CN105182256A - 大电流、小功率的磁场信号差分采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场成像技术领域，为提供低功率、大电流的磁场信号差分采集装置，通过改进传统梯度仪，使得次级磁场更易测量，且具有非常重要的研究价值和实际应用价值。为此，本发明采取的技术方案是，大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，由夹在两个接收单元间的激励单元构成，其中激励单元是一个低功率大电流的LC振荡电路，由电感电容并联构成。本发明主要应用于磁场成像设备的设计制造。

Description

大电流、小功率的磁场信号差分采集装置

技术领域

本发明涉及磁场成像技术领域。具体讲，涉及大电流、小功率的磁场信号差分采集装置。

背景技术

随着现代磁检测技术的不断提高，利用磁场测量距离正成为研究的热点。相对于传统的超声波测距和激光测距而言，磁测距具有许多优点：其不依赖于介质及被测物体表面的反射情况和被测物体的方位，可以实现对目标磁体的自主捕捉定位等。磁测距技术又可具体分为标量测距和梯度张量测距2种：标量测距主要通过测量磁场总量实现测距，需要大量采集数据并利用一定的优化算法求出最优解，这使得其计算量较大、定位实时性差、精度较低；而磁力梯度张量具有良好的数学性质，受磁化方向影响小，其特征根和不变量能更好地反演场源参数(方位、磁矩等)并对场源进行定位、追踪。

目前磁梯度测量主要应用于航空磁测。近些年，随着勘查工作对磁法勘探要求的不断提高，地面磁梯度测量也逐渐成为研究的重点。地面磁梯度测量是指沿地表测线测量磁场随空间的变化率。该方法具有分辨率高、不受地磁日变和磁暴干扰等优点。可用于构筑地下基础、探测非开挖式地下污水管道或金属管道、勘察地下岩石等。

磁梯度仪是通过一个激励线圈和两个接收线圈测量磁场的一种设备。其原理如图1所示。

交变电流通过激励线圈产生交变磁场，物体在交变磁场下感应产生涡流，涡流产生次级磁场被两个接收线圈测得。由于两个接收线圈结构相同并且与激励线圈距离相等，因此两个接收线圈测得的电压差仅仅为对次级磁场的感应。

现有的磁梯度仪均是改进次级线圈，但是基于现有制作工艺的限制，对次级线圈的改进也不是无限制的；或者从理论分析来解析测量结果；这些往往都有一定的局限性，只有增强次级磁场，才能易于测量。因此，本发明提出一种改进式梯度仪，通过增大激励线圈的电流来产生大磁场，从而增强次级磁场，使得次级线圈更易测量。本方法的优点是，虽然增大了激励线圈的电流，却能够使得激励线圈的功率非常低。

参考文献

[1]王水强,黄永进,李凤生,李波,柳林齐.磁梯度法探测非开挖金属管线的研究.工程地球物理学报：2005,10,2(5):353-357

[2]任秀艳，杜晓娟，孙瑞雪，逄硕，王江，高超.地面磁梯度测量在勘查地下污水管道中的应用.世界地质：2014,9,33(3):659-665

[3]肖雄，杨晓非，欧阳君.磁梯度张量在磁体测距中的应用研究.电子测量技术：2013,4,36(4):15-19

[4]陆华中.磁梯度测试方法在工程建设中的应用.西部探矿工程：2008,6:190-193

发明内容

为克服现有技术的不足，提供低功率、大电流的磁场信号差分采集装置，通过改进传统梯度仪，使得次级磁场更易测量，且具有非常重要的研究价值和实际应用价值。为此，本发明采取的技术方案是，大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，由夹在两个接收单元间的激励单元构成，其中激励单元是一个低功率大电流的LC振荡电路，由电感电容并联构成。

交流电源所施加信号是频率与LC电路同频率的交流电。

可以将多个LC振荡电路并联起来使用，以形成叠加的磁场。

LC振荡电路的磁场激励单元和两个接收单元共轴地安装到支架上，以便容易使两个磁场接收元件相对于磁场激励单元是对称的。

电感采用一定表面积和一定厚度的铜片制作成铜环，其中表面积和厚度取决于电流的强度和电流频率。

电容采用低损耗大电流的电容，或者用同轴电缆或铜片电容来代替，同轴电缆轴内两个共轴的圆环视为电容，通过改变同轴电缆的长度，或者通过多根同轴电缆的串/并联来改变电容大小，将同轴电缆与铜环并联后绕铜环缠绕，这样制作而成激励单元；铜片电容可以采用两个薄铜片和一个极薄的绝缘层夹在其中间制作而成，再与铜环并联制作而成激励单元。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明并不改变传统结构，只是将主线圈改进。通过使用一个低损耗的的容性元器件和一个低电感量低阻值的感性元器件并联产生震荡来激发磁场。由于容性元器件的低损耗因此可以减小能耗，感性元器件的低电感量可以降低电场增大磁场，适用于各种需要强磁场场合。

附图说明

图1磁梯度仪原理图。

图2改进梯度仪。

图3LC电路和施加的信号源。

具体实施方式

目前传统的梯度仪均是通过一个缠绕的激励线圈激励产生磁场，然后通过两个次级线圈测量次级磁场。但往往相较于主磁场，次级磁场比其低几个数量级，这就对次级线圈和采样电路要求较高，需要有较大的动态范围和较好的灵敏度。实际使用时常常通过改进次级线圈，比如使用GMR等来代替简单的缠绕式次级线圈，以便实现与频率近似无关的接受灵敏度，从而更好地测量次级磁场。但是这些元器件范围都是有限的，要求更高则价格昂贵不利于普及。因此改进传统梯度仪，使得次级磁场更易测量，具有非常重要的研究价值和实际应用价值。

本发明旨在通过改进传统梯度仪的激励线圈来增强主磁场。该方法只需改变激励线圈/激励单元，通过使用一个低损耗电容和一个低电感值低阻值电感并联的LC振荡电路来激发强磁场，在施加一个和LC振荡电路共振频率相同频率的交流电后，就可以产生可大至上千安培的电流，并且耗能非常低。

由于传统梯度仪下次级磁场测量问题，传统梯度仪已不能满足需求。而仅仅改进次级线圈和采样电路也无法大程度的提升梯度仪性能。

本发明基于传统梯度仪，不改变其理论结构，仅通过改进激励线圈/激励单元来改进次级磁场的测量。具体实施方法如下：

梯度仪由三个部分组成，中间为激励单元，在激励单元的两侧等距放置两个完全相同的次级单元用于测量次级磁场。由于两个次级单元与激励单元距离相同，因此主磁场对两者的影响可以抵消，两个次级单元测量差值即为次级磁场的体现。为了产生强磁场从而增强次级磁场便于测量，必须要增大激励单元的电流。通过LC振荡电路可以共振产生主磁场，LC振荡电路由低电感量和低阻值的感性元件与低损耗的电容元件并联形成，其中，感性元件的低电感量可以减小电场分量增大磁场分量，且低电阻值和大电容的低损耗可以降低能耗，增强LC振荡电路的Q值，这样可以产生几百甚至上千安培的大电流，进而产生强磁场。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

如图3所示，为LC振荡电路和所施加的信号源。所施加信号源是频率与LC振荡电路同频率的交流电，信号源内阻为R。L为电感，R1为电感L的阻值，C为电容。当信号频率与LC共振频率相同时，LC电路两端导纳为0，电阻趋于无穷大，所以信号源电压全部加在LC共振电路的两端，且LC共振电流大。又由于R1较小，且C损耗较小，因此LC电路的功率较小。

为了进一步增大磁场强度，可以将多个LC电路并联起来使用，以形成叠加的磁场。

上述措施可以和提高使用信号源的电压结合起来，以便进一步提高LC电路产生的电流。在本发明的一个具体实施例中，所说的大电流最高能达到800安培。

将LC电路的磁场激励单元和两个接收单元(或其他磁场敏感元件)共轴地安装到一般的梯度仪支架上，以便容易使两个磁场接收单元相对于磁场激励单元是对称的。

为了降低磁场激励部分的电感量和电阻，除了使用大截面积和一定厚度的线圈(例如铜环)外，还可以将多个线圈并联起来实现。

除了采用低损耗的电容外，例如陶瓷电容，一般情况下，还可以将传统电容用同轴电缆或铜片电容等来代替。本发明所说的低损耗的电容是指损耗角正切小于0.1。同轴电缆损耗较小，轴内两个共轴的圆环可以视为电容。通过改变同轴电缆的长度，或者通过多根同轴电缆的串/并联来改变电容大小。将同轴电缆与铜环并联后绕铜环缠绕，这样制作而成激励线圈。或者采用两个薄铜片和一个极薄的绝缘层夹在其中间制作成铜片电容，铜片电容再与铜环并联制作而成激励线圈。这样制作得到的激励线圈具有大电流强磁场的特点，且安全无危险，易于制作。本发明的一个具体实施例中，所说的低功率是小于1瓦特。

Claims (6)

1.一种大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，其特征是，由两个接收单元及夹在其中间的激励单元构成，其中激励单元是一个低功率大电流的LC振荡电路，LC振荡电路由电感、电容、外加交流电源并联构成。

2.如权利要求1所述的大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，其特征是，外加交流电源所施加信号是频率与LC振荡电路同频率的交流电。

3.如权利要求1所述的大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，其特征是，将多个LC振荡电路并联起来使用，以形成更强的叠加磁场。

4.如权利要求1所述的大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，其特征是，LC振荡电路即磁场激励单元和两个接收单元共轴地安装到支架上，以便容易使两个磁场接收单元相对于磁场激励单元是对称的。

5.如权利要求1所述的大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，其特征是，LC振荡电路的电感采用一定表面积和一定厚度的铜片制作成铜环，其中表面积和厚度取决于电流的强度和电流频率。

6.如权利要求1所述的大电流、小功率的磁场信号差分采集装置，其特征是，电容采用低损耗大电流的电容，或者用同轴电缆或铜片电容来代替，其中同轴电缆轴内两个共轴的圆环视为电容，通过改变同轴电缆的长度，或者通过多根同轴电缆的串/并联来改变电容大小，将同轴电缆与铜环并联后绕铜环缠绕制作而成激励单元；铜片电容采用两个薄铜片和一个极薄的绝缘层夹在其中间制作而成，再与铜环并联制作而成激励单元。