长的磁芯材料连接而成；多节线圈，分别缠绕于所述中空骨架的环状凹槽内，且多节线圈串联连接至放大电路；放大电路，置于所述壳体内部一端，用于放大输出所述多节线圈的感应信号。本发明充分扩展了工作频带，有效减小传感器对测量磁场的影响，且能屏蔽周围环境的电场干扰，确保测量磁场信号的准确性。本发明的磁场传感器体积小，重量轻，能够有效应用于地面TEM的工程应用中。

Description

一种磁场传感器

技术领域

本发明涉及地球物理电磁探勘技术领域，尤其是涉及一种磁场传感器。

背景技术

瞬变电磁方法，简称TEM，是地球物理电磁勘探方法中的一种重要方法，目前广泛应用于各种地下资源勘探中。目前国内使用的TEM电磁勘探仪器主要为国外公司产品，如Geonics公司PREOTEM系列，Zonge公司GDP-32，MonexGeoscope公司TerraTEM系列，各公司TEM仪器都有与之配套使用磁场传感器。国内也有多家机构研发TEM仪器，但是与仪器配套使用磁场传感器研究较少。可以查找的有吉林大学王君等的中国专利申请CN1766674A磁分量磁场传感器，中煤科工集团西安研究院王继矿等申请的中国专利申请CN103472490A矿用本安型瞬变电磁仪接收天线。

上述专利申请中描述的磁场传感器，其结构图如图1所示，其特点在于使用非晶合金或铁氧体作为传感器的磁芯1，传感器内部线圈2沿磁芯截面方向绕制，放大电路3在传感器的一端。在CN1766674A中，使用同样沿磁芯截面方向绕制的另一线圈作为补偿线圈7，根据不同的检测要求选择时间域或频率域检测方式。在CN10347290A中，使用坡莫合金作为传感器的屏蔽层8。

上述发明存在如下几点缺陷：

(1)未考虑磁芯中涡流对于传感器测量的影响，在瞬变电磁法观测时，由于一次场的交替变化，传感器处于磁场剧烈变化的环境中，磁芯1中会产生感应的涡旋电流，涡旋电流会产生出干扰传感器测量的磁场。

(2)未采用措施抑制传感器线圈2的分布电容，线圈2的分布电容限制了传感器的工作频带，降低分布电容能够扩大传感器的工作频率范围。

(3)未考虑电场屏蔽措施，CN100456047C只为放大电路3使用了电路屏蔽措施，CN10347290A中使用坡莫合金作为屏蔽，坡莫合金是磁性材料和良导体，不仅屏蔽了电场还衰减了需要测量的磁场信号，且整体的屏蔽层8也有电流环路，会产生影响测量的涡流磁场。

发明内容

针对以上所述的技术缺陷，本发明提出了一种TEM磁场传感器，充分扩展了工作频带，有效减小传感器对测量磁场的影响，且能屏蔽周围环境的电场干扰，确保测量磁场信号的准确性。

本发明提出的一种磁场传感器，其包括：

壳体，其为筒状结构；

中空骨架，其为中空柱体，外表面等间隔分布多个相同的环状凹槽；

分段磁芯，其置于所述中空骨架的中空部分，由多段等长的磁芯材料连接而成；

多节线圈，分别缠绕于所述中空骨架的环状凹槽内，且多节线圈串联连接至放大电路；

放大电路，置于所述壳体内部一端，用于放大输出所述多节线圈的感应信号。

本发明的磁场传感器体积小，重量轻，能够有效应用于地面TEM的工程应用中。

本发明具有以下优点：

(1)使用分节粘接的铁氧体磁芯，不仅从材料本身降低了涡流，又从磁芯的结构上进一步减小了涡流。

(2)线圈使用分节绕制的方式降低了线圈本身和线圈节与节之间的电容，增大线圈与磁芯的距离，线圈骨架使用低介电常数的材料和中空的设计降低了线圈与磁芯间的电容，这些措施同时进行有效降低了线圈整体的分布电容。

(3)条带状铜箔组成无电流回路导电层作为传感器屏蔽层，在起到电场屏蔽作用同时不衰减磁场信号，也不会产生涡流影响磁场的测量。

(4)由于上述技术方案的使用，本发明实例的磁场传感器尺寸为直径86mm，长度205mm，重量2kg。传感器灵敏度即有效面积为1000m²，带宽为19kHz。

附图说明

图1为现有技术中的传感器结构示意图；

图2为本发明中磁场传感器的结构示意图；

图3为本发明中放大电路的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2示出了本发明提出的一种磁场传感器的结构示意图。如图2所示，其包括：

分段磁芯101，置于中空骨架109的中空部分，其为圆柱体结构，使用多段等长的磁性材料粘连而成，考虑磁芯材料的高磁导率与电导率，优选为铁氧体材料，铁氧体的电导率低，只有0.2x10-5S/m，是绝缘体，优于电导率高的坡莫合金等磁性材料。

使用多段等长的铁氧体粘接成分段磁芯101，不同于现有技术中使用的一体磁芯，其优点一是可以很自由选择合适长度的磁芯，改变铁氧体的段数即可。二是铁氧体分段粘接，相比于同样长度整体未分段磁芯，分段对磁场的聚集放大作用并无影响，且磁芯分段也使磁芯中的涡旋电流断路，进一步减弱了涡流大小。优选地，本实例中分段磁芯1由四段铁氧体粘接而成，整体尺寸为长度180mm，直径25mm，每段铁氧体尺寸为45mm x25mm。

多节线圈102，其分段缠绕于中空骨架109的圆环状凹槽内，相邻凹槽内线圈串联，串联而成的所述多节线圈2的中间抽头和两端连线与放大电路3相连，所述材料为漆包线。

优选地，本实例中多节线圈102匝数为5000，分为20节，每节匝数250，漆包线线径为0.32mm，绕线内径为55mm，即多节线圈102与分段磁芯101的间距为15mm。使用阻抗分析仪Agilent4294A测试分段磁芯101和多节线圈102整体的分布电容为8.5pF，谐振频率为30kHz，去除分段磁芯101后多节线圈102分布电容为5.9pF，由此可得多节线圈102与分段磁芯101之间的电容只有2.6pF，不仅表明分节绕制线圈和增大分节线圈102与分段磁芯101之间距离有效降低多节线圈102的分布电容。使用动态信号分析仪Agilent35670A测试磁场传感器线圈的灵敏度，即有效面积为94m²。

放大电路103，其设置于外壳106内部，位于在接头104所在的一端，其输入为线圈102的中间抽头与两端连线，其输出连接至接头104，用于放大输出所述多节线圈102的感应信号。

如图3所示，P1为分段线圈102的输出，线圈为中间抽头式，P1的三管脚分别对应多节线圈102的三个输出，中间抽头接地。R1与R2分别于多节线圈102的两端输出相连，另一端接地，R1与R2为多节线圈5的匹配电阻，作用为抑制多节线圈2谐振，其阻值与多节线圈102的参数有关，本实例中为150kΩ。同时多节线圈102的两路输入分别接入运放A和B的同相输入端，R3两端分别连接运放A和B的反相输入端，R4与C3并联，一端接运放A的输出，另一端接反相输入端，R5与C4并联，一端接运放B的输出端，另一端运放反相输入端。运放A与B的输出为放大电路的输出。本实例中R3的阻值为1kΩ，R4,R5的阻值为5.36kΩ，C3,C4的电容值为40pF。本实例运放为LT1124。电路的供电范围为13V-15V，由于使用通用的低噪声稳压电源芯片，电源电路不详细说明。

接头104，其设置于所述外壳106的一端，为磁场传感器与外部设备的接口。其作用一是与外部供电电源相连，提供磁场传感器正常工作的电源，二是输出磁场传感器感应信号，供接收装置采集。

外壳106，其为圆筒状结构，内壁贴有屏蔽层108，其内部设置有骨架109，采用绝缘材料制成，优选为ABS工程塑料。

屏蔽层108，其为厚度100um，宽10mm带状铜箔，沿分段磁芯101轴向贴于外壳106内壁，铜箔之间互不相连，分别接于放大电路103的接地端GND。其作用为屏蔽外界干扰，能够屏蔽周围电场，同时互不相连结构没有电流环路，不会产生影响磁场测量的涡流。

骨架109，其中空圆柱体结构，分段磁芯101设置在所述中空圆柱体的中空部分，其外表面等间隔分布多个大小形状相同的圆环状凹槽，凹槽底部与分段磁芯101间隔，凹槽中用于绕制线圈102。其作用为支撑传感器内部结构，间隔多节线圈102与磁芯间距离和多节线圈102之间距离，降低过节线圈102的分布电容，所述骨架为低介电常数绝缘材料，优选为ABS工程塑料。

至此，已经结合附图对本实施例磁场传感器进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的磁场传感器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)分段磁芯101的材料可以使用其他高磁导率低电导率的材料替代，1磁芯分段的数目与每段的尺寸大小也可以依据实际情况设计改变。

(2)分段磁芯101与多节线圈102间距离可以依据实际设计要求传感器尺寸设计改变。

(3)传感器内部骨架109材料可以替换为其他密度低、强度高且低介电常数材料，在保证强度情况下合理设计结构，降低传感器的质量。

(4)传感器的多节线圈102可以选择其他线径的漆包线替代，线圈匝数和节数依据实际情况调节。

(5)传感器的放大电路103也可以使用其他低噪声的差分放大电路替换，实例中传感器使用外接电源模式，也可以使用内部电池供电的形式。

(6)传感器外壳106内壁的屏蔽层108可以使用其他导电良好的材料替代，屏蔽层的设计要点在于没有电流回路。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磁场传感器，其包括：

壳体，其为筒状结构；

中空骨架，其为中空柱体，外表面等间隔分布多个相同的环状凹槽；

分段磁芯，其置于所述中空骨架的中空部分，由多段等长的磁芯材料连接而成；多节线圈，分别缠绕于所述中空骨架的环状凹槽内，且多节线圈串联连接至放大电路；所述分段磁芯和多节线圈之间由所述中空骨架间隔，间隔距离为15mm；

放大电路，置于所述壳体内部一端，用于放大输出所述多节线圈的感应信号；

其中，所述壳体内壁贴有屏蔽层；所述屏蔽层为多条带状铜箔，沿分段磁芯轴向贴于所述壳体内壁，且铜箔之间互不相连，分别连接至所述放大电路的接地端。

2.如权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述壳体外部的一端还具有接头，其与所述放大电路位于同一端，用于连接所述放大电路和外部电源。

3.如权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述串联后的多节线圈的两端以及中间抽头分别连接至所述放大电路。

4.如权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述分段磁芯采用多段铁氧体材料粘接而成。

5.如权利要求1所述的磁场传感器，其中，所述壳体和骨架采用低介电常数的绝缘材料制成。