CN108802832B - 一种用于大地电磁探测的磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大地电磁探测的磁传感器，包括：磁芯，其用于接收由控制电路产生的激励电流，进而产生磁通；感应组合线圈，其用于感应接收磁场信号并将所述磁场信号传输给控制电路；控制电路，用于对所述磁场信号进行处理并输出，同时产生激励电流传输至磁芯，产生反馈电流传输至反馈组合线圈；反馈组合线圈，其用于将电路反馈电流转化为磁场；切换开关模块，其用于切换选择感应组合线圈、反馈组合线圈与控制电路的组合连接关系。采用本发明所述的磁传感器，解决了传统磁传感器功能单一、频带范围小的问题，极大的拓展了磁传感器的使用范围，并且提升了磁传感器的测量精度。

Description

一种用于大地电磁探测的磁传感器

技术领域

本发明涉及地磁探测领域，尤其涉及一种用于大地电磁探测的磁传感器。

背景技术

地面电磁探测也称频率域电磁测深法(FEM)，它是以大地电磁测深理论为基础，根据电磁波在地下传播的特性，通过在地面上观测同一测点正交的电场和磁场分量，计算出视电阻率数据，再对资料进行推断解释，进而判断地下矿产资源类型、深度、规模等，是电法勘探中的一种构造地球物理方法。

FEM应用频率范围较宽，从0.0001Hz到几百kHz跨约9个数量级，主要包括天然场源大地电磁测深法(MT)、天然场源音频电磁测深法(AMT)、可控源音频电磁测深法(CSAMT)等。根据电磁感应的趋肤效应原理，不同的探测频率对应不同的探测深度，即高频电磁场穿透浅，低频电磁场穿透深，所以FEM探测深度可以实现从地面以下几十米到几百公里范围内不等。

MT是探测地球深部矿产资源分布、研究地壳及上地幔构造特征以及大陆流变学特征的重要手段。根据多年观测资料，一般认为天然电磁场的信号起源于：太阳辐射的变异；大气圈下层电荷的移动；雷电放电等。大地电磁场的变化具有较宽的频谱，波动的周期从几毫秒到几十年。在地质勘探中应用的周期范围是几毫秒到几万秒。

AMT从频率域角度看较MT的应用频率高，约在1Hz～10kHz之间，用于浅部地质勘探。对于频率高于几Hz的天然电磁场信号主要来自人为的电力系统分布(如高压线)和气象活动(如闪电等)。其在个别的几个频点(如50Hz)附近人工场强度较大，信号易受到干扰，因此需要在远离人居住的野外环境下进行实验。

针对MT和AMT的信号微弱、易受干扰的缺点，可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)通过发射不同频率的人工电磁波，而在很远的距离观测如Ex、Ey、Hx、Hy、Hz的振幅和相位等参数，实现对不同深度地下视电阻率的测量。主要特点是场源信号强，因此对实验环境要求较弱，地形对其影响小，在测量方法及数据处理上与AMT相同。

虽然各种不同频率域电磁测深方法的应用场源和频段略有不同，但均是利用电磁波在大地介质中的传播特性来检测地下电阻率信息的。FEM需要测量电场分量与磁场分量才能反演出地下电阻率信息，因此磁传感器是FEM系统获取磁场分量的关键部件。由于FEM涉及的频带较宽，对磁传感器的工作频率范围要求也较宽。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供的大地电磁探测的磁传感器包括：

磁芯，其用于接收由控制电路产生的激励电流，进而产生磁通；感应组合线圈，其用于感应接收磁场信号并将所述磁场信号传输给控制电路，并且包括低频感应组合线圈和高频感应组合线圈；控制电路，其包括低频控制电路和高频控制电路，并且用于对所述磁场信号进行处理并输出，同时产生激励电流传输至磁芯，产生反馈电流传输至反馈组合线圈；反馈组合线圈，其用于将电路反馈电流转化为磁场，并且包括低频反馈组合线圈和高频反馈组合线圈；切换开关模块，其用于切换选择感应组合线圈、反馈组合线圈与控制电路的组合连接关系。

在一些实施方式中，所述磁传感器为磁芯形式的感应式磁传感器。

在一些实施方式中，所述磁传感器具有两个工作模式，一个是低频模式，一个是高频模式。

在一些实施方式中，所述磁芯材料是非晶合金、纳米晶合金、坡莫合金、铁氧体和硅钢。

在一些实施方式中，所述感应组合线圈和反馈组合线圈共同组成一个主线圈。

在一些实施方式中，所述感应组合线圈采用精密漆包线绕制于磁芯的外侧。

在一些实施方式中，所述控制电路采用磁通负反馈结构。

在一些实施方式中，其中所述低频控制电路为斩波放大结构。

在一些实施方式中，所述磁传感器还包括供电模块，用于为其他模块供电。

在一些实施方式中，所述磁传感器还包括输出模块，用于输出磁信号。

采用本发明所述的磁传感器，通过组合式的绕线实现了多匝数长线圈的磁芯线圈，并通过切换开关组，可任意切换线圈匝数。进一步的配置了不同的控制电路，在不同的工作模式下，均可实现最优化的电路匹配。解决了传统磁传感器功能单一、频带范围小的问题，极大的拓展了磁传感器的使用范围，并且提升了磁传感器的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的磁传感器结构示意图；

图2为本发明实施例提供组合线圈开关切换示意图；

图3为本发明实施例提供组合卡扣式的磁芯套管结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”、“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

无论FEM测量的是天然电磁场源还是人工电磁场源，各种FEM方法均主要通过检测近似垂直地表入射的水平极化平面电磁波方法，来得到视电阻率的信息。本发明发明人研究发现由水平极化平面电磁波所产生的电流线呈水平状，所以对电场分布起作用的是纵向电阻率，而与横向电阻率关系不大，因此与地下岩层非各向同性作用关系不紧密。但各种FEM方法的应用频率范围不同，现有的磁传感器全部采用单一磁芯线圈与单一检测电路的组合方式，频带范围小，功能单一，如果在不同模式下复用同一个线圈会导致噪声水平较高，在音频模式下高频容易饱和，低频模式下浅地表分辨率低，并且低频不够小。

基于此，本发明的实施例公开了一种适用于各种FEM方法的磁传感器。考虑到勘探地球物理领域宽频带、高噪声的信号特点，本发明在对比各种磁传感器后，选择了频带较宽、灵敏度较高，噪声水平低的感应式磁传感器。

在一些实施方式中，由于感应式磁传感器包括空气芯和磁芯两种形式，而其中磁芯形式的感应式磁传感器感应更为灵敏，更适合MT、AMT、CSAMT等FEM方法，因此本发明所述磁传感器为磁芯形式的感应式磁传感器。

具体的，如图1所示，本发明的实施例公开的磁传感器包括：

磁芯1，其用于接收由控制电路产生的激励电流，进而产生磁通。

所述磁芯具有高导磁性能，在激励电流的作用下，可以产生高交变磁通，优选的，由软磁材料加工而成。磁芯材料的电磁不均匀性和不稳定性会给磁传感器带来噪声，在本发明的一个实施例中所述磁芯材料是非晶合金、纳米晶合金、坡莫合金、铁氧体和硅钢。优选的，所述坡莫合金的配比为钼1-3％、镍70-90％的，具有高磁导率、低矫顽力、较高的电阻率和较高的频率稳定性。

进一步的，为了降低磁损耗，提高有效磁导率，降低磁噪声，所述磁芯为3D打印形成。

感应组合线圈2，其用于感应接受磁场信号并将所述磁场信号传输给控制电路4，并且包括低频感应组合线圈21和高频感应组合线圈22。

反馈组合线圈3，其用于将电路反馈电流转化为磁场，并且包括低频反馈组合线圈31和高频反馈组合线圈32。

为了降低线圈制作工艺的难度，在本发明的一个实施例中，所述低频感应组合线圈21和高频感应组合线圈22共同组成一个主线圈，如图2所示。其中S和E分别为主线圈的起始端和结束端，虚线框内为开关。当传感器通过切换开关配置感应组合线圈匝数后，余下的线圈组即成为反馈组合线圈。反馈组合线圈的电流方向和感应组合线圈的电流方向相反。采用这种统一线圈的结构无需区分感应线圈和反馈线圈，极大的降低了工艺难度。

在本发明的一个实施例中，所述感应组合线圈采用精密漆包线绕制于磁芯的外侧，优选的，磁芯和线圈之间由磁芯套管隔开，所述磁芯套管由无磁的工程塑料制作。感应线圈部分包含一系列设计参数，针对不同的磁芯和电路条件，感应线圈的设计参数可优化，从而得到最优化的感应式磁场传感器。在本发明的一个实施例中，为了降低分布电容，磁传感器线圈采用分段绕法或者准随机绕法。

进一步优选的，由于本发明的感应组合线圈和反馈组合线圈采用了统一的主线圈结构，因此主线圈结构长度需达到一定要求。同时为了增加低频段测量的精度，也需要尽可能的增加线圈长度。为了突破现有技术中还没有出现的超长线圈结构，本发明采用了组合卡扣式的磁芯套管，所述组合卡扣式的磁芯套管能够进行多管组合，如图3所示。进一步的，为了保证组合的一致性，确保磁芯处于中轴线，在每个套管内部设置有位置确定的磁芯夹具，并且还在两端的套管设置有磁芯定位口。采用这种结构，不仅简化了制作工艺，还能够使得多段线圈可以根据实际需求自由组合，拓宽频带范围，提高浅地表分辨率，降低噪声。

控制电路4，其包括低频控制电路41和高频控制电路42，并且用于对所述磁场信号进行处理并输出，同时产生激励电流传输至磁芯1，产生反馈电流传输至反馈组合线圈3。

在本发明的一个实施例中，所述控制电路采用磁通负反馈结构，所述基于磁通负反馈结构能够弥补传统电路补偿方法的不足。具体的，所述磁通负反馈结构包括前置放大电路、放大滤波电路和反馈电路。如图3所示，待测磁场在传感器的感应线圈中产生感应电压，经放大滤波之后，通过反馈电路将信号的电压量转换为电流量施加到反馈线圈，形成与被测磁场方向相反的反馈磁场，从而将传感器形成一个闭环系统，是线路在提高稳定性的同时无外界电噪声的引入。所述低频控制电路41和高频控制电路42均采用磁通负反馈结构。

由于传感器感应线圈输出的电压值与被测磁场的幅度和频率成正比，因此在测量不同频段的磁场信号时，对线圈和放大器的要求不同。经本发明反复试验证明，对于被测磁场频率在几十赫兹以下的低频段测量，在设计低频控制电路时，主要考虑1/f噪声的影响，因此所述低频控制电路41采用斩波放大结构，同时所述低频感应组合线圈21的匝数较多，以增强原始信号拾取质量。具体的，所述低频控制电路41包括调制电路、放大电路、解调电路、滤波电路和反馈电路。

对于高频段磁场测量，高频控制电路42不需要采用斩波技术，电路相对简单，并且高频感应组合线圈22匝数相对较少。具体的，所述高频控制电路42包括放大电路、滤波电路和反馈电路。优选的，所述放大滤波电路的放大倍数与截止频率取决于传感器的通带宽度。

优选的，由于对低频段信号和高频段信号的采集要求不同，同时感应线圈和反馈线圈的匝数亦不同，因此所述低频控制电路41和高频控制电路42的放大电路、滤波电路和反馈电路参数均不相同。

优选的，为了减低噪声，所述放大电路通过变压器实现。为了降低信噪比，所述滤波电路采用半导体器件谐振方式设计。为了减小共模干扰，所述控制电路的走线采用差分对称设计。为了防止接地噪声的影响，所述控制电路与线圈的接口处设置有基准电位点。

切换开关模块5，用于切换选择感应组合线圈2、反馈组合线圈3与控制电路4的组合连接关系。

在本发明的一个实施例中，所述磁传感器具有两个工作模式，一个是低频模式，一个是高频模式，所述低频模式适于MT功能，所述高频模式适于AMT/CSAMT功能，所述工作模式的切换可通过切换开关模块5实现。当使用低频模式时，低频感应组合线圈21和低频反馈组合线圈31导通，高频感应组合线圈22和高频反馈组合线圈32关断，低频控制电路41导通，高频控制电路42关断；当使用高频模式时，低频感应组合线圈21和低频反馈组合线圈31关断，高频感应组合线圈22和高频反馈组合线圈32导通，低频控制电路41关断，高频控制电路42导通。

在本发明的一个实施例中，所述磁传感器还包括：

供电模块6，用于为其他模块供电，为减少传感器功耗，优选的，所述供电模块也可通过切换开关模块5进行功能切换。当传感器用低频模式时，供电模块为低频控制电路41供电，将高频控制电路42断电；当传感器用高频模式时，供电模块为高频控制电路42供电，将低频控制电路41断电。

输出模块7，用于输出磁信号。为避免电路噪声串扰，增加磁传感器精度，当选择一个电路的时候，需要将另一个短路完全断开，因此所述输出模块7也可通过切换开关模块5进行功能切换。当传感器用低频模式时，输出模块切换至低频输出模块；当传感器用高频模式时，输出模块切换至高频输出模块。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，传感器在进行高频信号采集时，组合线圈的开关K2、K3、K4闭合组成高频感应组合线圈22，K1、K5关断与反馈电路连接用作高频反馈组合线圈32，线圈与高频控制电路42连接，供电模块为高频控制电路42供电，输出模块切换至高频输出模块。

传感器在进行低频信号采集时，组合线圈的开关K1、K2、K4、K5闭合组成低频感应组合线圈21，K3关断与反馈电路连接用作低频反馈组合线圈31，线圈与低频控制电路41连接，供电模块为低频控制电路41供电，输出模块切换至低频输出模块。

在本发明的一个实施例中，为了进一步保证传感器测试结果的准确，所述传感器还包括一个可调节的测试座，优选的，所述测试座带有标尺，用于将传感器放入屏蔽筒或标定线圈中时，确保其处于中心轴线。

采用本发明所述的磁传感器，通过组合式的绕线实现了多匝数长线圈的磁芯线圈，并通过切换开关组，可任意切换线圈匝数。进一步的配置了不同的控制电路，在不同的工作模式下，均可实现最优化的电路匹配。解决了传统磁传感器功能单一、频带范围小的问题，极大的拓展了磁传感器的使用范围，并且提升了磁传感器的测量精度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于大地电磁探测的磁传感器，包括：

磁芯，其用于接收由控制电路产生的激励电流，进而产生磁通；

感应组合线圈，其用于感应接收磁场信号并将所述磁场信号传输给控制电路，并且包括低频感应组合线圈和高频感应组合线圈；

反馈组合线圈，其用于将电路反馈电流转化为磁场，并且包括低频反馈组合线圈和高频反馈组合线圈；

控制电路，其包括低频控制电路和高频控制电路，并且用于对所述磁场信号进行处理并输出，同时产生激励电流传输至磁芯，产生反馈电流传输至反馈组合线圈；

切换开关模块，其用于切换选择感应组合线圈、反馈组合线圈与控制电路的组合连接关系；

所述低频感应组合线圈和高频感应组合线圈共同组成一个主线圈；

当传感器通过切换开关模块配置感应组合线圈匝数后，余下的线圈组即成为反馈组合线圈。

2.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述磁传感器为磁芯形式的感应式磁传感器。

3.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述磁传感器具有两个工作模式，一个是低频模式，一个是高频模式。

4.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述磁芯的材料是非晶合金、纳米晶合金、坡莫合金、铁氧体或硅钢。

5.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述感应组合线圈和反馈组合线圈共同组成一个主线圈。

6.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述感应组合线圈采用精密漆包线绕制于磁芯的外侧。

7.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述控制电路采用磁通负反馈结构。

8.如权利要求1或7所述的磁传感器，其中所述低频控制电路为斩波放大结构。

9.如权利要求1所述的磁传感器，还包括供电模块，用于为其他模块供电。

10.如权利要求1所述的磁传感器，其还包括输出模块，用于输出磁场信号。