CN106908845A - 电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法，包括发送机、一个发送线圈、信号调理模块和接收机，发送机的两个发送输出端与发送线圈的两端连接，其特征在于：还包括n个接收线圈，n个接收线圈组成接收线圈模块，接收线圈模块与信号调理模块连接，信号调理模块输出端组与接收机连接；接收线圈模块设置在发送线圈的边缘处，二者部分交集，发送线圈的部分正投影和接收线圈模块的部分正投影相重合。有益效果：消除了常规接收线圈一次场和二次场混叠现象；接收信号动态范围减小，解决了接收弱二次场信号困难的问题；应用范围广；一体化系统，使用方便；操作方便、调节效果精准可靠。

Description

电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁法勘探技术领域，具体的说是一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法。

背景技术

电磁法勘探目前已经广泛应用于矿产勘探、工程地质勘探、地下水资源、地下管线和环境地质勘探等领域，其中常用的有频率域电磁法与时间域电磁法，采用电磁发送机产生激励一次场，通过接收机采集地质体感应的二次场，通过分析二次场，探测地质体结构。

但是，现有技术中，电磁法勘探仍然存在以下不足：

(1)、发送线圈和接收线圈之间存在互感，接收线圈感应到的信号不仅有接收机采集的二次场信号，还混叠有电磁发送机产生激励一次场，存在一次场与二次场混叠问题；

(2)、由于一次场信号幅值大，二次场幅值小，要在一次场背景下分辨出二次场是非常困难的，接收信号波动范围大，接收二次场信号困难的问题；

(3)、常规小线框同点装置发送和接收线圈匝数多，互感影响强烈，常规小线框同点装置可靠性差，难以得到实际应用；

(4)、发送和接收是相对独立的两个系统，勘探时相对位置不定，互感变化大，对信号的畸变不确定，导致检测数据误差大，且使用不便。

如专利授权号为ZL200720151836.7的“一种瞬变电磁仪”，能够在供电期间和关断后很短时间内消除一次场的影响，但在开关切换后，互感依然存在，依然存在信号混叠问题，另外，采用4个开关，结构复杂，开关的切换对接收信号会产生不良影响。

(5)、专利授权号为2010101145349的“一种电磁法勘查的发送接收一体化方法及装置”能够通过调节布置在发射线圈内、外接收线圈的匝数实现一次场的消除，但是这种调节方式依赖匝数的配合，容易出现非整数匝而导致一次场消除的精准度较低，而且这种集中式绕制的接收线圈自感较大，容易造成接收信号的畸变。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种适用于电磁法勘查的发送接收一体化的装置及方法，抵消发送线圈和接收线圈之间的互感影响，达到消除电磁发送机产生的激励一次场影响的目的。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，包括发送机、一个发送线圈、信号调理模块和接收机，所述发送机的两个发送输出端与所述发送线圈的两端连接，其关键在于：还包括n个接收线圈，所述n个接收线圈组成接收线圈模块，所述接收线圈模块与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块输出端组与所述接收机连接；所述接收线圈模块设置在所述发送线圈的边缘处，二者部分交集，所述发送线圈的部分正投影和所述接收线圈模块的部分正投影相重合。

通过上述设计，n个接收线圈设置在发送线圈的边缘处，二者部分交集，接收线圈内部有两个方向的磁力线穿过，可达到抵消的作用，使发送线圈产生穿过接收线圈的磁通为零，消除发送线圈产生的依次场的作用，提高了接收线圈的检测精度。其中，发送线圈或为圆形或为方形或为椭圆形或为多边形线圈。接收线圈或为方形或为椭圆形或为多边形线圈或为圆形等。

进一步的技术方案为，所述n个接收线圈位于同一平面并且均匀分布在接收线圈边缘。通过设置在同一平面，则每个接收线圈内穿过的磁通相同，每个接收线圈的检测数据均相同，并且发送线圈和接收线圈保持一定的距离，以保证接收线圈和发送线圈不接触，降低相互干扰产生的误差。

再进一步的技术方案为，所述接收线圈模块接收线圈内部通过的所述发送线圈发出的磁通可调。

通过上述技术方案，当穿入和穿出接收线圈的磁力线不等时，可调节接收线圈和发送线圈之间的交集区域面积，或者调节接收线圈和发送线圈的相对高度。

作为一种技术方案为，所述接收线圈模块为接收线圈阵列，该接收线圈阵列是由n个独立工作的n个接收线圈组成，所有接收线圈导线绕制方向一致。

采用上述技术方案，n个接收线圈相互独立，互补影响，各自进行接收。独立效果好，相互干扰小。

再进一步地，或者有n个接收线圈均匀设置在所述发送线圈的边缘处，n个接收线圈都与所述发送线圈部分交集；在检测过程中，调节接收线圈磁通时，可分别调节n个接收线圈，实现调节。

或者有n-1个接收线圈均匀设置在所述发送线圈的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈内；在检测过程中，调节接收线圈磁通时，发送线圈内部的磁力线数量密集，磁通大，粗调时，可调节位于发送线圈内的接收线圈，精调时，则调节发送线圈的边缘处n-1个接收线圈。

或者有n-1个接收线圈均匀设置在所述发送线圈的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈外；

由于发送线圈磁力线数量少，磁通小，则可通过设置在发送线圈外的接收线圈实现精调。

或者有n-2个接收线圈均匀设置在所述发送线圈的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈内，另一个接收线圈完全位于所述发送线圈外。

通过设置在发送线圈内的接收线圈进行粗调节，通过设置在发送线圈的边缘处n-2个接收线圈进行精调，再通过设置在发送线圈外的接收线圈进行进一步精调。

再进一步描述，所述信号调理模块包括n个独立的信号调理电路，每个所述接收线圈连接有一个独立的信号调理电路，所述接收线圈起点端A_m与对应所述信号调理电路的正输入端连接，所述接收线圈终点端B_m与对应所述信号调理电路的参考端连接。通过n个独立的信号调理电路分别对n个接收线圈接收的信号进行处理。

作为另一种技术方案为，所述信号调理模块包括一个信号调理电路，所有所述接收线圈依次串联组成，其中首个接收线圈的起点端A₁与所述信号调理电路的正输入端连接，所述最末端的接收线圈终点端B_n与对应所述信号调理电路的参考端连接。

采用上述技术方案，n个接收线圈依次串联，设置在发送线圈边缘，并且该n个接收线圈通过一个信号调理电路进行接收信号调节，信号处理简单、方便。

再进一步描述，所述接收线圈为带状线圈，该带状线圈呈环形，并绕所述发送线圈的边缘设置，二者部分交集，所述发送线圈的部分正投影和带状线圈的部分正投影相重合。

上述方案中，接收线圈由一条导线绕制成带状，且带状线圈内圈部分设置在发送线圈内，外圈部分设置在发送线圈外，通过调节带状线圈与发送线圈的重叠部分，来调节磁通的大小。

再进一步描述，所述信号调理电路的包括阻尼电阻R₀、电压跟随器A₁、运算放大器A₂、输入电阻R₁与反馈电阻R₂；所述阻尼电阻R₀的一端作为所述信号调理电路的参考端，所述参考端接地，所述阻尼电阻R₀的另一端与所述电压跟随器A₁的同相输入端连接，所述电压跟随器A₁的同相输入端作为所述信号调理电路正输入端，所述电压跟随器A₁的输出端与所述电压跟随器A₁反相输入端连接；所述电压跟随器A₁输出端与所述输入电阻R₁的一端连接，所述输入电阻R₁的另一端与所述运算放大器A₂的反相输入端连接，所述运算放大器A₂的正相输入端接所述参考端，所述运算放大器A₂的输出端经所述反馈电阻R₂与所述运算放大器A₂反相输入端连接，所述运算放大器A₂的输出端与所述接收机的一个正输入端连接，所述信号调理电路的参考端与所述接收机的公共参考端连接。

采用上述技术方案，信号调理电路对接收线圈接收的信号进行处理。

一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置的勘探方法，其关键在于包括以下步骤：

S1：启动所述发送机，给所述发送线圈通以电流i(t)；

S2：计算第m个接收线圈的一次场磁通ψ_m1(m＝1,2,…,n)

其中：N₁：发送线圈的总匝数；

N_m：第m个接收线圈的总匝数；结构方案说明书应该补充说明，每个线圈可以是单或多匝；

k：发送线圈的求和变量；

i：第m个接收线圈的求和变量；

μ₀：真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；

i(t)：发送线圈通过的电流；

θ_mki：第m个接收线圈第i匝线圈平面与发送线圈第k匝线圈法向方向的夹角；

l_1k：发送线圈第k匝线圈的路径；

发送线圈第k匝线圈上的线元矢量；

第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量；

R_mki：第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量的模；

S_mi：第m个接收线圈第i匝线圈的平面范围；

第m个接收线圈第i匝线圈的平面面元矢量；

S3：调节所述n个接收线圈的大小以及所述发送线圈(2)的相对位置，使n个接收线圈的一次场磁通

S4：计算在二次场作用下，通过第m个接收线圈的磁通ψ_m2(m＝1,2…,n)：

其中：B(t)：二次场磁感应强度；

S_mi：第m个接收线圈的第i匝线圈的面积；

α_mi：接收线圈m第i匝线圈法向方向与二次场磁感应强度方向的夹角；

S5：计算第m个接收线圈的感应电压

其中：

第m个接收线圈起点与终点间的一次场感应电压；

第m个接收线圈起点与终点间的二次场感应电压；

S6：结合步骤S3得到则n个接收线圈的感应电压为：

本发明的有益效果：通过调节接收线圈与发送线圈的相对设置位置，使每一个接收线圈上实现一次场磁通的抵消，消除了常规接收线圈一次场和二次场混叠现象；由于消除了常规接收线圈一次场和二次场混叠现象，接收信号动态范围减小，解决了接收弱二次场信号困难的问题；应用范围广；一体化系统，使用方便；操作方便、调节效果精准可靠。

附图说明

图1是本发明的第一系统结构框图；

图2是本发明的第二系统结构框图；

图3是本发明串联接收线圈组成的探测装置电路原理图；

图4是本发明带状接收线圈组成的探测装置电路原理图；

图5是本发明计算一次场磁通的矢量图；

图6是本发明计算二次场磁通的矢量图；

图7是本发明螺旋线圈发送接收一体化装置电路原理图；

图8是图7中的时间域电磁法发送线圈通过的电流波形图；

图9是图7中的时间域电磁法接收线圈的感应电压与接收线圈n的感应电压波形图；

图10是图7中的时间域电磁法接收线圈的感应电压与接收线圈组端点间的电压波形图；

图11是图7中的频率域电磁法发送线圈通过的电流波形图；

图12是图7中的频率域电磁法接收线圈的感应电压与接收线圈n的感应电压波形图；

图13是图7中的频率域电磁法接收线圈的感应电压与接收线圈组端点间的电压波形图；

图14是本发明方形线圈发送接收一体化装置电路原理图；

图15是图14中的时间域电磁法发送线圈通过的电流波形图；

图16是图14中的时间域电磁法接收线圈的感应电压与接收线圈n的感应电压波形图；

图17是图14中的时间域电磁法接收线圈的感应电压与接收线圈组端点间的电压波形图；

图18是本发明六边形线圈发送接收一体化装置电路原理图；

图19是本发明椭圆形线圈发送接收一体化装置电路原理图；

图20是本发明分布式和单个接收线圈感应电压对比曲线图；

图中1.发送机，2.发送线圈，3.接收线圈模块，4.信号调理模块，5.接收机；

在图3、图4、图7、图14、图18、图19中：

发送线圈逆时针通过正向电流i(t)，外接收线圈区域中的符号‘×’表示磁感应强度方向为由纸向里，内接收线圈区域中的‘·’表示磁感应强度方向为由纸向外。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

从图1、图2、图3、图4、图7、图14、图18和图19可以看出，一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置及方法，包括发送机1、一个发送线圈2、信号调理模块4和接收机5，所述发送机1的两个发送输出端与所述发送线圈2的两端连接，还包括n个接收线圈，所述n个接收线圈组成接收线圈模块3，所述接收线圈模块3与所述信号调理模块4连接，所述信号调理模块4输出端组与所述接收机5连接；

所述接收线圈模块3设置在所述发送线圈2的边缘处，二者部分交集，所述发送线圈2的部分正投影和所述接收线圈模块3的部分正投影相重合。

其中，发送线圈或为圆形或为方形或为椭圆形或为多边形线圈，接受线圈或为圆形或为方形或为椭圆形或为多边形线圈。从图3、4、7可以看出，发送线圈为圆形线圈。从图14可以看出，发送线圈为方形线圈，接受线圈为方形线圈；从图18可以看出，发送线圈为多边形线圈，接受线圈为方形线圈；从图19可以看出，发送线圈为椭圆形线圈，接受线圈为圆形线圈。

优选地，所述n个接收线圈位于同一平面且距离发送线圈一定的距离。

所述接收线圈模块3接收线圈内部通过的所述发送线圈2发出的磁通的大小可调，可通过改变交集区域面积或者调节接收线圈和发送线圈2的相对高度。

作为一种实施方式，所述接收线圈模块3为接收线圈阵列，该接收线圈阵列是由n个独立工作的n个接收线圈组成，所有接收线圈导线绕制方向一致。

或者有n个接收线圈均匀设置在所述发送线圈2的边缘处，n个接收线圈都与所述发送线圈2部分交集；

或者有n-1个接收线圈均匀设置在所述发送线圈2的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈2内；

或者有n-1个接收线圈均匀设置在所述发送线圈2的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈2外；

或者有n-2个接收线圈均匀设置在所述发送线圈2的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈2内，另一个接收线圈完全位于所述发送线圈2外。

所述信号调理模块4包括n个独立的信号调理电路，每个所述接收线圈连接有一个独立的信号调理电路，所述接收线圈起点端A_m与对应所述信号调理电路的正输入端连接，所述接收线圈终点端B_m与对应所述信号调理电路的参考端连接。

作为另一种实施方式，所述接收线圈为带状线圈，该带状线圈呈环形，并绕所述发送线圈2的边缘设置，二者部分交集，所述发送线圈2的部分正投影和带状线圈的部分正投影相重合。具体见图4所示。

所述信号调理模块4包括一个信号调理电路，所有所述接收线圈依次串联组成，其中首个接收线圈的起点端A₁与所述信号调理电路的正输入端连接，所述最末端的接收线圈终点端B_n与对应所述信号调理电路的参考端连接。具体见图7所示。

所述信号调理电路的包括阻尼电阻R₀、电压跟随器A₁、运算放大器A₂、输入电阻R₁与反馈电阻R₂；

所述阻尼电阻R₀的一端作为所述信号调理电路的参考端，所述参考端接地，所述阻尼电阻R₀的另一端与所述电压跟随器A₁的同相输入端连接，所述电压跟随器A₁的同相输入端作为所述信号调理电路正输入端，所述电压跟随器A₁的输出端与所述电压跟随器A₁反相输入端连接；所述电压跟随器A₁输出端与所述输入电阻R₁的一端连接，所述输入电阻R₁的另一端与所述运算放大器A₂的反相输入端连接，所述运算放大器A₂的正相输入端接所述参考端，所述运算放大器A₂的输出端经所述反馈电阻R₂与所述运算放大器A₂反相输入端连接，所述运算放大器A₂的输出端与所述接收机5的一个正输入端连接，所述信号调理电路的参考端与所述接收机5的公共参考端连接。

一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置的勘探方法，包括以下步骤：

S1：启动所述发送机1，给所述发送线圈2通以电流i(t)；

S2：计算第m个接收线圈的一次场磁通ψ_m1(m＝1,2,…,n)

其中：N₁：发送线圈2的总匝数；

N_m：第m个接收线圈的总匝数；结构方案说明书应该补充说明，每个线圈可以是单或多匝

k：发送线圈2的求和变量；

i：第m个接收线圈的求和变量；

μ₀：真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；

i(t)：发送线圈2通过的电流；

θ_mki：第m个接收线圈第i匝线圈平面与发送线圈2第k匝线圈法向方向的夹角；

l_1k：发送线圈2第k匝线圈的路径；

发送线圈2第k匝线圈上的线元矢量；

第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量；

R_mki：第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量的模；

S_mi：第m个接收线圈第i匝线圈的平面范围；

第m个接收线圈第i匝线圈的平面面元矢量；

S3：调节所述n个接收线圈的大小以及所述发送线圈2的相对位置，使n个接收线圈的一次场磁通

S4：计算在二次场作用下，通过第m个接收线圈的磁通ψ_m2(m＝1,2…,n)：

其中：B(t)：二次场磁感应强度；

S_mi：第m个接收线圈的第i匝线圈的面积；

α_mi：接收线圈m第i匝线圈法向方向与二次场磁感应强度方向的夹角；

S5：计算第m个接收线圈的感应电压

其中：第m个接收线圈起点与终点间的一次场感应电压；

第m个接收线圈起点与终点间的二次场感应电压；

S6：结合步骤S3得到则n个接收线圈的感应电压为：

在图3、图4、图7、图14、图18、图19中：

u(t)为发送线圈与接收线圈共同产生的感应电压；u₀(t)为u(t)放大后的电压，其放大倍数为

在图5中，发送线圈2第k匝线圈通过电流i(t)时，计算内接收线圈的第i匝线圈与外接收线圈的第j匝线圈通过一次场磁通的矢量图；

其中：i(t)：发送线圈通过的电流；

θ_2ki：接收线圈第i匝线圈平面与发送线圈第k匝线圈法向方向的夹角；

l_1k：发送线圈第k匝线圈的路径；

发送线圈第k匝线圈上的线元矢量；

接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量；

θ_nki：接收线圈第j匝线圈平面与发送线圈第k匝线圈法向方向的夹角；

l_nk：发送线圈第k匝线圈的路径；

接收线圈第j匝线圈平面某点与发送线圈第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量。

在图6中，计算接收线圈m第i匝线圈通过二次场磁通的矢量示意图；

其中：B(t)：二次场磁感应强度；

S_mi：接收线圈m第i匝线圈的面积；

l_mi：接收线圈m第i匝线圈的路径；

接收线圈m第i匝线圈的法向方向；

α_m：接收线圈m第i匝线圈法向方向与二次场磁感应强度方向的夹角；

实施例1，应用于时间域电磁法，按以下顺序步骤进行：

按图7所示，在平面选定中心点O，设计发送线圈2为20匝平面螺旋线圈，每匝线圈近似为圆；最内线圈半径为400mm，最外线圈半径为460mm，线宽为2.5mm，线间距离为0.5mm；

设计每个子接收线圈为300匝螺旋线圈，每匝线圈近似为圆；最内线圈半径为100.5mm，最外线圈半径为120.5mm，线宽为0.5mm，线间距离为0.5。

2、计算子接收线圈m在一次场作用下通过的磁通ψ_m1(m＝1，2，3，…7)

得：ψ_m1≈1.5149×10^-9i(t)(Wb)

3、启动发送机，发送如图8所示的电流，横轴为时间t，每格为0.02ms；纵轴为电流，每格为1A；信号为实施例1中的发送电流，发送电流的频率为32Hz，发送电流由电流传感器测量得到，电流传感器的转换倍率为100mV/A，故发送电流峰值为7.1A。

根据图9可知,横轴为时间t，每格为20μs；纵轴为电压，每格为10mV；上图为本实施例中，发送电流i(t)正向关断开始，接收线圈n＝2的感应电压发送电流关断时间为30μs；

4、发送电流正向下降关断期间，一次场感应电压的计算：

计算接收线圈组的一次场感应电压u_AB1：

如图10所示，上图为接收线圈产生的感应电压，发送电流i(t)正向下降关断开始，接收线圈的感应电压其中横轴为时间t，每格为20μs，纵轴为电压，每格为10mV。

下图为接收线圈组输出的电压；发送电流i(t)正向下降关断开始，接收线圈组输出电压其中横轴为时间t，每格为20μs，纵轴为电压，每格为50mV。

通过比较，在电流关断期间，本发明装置接收到一次场的信号很小，消除了强一次场背景，达到有效接收由地下地质体产生的二次场瞬变信号的目的。

实施例2，应用于频率域电磁法，按以下顺序步骤进行；

1、采用实施例1设计的发送线圈、接收线圈组，按实施例1的第2步得

ψ_m1≈1.5149×10^-9i(t) (Wb)

2、启动发送机，发送如图11所示的正弦电流，在图11中：横轴为时间t，每格为0.02ms；纵轴为电流，每格为1A；

信号为实施例2中的发送电流，发送电流的频率为10000Hz，发送电流由电流传感器测量得到，电流传感器的转换倍率为100mV/A，故发送电流峰值为5.8A。可近似得正弦电流表达：i(t)＝5.5×cos(20000πt)(A)；

3、计算内接收线圈的一次场感应电压

得：

在图12中：横轴为时间t，每格为20μs；纵轴为电压，每格为20mV；

上图为实施例2中，发送电流i(t)正向关断开始，接收线圈的感应电压下图为实施例2中，发送电流i(t)正向关断开始，接收线圈n的感应电压

如图13所示，上图为接收线圈产生的感应电压，下图为接收线圈组输出电压u(t)经过1倍放大后的电压u₀(t)；

通过比较，在电流关断期间，本发明装置接收到的一次场信号微弱，消除了强一次场背景。

实施例3，应用于时间域电磁法，按以下顺序步骤进行：

1、发送线圈、接收线圈的设计：

按图14所示，在平面选定中心点O，设计发送线圈2为20匝正方形螺线管；正方形边长为300mm，线宽为2mm，线间距离为3mm；

设计子接收线圈为300匝正方形螺线管；正方形边长为110mm，线宽为2mm，线间距离为1.8mm；

2、计算内接收线圈1在一次场作用下通过的磁通ψ_m1：

得：ψ_m1≈2.3149×10^-9i(t) (Wb)

其中：l₁：子接收线圈每匝线圈的边长；

x：子接收线圈第i匝线圈平面某点的x坐标；

y：子接收线圈第i匝线圈平面某点的y坐标；

z：子接收线圈第i匝线圈平面某点的z坐标；

z_k：发送线圈1第k匝线圈上某点的z坐标，以下公式中出现的该符号其词意相同；

L：发送线圈1的边长，以下公式中出现的该符号其词意相同；

发送线圈1每匝线圈单边电流经过的弧度，以下公式中出现的该符号其词意相同；

3、启动发送机，发送如图15所示的双极性方波电流，横轴为时间t，每格为0.02ms；纵轴为电流，每格为1A。其中，电流波形由电流传感器测量得到，电流传感器的转换倍率为100mV/A，故发送电流峰值为7.1A。根据图15可知发送电流关断时间为30μs；

在图16中：横轴为时间t，每格为20μs；纵轴为电压，每格为20mV；

上图为实施例3中，发送电流i(t)正向关断开始，接收线圈的感应电压

下图为实施例3中，发送电流i(t)正向关断开始，接收线圈n的感应电压

4、发送电流正向下降关断期间，一次场感应电压的计算：

计算接收线圈组的一次场感应电压

如图17所示，上图为接收线圈产生的感应电压波形，下图为接收线圈组输出的电压u(t)；通过比较，在电流关断期间，消除了强一次场背景，达到有效接收由地下地质体产生的早期二次场瞬变信号的目的。

本发明技术方案不仅适用于地球物理勘探、工程地质勘探、而且还适用于探测地下军事目标和无损检测等领域。

实施例4，应用于时间域电磁法，按以下顺序步骤进行：

1、发送线圈、接收线圈的设计：

按图7所示，在平面选定中心点O，设计发送线圈为20匝平面螺旋线圈，每匝线圈近似为圆；最内线圈半径为400mm，最外线圈半径为460mm，线宽为2.5mm，线间距离为0.5mm；

设计对比实验：(1)七个子接收线圈组成接收线圈组，每个子接收线圈为300匝螺旋线圈，每匝线圈近似为圆；最内线圈半径为100.5mm，最外线圈半径为120.5mm，线宽为0.5mm，线间距离为0.5mm；

(2)只有一个接收线圈为2100匝螺旋线圈，每匝线圈近似为圆；最内线圈半径为100.5mm，最外线圈半径为160.5mm，线宽为0.5mm，线间距离为0.5mm；

2、启动发送机，发送如图8所示的电流，其中，电流波形由电流传感器测量得到，转换倍率为100mV/A，故电流幅值为7.1A，根据图9可知发送电流关断时间为30μs；

3、发送电流正向下降关断期间，二次场输出电压的观察如图20所示：

实线电压曲线为分布式接收线圈的输出电压，虚线电压曲线为单个2100匝接收线圈输出的电压；

通过比较，由于接收线圈组的自感系数只有427.1mH，远小于等有效面积的单个接收线圈自感2.0248H，因此具有更好的信号灵敏度，跟有利于实现接收由地下地质体产生的二次场瞬变信号的目的。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，包括发送机(1)、一个发送线圈(2)、信号调理模块(4)和接收机(5)，所述发送机(1)的两个发送输出端与所述发送线圈(2)的两端连接，其特征在于：还包括n个接收线圈，所述n个接收线圈组成接收线圈模块(3)，所述接收线圈模块(3)与所述信号调理模块(4)连接，所述信号调理模块(4)输出端组与所述接收机(5)连接；

所述接收线圈模块(3)设置在所述发送线圈(2)的边缘处，二者部分交集，所述发送线圈(2)的部分正投影和所述接收线圈模块(3)的部分正投影相重合。

2.根据权利要求1所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述n个接收线圈位于同一平面。

3.根据权利要求1所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述接收线圈模块(3)接收线圈内部通过的所述发送线圈(2)发出的磁通可调。

4.根据权利要求1所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述接收线圈模块(3)为接收线圈阵列，该接收线圈阵列是由n个独立工作的n个接收线圈组成，所有接收线圈导线绕制方向一致。

5.根据权利要求4所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：

或者有n个接收线圈均匀设置在所述发送线圈(2)的边缘处，n个接收线圈都与所述发送线圈(2)部分交集；

或者有n-1个接收线圈均匀设置在所述发送线圈(2)的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈(2)内；

或者有n-1个接收线圈均匀设置在所述发送线圈(2)的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈(2)外；

或者有n-2个接收线圈均匀设置在所述发送线圈(2)的边缘处，一个接收线圈完全位于所述发送线圈(2)内，另一个接收线圈完全位于所述发送线圈(2)外。

6.根据权利要求4所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述信号调理模块(4)包括n个独立的信号调理电路，每个所述接收线圈连接有一个独立的信号调理电路，所述接收线圈起点端A_m与对应所述信号调理电路的正输入端连接，所述接收线圈终点端B_m与对应所述信号调理电路的参考端连接。

7.根据权利要求1所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述信号调理模块(4)包括一个信号调理电路，所有所述接收线圈依次串联组成，其中首个接收线圈的起点端A₁与所述信号调理电路的正输入端连接，所述最末端的接收线圈终点端B_n与对应所述信号调理电路的参考端连接。

8.根据权利要求7所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述接收线圈为带状线圈，该带状线圈呈环形，并绕所述发送线圈(2)的边缘设置，二者部分交集，所述发送线圈(2)的部分正投影和带状线圈的部分正投影相重合。

9.根据权利要求6或7所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置，其特征在于：所述信号调理电路的包括阻尼电阻R₀、电压跟随器A₁、运算放大器A₂、输入电阻R₁与反馈电阻R₂；

所述阻尼电阻R₀的一端作为所述信号调理电路的参考端，所述参考端接地，所述阻尼电阻R₀的另一端与所述电压跟随器A₁的同相输入端连接，所述电压跟随器A₁的同相输入端作为所述信号调理电路正输入端，所述电压跟随器A₁的输出端与所述电压跟随器A₁反相输入端连接；所述电压跟随器A₁输出端与所述输入电阻R₁的一端连接，所述输入电阻R₁的另一端与所述运算放大器A₂的反相输入端连接，所述运算放大器A₂的正相输入端接所述参考端，所述运算放大器A₂的输出端经所述反馈电阻R₂与所述运算放大器A₂反相输入端连接，所述运算放大器A₂的输出端与所述接收机(5)的一个正输入端连接，所述信号调理电路的参考端与所述接收机(5)的公共参考端连接。

10.一种如权利要求1-8任意一项所述的电磁法勘查的一次场弱耦合接收装置的勘探方法，其特征在于：

S1：启动所述发送机(1)，给所述发送线圈(2)通以电流i(t)；

S2：计算第m个接收线圈的一次场磁通ψ_m1(m＝1,2,…,n)

${\mathrm{\ψ}}_{m1}=\underset{k=1}{\overset{N_1}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}i\left(t\right)sin\left({\mathrm{\θ}}_{mki}\right)}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{l_{1k}}\frac{d{\stackrel{\→}{l}}_{1k}\×{\stackrel{\→}{R}}_{mki}}{{R_{mki}}^3}{\∫}_{s_{mi}}d{\stackrel{\→}{s}}_{mi}$

其中：

N₁：发送线圈(2)的总匝数；

N_m：第m个接收线圈的总匝数；结构方案说明书应该补充说明，每个线圈可以是单或多匝

k：发送线圈(2)的求和变量；

i：第m个接收线圈的求和变量；

μ₀：真空磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m；

i(t)：发送线圈(2)通过的电流；

θ_mki：第m个接收线圈第i匝线圈平面与发送线圈(2)第k匝线圈法向方向的夹角；

l_1k：发送线圈(2)第k匝线圈的路径；

发送线圈(2)第k匝线圈上的线元矢量；

第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量；

R_mki：第m个接收线圈第i匝线圈平面某点与发送线圈1第k匝线圈线元矢量之间相对位置矢量的模；

S_mi：第m个接收线圈第i匝线圈的平面范围；

第m个接收线圈第i匝线圈的平面面元矢量；

S3：调节所述n个接收线圈的大小以及所述发送线圈(2)的相对位置，使n个接收线圈的一次场磁通

${\Σ}_{m=1}^n{\mathrm{\ψ}}_{m1}=0;$

S4：计算在二次场作用下，通过第m个接收线圈的磁通ψ_m2(m＝1,2…,n)：

${\mathrm{\ψ}}_{m2}=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\Σ}}B\left(t\right)S_{mi}{\mathrm{cos\α}}_{mi}$

其中：

B(t)：二次场磁感应强度；

S_mi：第m个接收线圈的第i匝线圈的面积；

α_mi：接收线圈m第i匝线圈法向方向与二次场磁感应强度方向的夹角；

S5：计算第m个接收线圈的感应电压

$u_{A_m{B}_m}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_m}{dt}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{m1}}{dt}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{m2}}{dt}=u_{A_m{B}_{m}1}\left(t\right)+u_{A_m{B}_{m}2}\left(t\right)$

其中：

第m个接收线圈起点与终点间的一次场感应电压；

第m个接收线圈起点与终点间的二次场感应电压；

S6：结合步骤S3得到则n个接收线圈的感应电压为：

$u_{A_1{B}_n}\left(t\right)={\Σ}_{m=1}^n{u}_{A_m{B}_m}\left(t\right)={\Σ}_{m=1}^n(\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{m1}}{dt}+\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{m2}}{dt})={\Σ}_{m=1}^n\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{m2}}{dt}.$