CN110456419A - 一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法。一种电磁激励响应信号互感装置，包括探测器、与所述探测器几何位置装设的比较器；所述探测器包括主激发源和主接收探头；所述比较器包括备激发源和备接收探头；所述主激发源与所述备激发源并联或串联；所述主接收探头与所述备接收探头反向并联或反向串联。相较于现有技术，本发明提供的一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法，通过信号比较器实时跟随探测器，在模拟电路中减除了信号磁场引起的一次场信号，不论激励信号是何特征，它的一次场信号都会被抑制干净，装置制作成本低。

Description

一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及物理探测领域，尤其涉及一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法。

背景技术

基于电磁感应原理，利用电磁激励响应来实现无损检测、探伤或者地球物理勘探，具有无须接触对象、设备简便、检测效率高和仪器装备成本低等诸多优点。

但不论是涡流检测还是地球物理勘探中的瞬变电磁法勘探，实施时发射系统都需要通过发射线框发射激励电磁场，在一次场激励期间或激励后采集记录电磁响应信号。这一电磁响应信号既包括了收发线圈互感信号也常称之为一次场信号(不论有无目标物都存在)，也包括了拟探测目标物的激励响应信号，其中一次场信号为干扰信号，需要压制，最好消除！

另外，检测或探测作业中，在有条件的情况下，当然是激发线圈和接收线圈越靠近目标越好，因为这样可以最大强度地激发同时又可以最大限度地获得目标体的异常响应，但是由于受到收发线圈超强互感的一次场干扰，电磁感应测量仪器仪表有限的动态范围和灵敏度不能满足异常场测量的要求，绝大多数情况下，收发线圈不能太近或者同时接近目标表面。作为应对策略，收发线圈通常采用分离回线(如地球物理勘探中的瞬变电磁法勘探)或者远场测量的方式(如无损检测中的远场涡流检测)；或者采用减小一次场激励信号强度的方式。

申请号为201110424903.9的专利文献公开了梯度测量模式，中间线圈发射，发射线圈离开了被测介质表面有一定距离，一次场激励强度打了折扣；另外，受几何尺度制约，两个接收线圈或传感器的几何距离不能太大，得到的梯度信号幅度也会受到制约，没有根本性解决收发线圈同时贴近目标表面的难题。

申请号为201410092714.X的专利文献公开等值反磁通测量模式，两个发射线圈通入反向电流，很显然，一次场的激励信号被大幅减弱，导致勘探能力受到局限，也没有根本性解决收发线圈同时贴近目标表面的难题。

因此，本领域存在极大不足，亟需发明人进行研发与创新。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法，能够实现在不减弱激励信号的前提下，滤除一次场的干扰信号，保证检测信号的清晰度。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种电磁激励响应信号互感装置，包括探测器、与所述探测器几何位置装设的比较器；

所述探测器包括主激发源和主接收探头；

所述比较器包括备激发源和备接收探头；

所述主激发源与所述备激发源并联或串联；

所述主接收探头与所述备接收探头反向并联或反向串联。

优选的所述电磁激励响应信号互感装置，所述探测器和所述比较器的参数标准为：使用所述探测器和所述比较器探测相同的介质，向所述主激发源和所述备激发源供入电磁参数相同的电磁激励信号电流时，所述主接收探头和所述备接收探头接收的电磁响应信号的时变特征相同。

优选的所述电磁激励响应信号互感装置，所述主激发源和所述备激发源具有相同的物理参数的线圈；所述主接收探头和所述备接收探头为具有相同的物理参数的线圈。

优选的所述电磁激励响应信号互感装置，所述主激发源与所述备激发源为相同的具有带软磁芯体的磁棒；所述主接收探头与所述备接收探头为相同的具有带软磁芯体的磁棒或为超导材料制成或为霍尔元件。

优选的所述电磁激励响应信号互感装置，所述探测器的所述主激发源和所述主接收探头相对滑动装设；

所述比较器的所述备激发源和所述备接收探头相对滑动装设。

优选的所述电磁激励响应信号互感装置，还包括固定器，所述固定器的制作材料为非导电、非导磁材料。

一种电磁激励响应信号检测装置，其特征在于，使用所述的互感装置，还包括电磁观测仪；所述电磁观测仪包括激励输出端、响应输入端；

所述主激发源与所述备激发源并联或串联后分别与激励输出端连接；

所述主接收探头与所述备接收探头反向并联或反向串联后分别与响应输入端连接。

优选的所述的电磁激励响应信号检测装置，还包括信号增益单元，用于提高接收的所述电磁响应信号远距离输送强度；所述主接收探头和所述备接收探头的接收的电磁响应信号通过所述信号增益单元输入到所述响应输入端。

优选的所述的电磁激励响应信号检测装置，所述电磁观测仪的激励输出端输出的电磁激励信号为固定频率的谐波震荡信号或为按时变特征设定的激励信号；

固定频率的谐波震荡信号包括：涡流检测信号；

所述按时变特征设定的激励信号包括：近似阶跃信号、脉冲信号、随机信号、方波、三角波和梯形波中的一种或多种的组合。

一种应用于所述的检测装置的检测方法，包括：

启动所述电磁感应观测仪，电磁激励信号电流通入所述探测器与所述比较器，在周围没有电磁响应介质存在时，调整所述探测器与所述比较器之间的相对位置，使所述响应输入端接收的信号为零；

所述探测器在介质表面逐点移动，进行检测作业；

根据不同点位的电磁响应信号分布特征，判断被测介质体内异常目标物有无和物理性质差异分析。

相较于现有技术，本发明提供的一种电磁激励响应信号互感装置和检测装置及检测方法，通过信号比较器实时跟随探测器，在模拟电路中减除了激励信号磁场引起的一次场信号，不论激励信号是何特征，它的一次场信号都会被抑制干净；装置制作成本低，综合保证了探测器贴近目标表面，是一种既能够在类似涡流探伤的无损检测中使用，也可以在瞬变电磁勘探等地球物理勘探中使用，能够广泛适用于航空、海洋、地面、井中和巷道环境，是本领域的极大进步。

附图说明

图1是本发明提供的互感装置结构示意图；

图2是本发明提供的实施例2和3的检测装置结构示意图；

图3是本发明提供的实施例4的检测装置结构示意图；

图4是本发明提供的实施例5的检测装置结构示意图；

图5是本发明提供的接收探头为磁棒的检测装置示意图；

图6是本发明提供的激发源和接收探头不在同一平面的检测装置结构示意图。

箭头+B为磁场及其方向、

箭头+I为电磁激励电流及其方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请一并参阅图1，本发明提供一种电磁激励响应信号互感装置，包括探测器、与所述探测器几何位置装设的比较器；

所述探测器1包括主激发源11和主接收探头12；

所述比较器2包括备激发源21和备接收探头22；

所述主激发源11与所述备激发源21并联或串联；保证接收到的激励信号的电流方向相同；

所述主接收探头12与所述备接收探头22反向并联或反向串联。

具体的，本发明提供的互感装置，其中，所述探测器1的主要作用在于在待测介质上进行逐点检测，所述比较器2的主要作用在于滤除激励信号的一次场干扰信号；当然，为了更好的滤除一次场信号，所述探测器1与所述比较器2之间的位置不固定，但是在使用过程中需要根据现场需求二者之间呈一定的空间几何形态，所述空间几何形态为二者所在平面之间的位置关系，例如二者所在的平面相互平行或垂直。

更进一步的，所述主激发源11与所述备激发源21并联或串联，二者在使用的过程中，都要与电磁观测仪的激励输出端连接；所述主接收探头12与所述备接收探头22反向并联/反向串联，二者在使用中，都与电磁测量仪的响应输入端连接。所述反向为所述主接收探头12的正负极与所述备接收探头22的正负极之间反向连接，例如，在反向串联时，所述主接收探头12与所述备接收探头22之间的正极接通，二者的负极与电磁测量仪的响应输入端连接；在反向并联时，所述主接收探头12的正极与所述备接收探头22的负极共同接通电磁测量仪的响应输入端的同一接入端，所述主接收探头12的负极与所述备接收探头22的正极共同接通电磁测量仪的响应输入端的同一接入端。

作为优选方案，本实施例中，所述探测器1和所述比较器2的参数标准为：使用所述探测器1和所述比较器2探测相同的介质，向所述主激发源11和所述备激发源21供入电磁参数相同的电磁激励信号电流时，所述主接收探头12和所述备接收探头22接收的电磁响应信号的时变特征相同。

具体的，为了将更有效的抵消掉所述一次场干扰信号，所述探测器1和所述比较器2的参数需要装设成能够检测到具有相同时变特征的电磁响应信号，由于所述主接收探头12和所述备接收探头22是反向并联或者反向串联，这时二者就会相互抵消，相互抵消掉的就是所述一次场干扰信号。当然，只要能够符合上述标准即可，所述探测器1与所述比较器2之间是否完全一样不做限定。

作为优选方案，本实施例中，所述主激发源11和所述备激发源21具有相同的物理参数的线圈；所述主接收探头12和所述备接收探头22为具有相同的物理参数的线圈。

具体的，所述物理参数包括：线圈支架、绕线材料、绕制方式和形状、尺寸大小、线圈匝数；此时，所述探测器1和所述比较器2为具有相同的物理参数，那么在适配过程中也是最方便的。所述线圈的形状可以是圆形、方形、曲面或折面。

作为优选方案，本实施例中，所述主激发源11与所述备激发源21为相同的具有带软磁芯体的磁棒；所述主接收探头12与所述备接收探头22为相同的具有带软磁芯体的磁棒或为超导材料制成或为霍尔元件。

具体的，这是本实施例的其中几种变化，也就是所述激发源11/21与所述接收探头12/22不仅仅是线圈，还可以为带软磁芯体的磁棒或为超导材料制成或为霍尔元件等能够进行电磁响应检测的元件，其他如类似的功能的都是本实施例的等效变换。同时，在具体实施中，只要保证所述激发源11/21为相同的线圈或磁棒，所述接收探头12/22为相同的线圈或磁棒，激发源和接收探头的形态不做固定限定。

具体请一并参阅图1、图5、图6，作为优选方案，本实施例中，所述探测器1的所述主激发源11和所述主接收探头12相对滑动装设；

所述比较器2的所述备激发源21和所述备接收探头22相对滑动装设。

还包括固定器(未示图)，所述固定器的制作材料为非导电、非导磁材料。

具体的，所述固定器为普通的固定器件，但是需要注意的是材料是非导电、非导磁材料，例如塑料；进一步的，所述固定器与被固定的器件之间的优选方案为刚性固定，二者相对不可移动。

在确定所述探测器1与所述比较器2之间相对位置后，还可以通过调整所述主激发源11和所述主接收探头12之间、所述备激发源21和所述备接收探头22之间的相对位置来实现调整消除一次场干扰信号的精度。具体的，所述探测器1与所述比较器2之间相对位置为二者所在平面之间相互垂直或相互平行或形成其他角度。进一步的，所述主激发源11和所述主接收探头12之间、所述备激发源21和所述备接收探头22之间的相对位置可以在同一平面上，也可以不在同一平面上，视具体情况进行调整；同时，也可以将所述主激发源11、所述主接收探头12、所述备激发源21和所述备接收探头22之间的三个固定，只调整其中一个进行控制，使最终符合所述探测器1和所述比较器2的参数标准。为了不影响磁感应了精度，固定所述探测器1与所述比较器2的所述固定器的材料为非导电、非导磁材料。

具体的，本发明提供的电磁激励响应信号互感装置主要的目的在于滤除一次场的干扰信号，所以在调整阶段，所述主接收探头12与所述备接收探头22只要保证在接收到的一次场的检测信号相同即可，这时因为二者之间的反向装设，则可以实现滤除一次场干扰信号。

实施例2

具体请参阅图2，本发明还提供了一种电磁激励响应信号检测装置，使用实施例1中的互感装置，还包括电磁观测仪；所述电磁观测仪包括激励输出端、响应输入端；

所述主激发源11与所述备激发源21并联/串联后分别与电磁观测仪的激励输出端31连接；

所述主接收探头12与所述备接收探头22反向并联/反向串联后分别与电磁观测仪的响应输入端32。

具体的，所述激励输出端31具有两个接线柱，分别对应的将电磁激励电流的输出与输入；所述响应输入端32具有两个接线柱，分别对应所述主接收探头和所述备接收探头的正负极接通。使用以下检测方法的步骤进行检测作业：

所述电磁感应观测仪，调整所述探测器1与所述比较器2之间的相对位置，在检测相同介质时，使所述主接收探头12与所述备接收探头22获得的电磁响应信号相减为零；

所述探测器在介质表面逐点移动，进行检测作业；

根据不同点位的电磁响应信号分布特征，判断被测介质体内异常目标物有无和物理性质差异分析。

作为优选方案，本实施例中，所述电磁观测仪的激励输出端31输出的电磁激励信号为固定频率的谐波震荡信号或为按时变特征设定的激励信号；

固定频率的谐波震荡信号包括：涡流检测信号；

所述按时变特征设定的激励信号包括：近似阶跃信号、脉冲信号、随机信号、方波、三角波和梯形波中的一种或多种的组合。

作为优选方案，本实施例中，还包括信号增益单元，用于提高接收的所述电磁响应信号远距离输送强度；所述主接收探头12和所述备接收探头22的接收的电磁响应信号通过所述信号增益单元输入到所述响应输入端32。

实施例3

请一并参阅图2，以直径0.5米、线径2平方毫米、匝数10匝的导线绕制环形主激发源11，以直径0.3米、线径1平方毫米、匝数100匝的导线环形绕制主接收探头12，以共中心点、共平面的所述主激发源11和所述主接收探头12构成探测器1；并使用与所述主激发源11相同的备激发源21、与所述主接收探头12相同的被接收探头构建比较器2；将所述主激发源11与所述备激发源21并联形成激励信号发射端，将所述主接收线圈与所述备接收线圈反向串联形成电磁响应信号接收端。以瞬变电磁仪作为电磁观测仪。

经过测试实验，在自由空气中，如果所述探测器1和所述比较器2所在平面相互垂直，回线中心相距6米以上时，利用瞬变电磁仪，激励信号送入并联的所述探测器1和所述备探测器1激发激励信号，所述主接收探头12和所述备接收探头22反向串联形成输出端的响应信号已接近为零。

实际检测作业时，按照上述方位固定，即可构成远参考跟随探测器1的瞬变电磁响应测量装置；利用所述探测器1在被探测介质表面进行探测，根据测量信号响应幅度大小、时变特征和信号频率分布特征，进行被测物体内异常目标物有无和物理性质差异分析。这一测量装置能够消除所述探测器1中收发线圈的互感信号，实现瞬变电磁高分辨率探测。可以应用在混凝土介质结构隐患检测中、应用在矿山坑道周边隐蔽矿体的探测中、应用在近地表隐蔽目标的探测中。

所述远参考则表示所述探测器1与所述比较器2之间的距离大于一定距离。

实施例4

请一并参阅图3，以直径1米、线径2平方毫米、匝数10匝的导线绕制成环形主激发源11，以直径0.5米、线径1平方毫米、匝数100匝的导线环形绕制成主接收探头12，将所述主激发源11和所述主接收探头12以共中心点、共平面的几何形式构成探测器；并与使用和所述探测器1相同物理参数的比较器2构成所述互感装置，保证所述探测器1与所述比较器2相互平行，距离1米，呈正圆柱状。使用瞬变电磁仪作为电磁观测仪。

所述主激发源11与所述备激发源21串联接入瞬变电磁仪的激励输出端31，所述主接收探头12与所述备接收探头22反向并联接入瞬变电磁仪的响应输入端32；调整所述探测器1和所述比较器2的相对位置，在自由空气中(周围没有异常介质存在时)，瞬变电磁仪激励信号送入串联的所述主激发源11和所述备激发源21，进行观测，使所述响应输入端32接收到的响应信号接近为零；本实施例中，最佳位置为所述探测器1与所述比较器2形成正圆柱体。

检测装置在被探测介质表面移动时，所述响应输入端32通过所述主接收探头12和所述备接收探头22获得的是相距1米的所述主激发源11和所述备激发源21对介质表面同向激励下，介质体内部在相距1米的接收线圈中形成的电磁响应电势差值。

实际检测作业时，利用本发明的检测装置在被探测介质表面进行探测，根据测量信号响应幅度大小、时变特征和信号频率分布特征，进行被测物体内异常目标物有无和物理性质差异分析。这一测量装置能够消除探测器件中收发线圈的互感信号，实现近似瞬变电磁高分辨率梯度探测。可以应用在城市地下介质结构隐患检测中、应用在矿山坑道周边隐蔽矿体的探测中、应用在近地表隐蔽目标的探测中；本检测装置的另一个优点是通过梯度测量可以判别异常目标的方向。

特别地，这里所述主激发源11和所述备激发源21可以先固定成正圆柱状，所述主接收探头12和所述备接收探头22也可以先固定成正圆柱状；所述主激发源11和所述备激发源21之间的距离和所述主接收探头12和所述备接收探头22之间的距离可以不一样；在保证两个圆柱轴线一致的情况下，滑动调整两个圆柱，使其中心重合后固定。这样形成的也是本例涉及的装置，按并联或串联发射线圈、反向并联或反向串联接收线圈，满足消除一次场的功能。

实施例5

请一并参阅图4、图5、图6，以线径2平方毫米、匝数20匝的导线绕制边长1米的正方形的主激发源11，以线径1平方毫米、匝数100匝的导线绕制成边长0.5米的正方形的主接收探头12，以共中心点、共平面的形态用所述主激发源11和所述主接收探头12构成探测器1，并与使用和所述探测器1相同物理参数的比较器2构成所述互感装置，且保证其所述探测器1与所述比较器2相互垂直，一边重合，呈直角状；将所述主激发源11和所述备激发源21并联形成输入端，与电磁观测仪的激励输出端31连接，供入的电流方向如图4所示，保证电磁场激励磁场方向如B所示，在两接收线圈处大小一样；将所述主接收探头12与所述备接收探头22反向并联形成输出端，与电磁观测仪的响应输入端32连接。以瞬变电磁仪为电磁观测仪。

本实施例中的观测装置在被探测介质表面移动时，所述响应输入端32通过所述主接收探头12和所述备接收探头22获得的响应信号是相互垂直的两个接收线圈中形成的电磁响应电势差值。

由于所述主激发源11和所述备激发源21中形成的电磁响应电势差值后近乎为零，所以本实施例中的检测装置还包括信号增益单元，能够将所述响应信号放大1000倍左右，以增强接收信号的信噪比，同时提高信号的远距离输送能力。

实际检测作业时，利用互感装置在被探测介质表面进行探测，根据测量信号响应幅度大小、时变特征和信号频率分布特征，进行被测物体内异常目标物有无和物理性质差异分析。这一测量装置能够消除探测器件中收发线圈的互感信号，获得一个水平方向响应信号和垂直方向响应信号相减的新参数，有利于分辨竖直或水平产出的低电阻率板状体目标，实现近似瞬变电磁高分辨率梯度探测。可以应用在城市地下介质结构隐患检测中、应用在矿山坑道周边隐蔽矿体的探测中、应用在近地表隐蔽目标的探测中。

相应地将所述探测器1和所述比较器2的几何尺寸或传感器物理参数缩小后，可应用于涡流检测、无损探伤中。

在涡流无损检测中，本实施例还可以利用远参考信号比较器2形成的观测装置进行精细检测，由于消除了近场一次场的干扰，激励信号的强度可以适当加大，此时，所述互感装置的所述主激发源11和所述主接收探头12都可以零距离接近介质表面，其探测深度和分辨能力将大大提高。

在远场涡流检测中，一般是使用激发源与接收探头相距较远的方法，但是按照本发明提供的方法，还可以将所述探测器1中的主接收探头12与所述主激发源11保持在一定的距离，甚至不在同一平面上，并制作一个远参考比较信号；由于本发明具备所述比较器2，则无需将所述主接收探头12和所述主激发源11保持在相当远的距离测量，这对于某些特定的管道或介质体内隐患探测来说，可以较大程度上消除加大一次场激励强度增加时干扰信号增加的顾虑，能够提升接收响应信号的信噪比，探测装置的物理分辨能力和几何分辨精度都会有大幅提升。

综上所述，本发明提供的电磁激励响应互感装置和检测装置及方法，能够实现在激励探测中，消除一次场干扰信号，即使在加大一次场激励强度的情况下，也能有效清除一次场，使探测装置的探测深度和分辨能力大大提升。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁激励响应信号互感装置，其特征在于，包括探测器、与所述探测器几何位置装设的比较器；

所述探测器包括主激发源和主接收探头；

所述比较器包括备激发源和备接收探头；

所述主激发源与所述备激发源并联或串联；

所述主接收探头与所述备接收探头反向并联或反向串联。

2.根据权利要求1所述电磁激励响应信号互感装置，其特征在于，所述探测器和所述比较器的参数标准为：使用所述探测器和所述比较器探测相同的介质，向所述主激发源和所述备激发源供入电磁参数相同的电磁激励信号电流时，所述主接收探头和所述备接收探头接收的电磁响应信号的时变特征相同。

3.根据权利要求2所述电磁激励响应信号互感装置，其特征在于，所述主激发源和所述备激发源具有相同的物理参数的线圈；所述主接收探头和所述备接收探头为具有相同的物理参数的线圈。

4.根据权利要求2所述电磁激励响应信号互感装置，其特征在于，所述主激发源与所述备激发源为相同的具有带软磁芯体的磁棒；所述主接收探头与所述备接收探头为相同的具有带软磁芯体的磁棒或为超导材料制成或为霍尔元件。

5.根据权利要求1所述电磁激励响应信号互感装置，其特征在于，所述探测器的所述主激发源和所述主接收探头相对滑动装设；

所述比较器的所述备激发源和所述备接收探头相对滑动装设。

6.根据权利要求5所述电磁激励响应信号互感装置，其特征在于，还包括固定器，所述固定器的制作材料为非导电、非导磁材料。

7.一种电磁激励响应信号检测装置，其特征在于，使用权利要求1-6任一所述的互感装置，还包括电磁观测仪；所述电磁观测仪包括激励输出端、响应输入端；

所述主激发源与所述备激发源并联或串联后分别与激励输出端连接；

所述主接收探头与所述备接收探头反向并联或反向串联后分别与响应输入端连接。

8.根据权利要求7所述的电磁激励响应信号检测装置，其特征在于，还包括信号增益单元，用于提高接收的所述电磁响应信号远距离输送强度；所述主接收探头和所述备接收探头的接收的电磁响应信号通过所述信号增益单元输入到所述响应输入端。

9.根据权利要求8所述的电磁激励响应信号检测装置，其特征在于，所述电磁观测仪的激励输出端输出的电磁激励信号为固定频率的谐波震荡信号或为按时变特征设定的激励信号；

固定频率的谐波震荡信号包括：涡流检测信号；

所述按时变特征设定的激励信号包括：近似阶跃信号、脉冲信号、随机信号、方波、三角波和梯形波中的一种或多种的组合。

10.一种应用于权利要求7-9任一所述的检测装置的检测方法，其特征在于，包括：

启动所述电磁感应观测仪，电磁激励信号电流通入所述探测器与所述比较器，在周围没有电磁响应介质存在时，调整所述探测器与所述比较器之间的相对位置，使所述响应输入端接收的信号为零；

所述探测器在介质表面逐点移动，进行检测作业；

根据不同点位的电磁响应信号分布特征，判断被测介质体内异常目标物有无和物理性质差异分析。