CN108415086A - 瞬变电磁仪有源pcb板的接收线圈和发射线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，采用阿基米德螺线或者矩形螺旋线在印刷电路PCB板上设计瞬变电磁仪器接收和发射线圈。在制作PCB发射线圈线路板上设计脉冲吸收电路，吸收和抑制发射线圈上在电流关断时产生反电势，加快瞬变电磁一次场的关断。在制作PCB接收线圈线路板上设计接收信号的钳位电路、放大电路、低通滤波电路和跟随器电路，减少周围环境电磁干扰信号对二次场的影响，提高接收信噪比，分离出二次场的有效信号。基于基于PCB印刷电路板的瞬变电磁仪的有源接收和发射线圈，相比无源多圈电缆式瞬变电磁仪收发线圈具有体积小、重量轻、信噪比、灵敏度高、制作和探测的重复性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的瞬变电磁仪的发射和接收线圈，具体涉及采用PCB印刷电路来设计和制作瞬变电磁仪的发射和接收线圈，并在制作线圈的PCB板设计有源的放大和滤波电路，提取有用的瞬变电磁二次场信号，应用于物探领域和工程检测领域。
背景技术
众所周知，瞬变电磁法是根据电磁感应原理，利用不接地线国向地下发送一次电磁场，在一次电磁场间歇期间，使用不接地线围观测二次涡流场的方法，进行不同岩性地层的物性差异分析。矿用瞬变电磁法由于体积效应小、工作效率高、纵横向分辨率高和对低阻体反应灵敏的优点被广泛用于矿井的突水预测和超前预测。瞬变电磁设备发射、接收线圈的结构和性能是影响瞬变电磁技术在矿井突水和工程物探的预测和超前预测的重要因素。
目前，国内外现有的瞬变电磁仪器大多数采用多圈电缆制作的收发线圈，还有一种采用磁敏检测的磁棒接收线圈，都面临着体积大，重量重，长度比较长的缺点，在狭小空间和植被覆盖率高的野外地区，施工难度大，特别是存在高达树木的地区，多圈接收线圈无法拆开绕过树木而进行探测。由于传统瞬变电磁的接收线圈匝数40到上100匝的封闭电缆线圈，无法采用插接件来连接成收线圈，必须靠手工逐个焊接每一个电缆，加工费事费力，还容易连接出错。在植被和树木比较高的野外现场，由于闭环接收线圈无法套入树木和植被中，导致在探测点上铺设接收线圈。往往不得已，采取砍伐树木和植被来解决问题，对植被和生态环境造成影响，还面临对高额的施工赔偿问题。
所以，小型化、等效接收面积大、便于现场施工、高信噪比、高灵敏、廉价低成本的有源瞬变电磁仪的发射和接收线圈成了物探仪器工作中的重要课题和追求目标。
发明内容
本发明的目的是为了解决以上背景技术存在的问题，提出一种使用PCB印刷电路板制作的瞬变电磁仪发射和接收线圈，该线圈具有反电势脉冲吸收电路、限幅电路、放大电路和滤波电路，与传统的多圈电缆发射和接收线圈相比，具有制作简单、现场测试重复性好和批量化生产的特点，在性能方面，具有体积小、重量轻、等效发射、抗干扰能力强和等效接收面积大的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，用PCB印刷电路板来制作瞬变电磁仪器的发射和接收线圈，线圈的形状采用阿基米德螺旋线或矩形螺旋线，接收线圈和发射线圈通过瞬变电磁仪主机供电，或者采用电池供电。
在上述技术方案中，PCB发射线圈通过2芯电缆和插接件与瞬变电磁仪发射电路连接，PCB接收线圈通过4芯电缆和插接件与瞬变电磁仪接收电路连接。
在上述技术方案中，所述PCB发射线圈线路板上设计脉冲吸收电路，吸收和抑制发射线圈上在电流关断时产生反电势脉冲，加快瞬变电磁一次场的衰减。
在上述技术方案中，所述脉冲吸收电路包括串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2和双向瞬态电压吸收管DW1，等效的PCB发射线圈L1与第一电阻R1并联，当反电势脉冲高于DW1的额定电压1.5倍时，双向瞬态电压吸收管DW1导通，第一电阻R1和第二电阻R2共同吸收反电势脉冲能量。
在上述技术方案中，所述发射和接收线圈采用多层PCB板，每一层的线圈首尾串联连接。
在上述技术方案中，所述PCB接收线圈线路板上设计钳位电路，用于抑制高幅值一次场信号对二次场信号的干扰。
在上述技术方案中，所述PCB接收线圈线路板上设计放大电路，用于放大接收线圈接收的二次场的信号，提高接收信噪比。
在上述技术方案中，所述PCB接收线圈线路板上设计低通滤波电路，滤除接收信号中高频成分，分离出二次场的有效信号。
本发明的有益效果分析：所述的瞬变电磁发射和接收的有源PCB线圈，在发射线圈的PCB板设计了发射电流关断时吸收反电势脉冲吸收电路，使得一次场对二次场的干扰减少，抑制了接收信号中的一次场的成分。在接收线圈的PCB板设计了阻尼和限幅电路、信号放大电路、低通滤波器电路和输出级跟随器电路，使得接收的瞬变电磁二次场信号的抗干扰能力、信噪比和灵敏度得到了提高，还有，克服了原有瞬变电磁仪器的多圈电缆采用线圈支撑杆展开，带来等效接收面积随机变化不确定性。采用PCB有源的收发线圈，并在制作线圈的PCB板上设计有源放大电路，提高了瞬变电磁仪器的探测灵敏度和稳定性。
附图说明
图1a是本发明的PCB线圈为阿基米德螺旋线结构示意图。
图1b是本发明的PCB线圈为矩形螺旋线结构示意图。
图2是本发明的PCB收发线圈与瞬变电磁仪连接示意图。
图3是本发明的发射线圈反电势脉冲吸收电路图。
图4是本发明的接收线圈限幅、放大、滤波和跟随电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明的PCB印刷电路板的瞬变电磁仪有源的发射和接收线圈，采用PCB电路板设计软件，在单层或者多层PCB板上设计阿基米德螺旋线或者矩形螺旋线，如图1a和图1b所示的线圈结构，可采用多层PCB板，每一层的线圈首尾串联连接，增大了等效接收面积。制作的有源PCB印刷板的瞬变电磁仪的发射和接收线圈与瞬变电磁仪的连接方式如图2所示，PCB发射线圈通过2芯电缆和插接件，与瞬变电磁仪发射输出电路连接。PCB接收线圈通过4芯电缆和插接件，与瞬变电磁仪接收电路连接。所述的瞬变电磁的PCB发射线圈的布线线宽根据发射电流的大小，从毫米级到厘米变化，采取单层板，或者多层板串联，或者采用多层板并联方式，增大发射磁矩，即增大发射电流与等效发射线圈面积的乘积。
本发明设计的瞬变电磁的发射线圈的PCB板上，设计发射电流关断时反电势脉冲吸收电路，如图3所示，主要由第一电阻R1、第二电阻R2和双向瞬态电压吸收管DW1组成。等效的PCB发射线圈L1与第一电阻R1并联，当反电势脉冲高于DW1的额定电压1.5倍时，双向瞬态电压吸收管DW1导通，第一电阻R1和第二电阻R2共同吸收反电势脉冲能量。
本发明设计的瞬变电磁的PCB接收线圈设计接收放大和滤波电路，如图4所示，该电路板的±5V电压来自瞬变电磁仪主机板。包括以下电路组成：阻尼和限幅电路，PCB接收线圈L2与第三电阻R3和第四电阻R4及第二双向瞬态电压吸收管DW2并联，第三电阻R3是接收阻尼电阻，PCB接收线圈L2与第三电阻R3处于过阻尼状态。由于收发线圈之间的互感，导致接线线圈中的接收一次场信号过大时，第二双向瞬态电压吸收管DW2导通，使得接收输入钳位在5V电压左右。由运算放大器(型号为CA084)U1A对输入信号进行跟随放大；信号放大电路，从运算放大器U1A输出的信号由U1B、第五电阻R5和第六电阻R6组成放大电路放大，放大倍数由第六电阻R6和第五电阻R5的比值确定；低通滤波器电路：第七电阻R7和电容C1组成一阶低通滤波器，低通的截止频率由公式确定，瞬变电磁二次场的信号设置截止频率在1K到5KHz即可；输出级电路，从滤波电路输出的信号进入运算放大器U1C组成的跟随器输出信号经过J2插接件和接收线圈连接电缆到瞬变电磁仪。
本发明采用阿基米德螺线或者矩形螺旋线在印刷电路PCB板上设计瞬变电磁仪器接收和发射线圈。在制作PCB发射线圈线路板上设计脉冲吸收电路，吸收和抑制发射线圈上在电流关断时产生反电势，加快瞬变电磁一次场的关断。在制作PCB接收线圈线路板上设计接收信号的钳位电路、放大电路、低通滤波电路和跟随器电路，减少周围环境电磁干扰信号对二次场的影响，提高接收信噪比，分离出二次场的有效信号。基于基于PCB印刷电路板的瞬变电磁仪的有源接收和发射线圈，相比无源多圈电缆式瞬变电磁仪收发线圈具有体积小、重量轻、信噪比、灵敏度高、制作和探测的重复性好的特点。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (8)
1.一种瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：用PCB印刷电路板来制作瞬变电磁仪器的发射和接收线圈，线圈的形状采用阿基米德螺旋线或矩形螺旋线，接收线圈和发射线圈通过瞬变电磁仪主机供电，或者采用电池供电。
2.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：PCB发射线圈通过2芯电缆和插接件与瞬变电磁仪发射电路连接，PCB接收线圈通过4芯电缆和插接件与瞬变电磁仪接收电路连接。
3.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：所述PCB发射线圈线路板上设计脉冲吸收电路，吸收和抑制发射线圈上在电流关断时产生反电势脉冲，加快瞬变电磁一次场的衰减。
4.根据权利要求3所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：所述脉冲吸收电路包括串联连接的第一电阻R1、第二电阻R2和双向瞬态电压吸收管DW1，等效的PCB发射线圈L1与第一电阻R1并联，当反电势脉冲高于DW1的额定电压1.5倍时，双向瞬态电压吸收管DW1导通，第一电阻R1和第二电阻R2共同吸收反电势脉冲能量。
5.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：所述发射和接收线圈采用多层PCB板，每一层的线圈首尾串联连接。
6.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：所述PCB接收线圈线路板上设计钳位电路，用于抑制高幅值一次场信号对二次场信号的干扰。
7.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：所述PCB接收线圈线路板上设计放大电路，用于放大接收线圈接收的二次场的信号，提高接收信噪比。
8.根据权利要求1所述的瞬变电磁仪有源PCB板的接收线圈和发射线圈，其特征在于：所述PCB接收线圈线路板上设计低通滤波电路，滤除接收信号中高频成分，分离出二次场的有效信号。
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