CN110187395B - 一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈及其测试方法，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈嵌套在接收线圈的内部，并共面、同轴设置，所述接收线圈包括外接收线圈和内接收线圈两个部分，所述外接收线圈半径大于内接收线圈半径，所述内接收线圈半径等于发射线圈半径，同时所述发射线圈与接收线圈内部各匝之间均以串联方式相互连接。并通过提供的测试方法，使内、外接收线圈中一次场大小相等、方向相反，相互抵消使接收线圈内总磁通量为零，实现一次场的有效消除，从而获得纯二次场信号，极大的减小浅层探测盲区范围，有效地提高了瞬变电磁浅层探测分辨率。

Description

一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈及其测试方法

技术领域

本发明属于地球物理瞬变电磁探测技术领域，具体涉及一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈及其测试方法。

背景技术

瞬变电磁法(TEM)是地球物理探测中一种重要方法，是利用不接地回线向地下发送一次脉冲电磁场，用线圈观测一次脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而解决有关地质问题的时间域电磁法。

随着城市基础建设、水库大坝检测及铁路公路的迅速发展，对于浅层地质问题探查显得尤为重要。考虑到施工场地条件的限制，现阶段实现高效、高分辨浅层瞬变电磁探测，其解决方案是发射、接收距离和线圈面积设计越来越小，线圈匝数越来越多，但收发线圈之间的自感和互感也逐渐增强。

为了消除发射与接收线圈的互感电动势，即发射电流非阶跃关断导致的一次场在接收线圈中磁通量不为零且随时间而变化，一次场与浅层探测目标体感应的二次场混叠，导致接收线圈无法得到早期纯净的二次场信号，出现信号失真，使得浅层地质条件无法准确探测，形成探测盲区。

针对上述存在的一次场与浅层探测目标体感应的二次场混叠，导致接收线圈出现信号失真的技术问题，目前已有相关专利：

中国专利授权公开号为CN106371142B中公开了一种用于瞬变电磁勘探的线圈及其应用方法，其实质主要是发射回线和接收回线位于同一平面，回线各匝之间保持一定间距并采用螺旋回绕共中心点的方式布设，其中，发射回线嵌套接收回线外部，发射回线各匝之间采用串联或并联方式，接收回线各匝之间均采用串联方式。该方案中发射线圈在外侧，接收线圈在内侧的设置，实际使用时，内部磁场的磁感应强度较大，接收线圈接收到的磁场比较大，不易消除；同时接收线圈在内所接收到的磁场不均匀，线圈之间会产生自感或互感，一次场和二次场相互混叠，这样会导致早期的数据不能直接被应用。而且该装置形式较复杂，实际施工繁琐且接收线圈内互感电动势仍对二次场产生极大影响，并不能从根本上消除一次场。

中国专利申请公布号为CN107356977A中公开了一种消除瞬变电磁一次场的装置，其实质是发射线圈包括两个以上等长的发射线圈分割段，利用多个等长分段供电导线等效一个线圈，且发射线圈分段的地方利用双绞线接到发射机的两端输出。在实际探测过程中，该装置的发射线圈被分割次数是有限的，同时双绞线也会使自感加大，因此该装置对于一次场的消除效果仍有待进一步加强。

再如中国专利申请公布号为CN105629314A中公开了一种瞬变电磁发射线圈的自感信号的剔除方法和装置，其实质是采用矩形回线源探测预定观测参数的待估区是二次感应瞬变电磁数据，以及采用预设观测参数获得发射线圈自感信号瞬变电磁场数据，并通过对比两者之间的数据差值剔除发射线圈自感影响，从而得到待估区的电磁感应信号。然而，该发明专利中所述方法在理论计算与实际测量存在不可避免的偏差，而且对于发射电流非零关断期间的一次场并未剔除，实际探测数据中早期信号仍不能有效被利用。

综上所述，对于浅层瞬变电磁早期信号的干扰剔除和校正方法的研究以及仪器装置的改进目前都仅限于尽可能减小瞬变电磁探测盲区，并未从根本上消除一次场的存在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈及其测试方法，解决了现有技术中一次场与浅层探测目标体感应的二次场混叠，导致接收线圈出现信号失真的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈嵌套在接收线圈的内部，并共面、同轴设置，所述接收线圈包括外接收线圈和内接收线圈两个部分，所述外接收线圈半径大于内接收线圈半径，所述内接收线圈半径等于发射线圈半径，同时所述发射线圈与接收线圈内部各匝之间均以串联方式相互连接。

进一步的，所述外接收线圈的匝数大于内接收线圈的匝数。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈采用铜质漆包线绕制成圆环形或“回”形。

进一步的，所述发射线圈与接收线圈采用相同制式和规格的漆包线。

所述测试线圈的绕制方法，包括如下步骤：

1)将发射线圈以半径a绕制若干匝数；

2)接收线圈以相同半径a按照与发射线圈绕制相反方向绕制一匝形成内接收线圈后，扩大至半径b按照发射线圈绕制相同方向绕制一匝形成外接收线圈，再将接收线圈缩小至半径a，并与发射线圈相反方向绕制一匝形成内接收线圈；

3)重复步骤2)操作，直至绕匝完成。

进一步的，所述内接收线圈的半径a与外接收线圈的半径b比值范围在

之间，且所述外接收线圈与内接收线圈的线圈匝数比为：

其中N₂₁、N₂₂分别表示外接收线圈的匝数和内接收线圈的匝数，φ_r2表示单匝内接收线圈的总磁通量、φ_r1表示单匝外接收线圈的总磁通量。

所述的零磁通浅层瞬变电磁测试线圈的测试方法，包括以下步骤：

1)将零磁通线圈装置的引线接入到瞬变电磁仪或者对应的发射-接收端口；

2)在现场实测过程中根据工区环境和地质任务布设观测系统，并设置瞬变电磁仪器数据采集参数；

3)按照每条测线中测点的布置依次进行现场数据采集；

4)将采集到的数据进行保存并处理。

进一步的，所述数据采集过程为全程采集，所述数据处理采用全程视电阻率算法。

本发明的有益效果：

1、本发明通过将发射线圈设计在接收线圈内部，同时接收线圈分为内、外两个部分组成，通过改变发射线圈和内、外接收线圈的半径大小和匝数并满足特定的比值关系，使得通过内接收线圈的磁通量与外接收线圈的磁通量大小相等且方向相反，从而使发射线圈和接收线圈中一次场相互抵消达到零磁通的目的，实现一次场的有效消除。

2、本发明还提供了一种零磁通瞬变电磁线圈绕制方法，采用这种方式绕制线圈可在不增大线圈平面尺寸的前提下，有效增大线圈面积。并且经过理论计算推导可得接收线圈内部实现零磁通与发射线圈的匝数无关，因此可以通过适当增加发射线圈匝数的方法增大发射磁矩，提高信噪比及探测深度。

3、本发明可以获取纯二次场信号并采用全程视电阻率算法计算，极大的减小浅层探测盲区范围，有效地提高了瞬变电磁浅层探测分辨率。

4、本发明中的零磁通线圈装置相较于传统瞬变电磁探测线圈装置形式有突破性改进，通过减小线圈尺寸可有效提高现场施工效率，并对于地下异常体的探测效果有着显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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是本发明实施例1中载流圆形零磁通线圈装置结构示意图；

图2是本发明实施例1中圆形零磁通瞬变电磁接收线圈绕制示意图；

图3是本发明实施例1中外接收线圈平面内总磁通量与外、内接收线圈半径比变化曲线；

图4是本发明实施例2的载流矩形零磁通线圈装置结构示意图；

其中：1-发射线圈，2-接收线圈，21-外接收线圈，22-内接收线圈，3-接收线圈接头，4-发射线圈接头。

具体实施方式

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、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，包括发射线圈1和接收线圈2，发射线圈1和接收线圈2相互嵌套，其中接收线圈2包括外接收线圈21和内接收线圈22两个部分，内接收线圈22半径等于发射线圈1半径，外接收线圈21半径大于内接收线圈22半径，且发射线圈1和接收线圈2为共面、同轴设置，外接收线圈21的匝数大于内接收线圈22的匝数，发射线圈1、接收线圈2内部各匝之间均以串联方式相互连接。

通过调整发射线圈1和接收线圈2相对位置关系和半径大小以及半径和匝数之间的比值关系，使得穿过外接收线圈21的磁通量φ₂₁与穿过内接收线圈22的磁通量φ₂₂大小相等且方向相反，因此发射电流非阶跃关断产生的一次场相互抵消，等效于接收线圈2内部没有磁通量(即零磁通)，这样达到接收线圈2所采集到的感应信号为纯二次场的目的。

验证方法：基于毕奥-萨伐尔定律，可推导出载流圆线圈空间内任意一点的磁感应强度B。由图2所示，在xoy平面有一半径为a的载流圆线圈，圆心与坐标原点重合，在空间内任取一点

其磁感应强度为：

式中：

化简可得：

式中：

其中：

分别表示xoy平面上单位向量的磁感应强度。

根据载流线圈磁场对称性可得，磁感应强度在y轴分量矢量和为零，因此空间任意一点的磁感应强度仅与半径r和θ角有关，即

式中，令

即cosθ＝0，可得载流圆线圈xoy平面内任意点磁感应强度：

本发明提供一种零磁通线圈装置，其理论基础是通过内接收线圈22的磁通量φ₂₂与外接收线圈21磁通量φ₂₁大小相等且方向相反，即φ₂₂＝φ₂₁，假设单匝发射线圈1的半径为a，电流为I，接收线圈半径为ka，可得：

式中，令

代入式(5)中可得通过发射线圈1的总磁通量表达式为

根据第一类、第二类椭圆积分公式化简，得

利用Matlab软件对上式(7)进行数值求解，当a＝1m，I＝1A时，单匝发射线圈1的平面内总磁通量为：φ_T＝9.5859027×10^-6T·m²；由于本发明中内接收线圈22与发射线圈1半径相等，因此单匝发射线圈1的总磁通量φ_T与单匝内接收线圈22的磁通量φ_r2相等。

设计发射线圈1的匝数为N_T；单匝内接收线圈22的磁通量为φ_r2，当内接收线圈22的匝数为N₂₂时，磁通量为φ₂₂；单匝外接收线圈的磁通量为φ_r1，当外接收线圈21的匝数为N₂₁时，磁通量为φ₂₁；为达到零磁通条件，即

化简得：

同理可计算出，当只存在外接收线圈21且匝数N＝1时，如图3所示为通过外接收线圈21的平面内磁通量与外接收线圈21、内接收线圈22半径比的变化曲线，内接收线圈21的半径a与外接收线圈22的半径b比值范围在

之间，外接收线圈21磁通量最大约：φ_r1＝-8.1465139×10^-6T·m²，为保证φ₂₁＝φ₂₂，需通过改变外接收线圈21、内接收线圈22的匝数比。

优化设计，绘制半径匝数比对应表，选取最优化方案。

采用这种方式绕制线圈可在不增大线圈平面尺寸的前提下，有效增大接收线圈面积。并且经过相关理论计算推导可得接收线圈实现零磁通与发射线圈匝数无关，因此可以适当增加发射线圈匝数，提高信噪比及探测深度。

实施例2：

如图4所示，本实施例提供一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，与实施例1相比在整体结构保持一致的前提下，改变发射线圈1和接收线圈2的形状，例如设计为矩形载流线圈装置，但需要保证发射线圈1、外接收线圈21和内接收线圈22的半径和匝数之间满足特定比值关系。

实施例1、2的测试线圈绕制方法，操作步骤如下所示：

1)将发射线圈1按顺时针(逆时针)以半径a绕制若干匝数。

2)接收线圈2按逆时针(顺时针)以相同半径a绕制一匝形成内接收线圈22后，再扩大至半径b以顺时针(逆时针)方向绕制一匝形成外接收线圈21，再将接收线圈2缩小至半径a且按逆时针(顺时针)绕制一匝形成内接收线圈22。

3)重复步骤2)操作，直至绕匝完成。

零磁通浅层瞬变电磁测试线圈的测试方法，操作步骤如下所示：

1)将零磁通线圈装置的引线接入到瞬变电磁仪或者对应的发射线圈接头3-接收线圈接头4的端口。

2)在现场实测过程中根据工区环境和地质任务布设观测系统，并设置瞬变电磁仪器数据采集参数。

3)将发射线圈和接收线圈航插接头接入瞬变电磁仪器。

4)数据采集过程为全程采集，并将采集到的数据进行保存。

其中观测系统分为：1.巷道瞬变电磁超前探，可布设扇形观测系统并针对目标地质体进行精细探测；2.地面浅层瞬变电磁勘探，可布设三维测网对目标地质体的空间展布情况进行分析。

综上所述，本发明提供的一种瞬变电磁零磁通探测线圈装置及其测试方法，通过改变发射线圈和内、外接收线圈的半径大小和匝数，使得通过发射线圈的总磁通量与通过内、外接收线圈的总磁通量大小相等且方向相反，从而使发射和接收线圈中一次场相互抵消，实现一次场的有效消除。并且采用这种方式绕制线圈可以适当增大发射线圈匝数，提高信噪比。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，包括发射线圈(1)和接收线圈(2)，其特征在于，所述发射线圈(1)嵌套在接收线圈(2)的内部，并共面、同轴设置，所述接收线圈(2)包括外接收线圈(21)和内接收线圈(22)两个部分，所述外接收线圈(21)半径大于内接收线圈(22)半径，所述内接收线圈(22)半径等于发射线圈(1)半径；

所述内接收线圈(22)的半径a与外接收线圈(21)的半径b比值范围在

之间；

所述外接收线圈(21)与内接收线圈(22)的线圈匝数比为：

其中N₂₁、N₂₂分别表示外接收线圈的匝数和内接收线圈的匝数，φ_r2表示单匝内接收线圈(22)的总磁通量、φ_r1表示单匝外接收线圈(21)的总磁通量；

同时，所述发射线圈(1)与接收线圈(2)内部各匝之间均以串联方式相互连接；

所述测试线圈的绕制方法，包括如下步骤：

1)将发射线圈(1)以半径a绕制若干匝数；

2)接收线圈(2)以相同半径a按照与发射线圈(1)绕制相反方向绕制一匝形成内接收线圈(22)后，扩大至半径b按照发射线圈(1)绕制相同方向绕制一匝形成外接收线圈(21)，再将接收线圈(2)缩小至半径a，并与发射线圈(1)相反方向绕制一匝形成内接收线圈(22)；

3)重复步骤2)操作，直至绕匝完成。

2.根据权利要求1所述的零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，其特征在于，所述外接收线圈(21)的匝数大于内接收线圈(22)的匝数。

3.根据权利要求1所述的零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，其特征在于，所述发射线圈(1)和接收线圈(2)采用铜质漆包线绕制成圆环形或“回”形。

4.根据权利要求1所述的零磁通浅层瞬变电磁测试线圈，其特征在于，所述发射线圈(1)与接收线圈(2)采用相同制式和规格的漆包线。

5.根据权利要求1-4任一项所述的零磁通浅层瞬变电磁测试线圈的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将零磁通线圈装置的引线接入到瞬变电磁仪或者对应的发射-接收端口；

2)在现场实测过程中根据工区环境和地质任务布设观测系统，并设置瞬变电磁仪器数据采集参数；

3)按照每条测线中测点的布置依次进行现场数据采集；

4)将采集到的数据进行保存并进行数据处理。

6.根据权利要求5所述的零磁通浅层瞬变电磁测试线圈的测试方法，其特征在于，所述数据采集过程为全程采集，所述数据处理采用全程视电阻率算法处理。

Images