CN112346136A - 一种抗干扰型质子磁力仪探头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗干扰型质子磁力仪探头，包括屏蔽外壳、第一线圈和第二线圈、探头，所述第一线圈与所述第二线圈为反向绕制且串联的螺线圈形线圈，所述第一线圈和第二线圈外具有线圈屏蔽涂层，所述线圈屏蔽涂层由外至内依次包括铝箔缠带、导电银浆涂层以及泡沫铜‑石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层；所述泡沫铜‑石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层，包括长方形泡沫铜、葡萄糖、聚苯胺、石墨烯粉末、对甲苯磺酸溶液。采用第一线圈和第二线圈为反向绕制且串联的双线圈差分结构，以提高抗干扰能力。采用线圈分段串联的设计，可降低线圈上的分布电容。很好地抑制了大量外部噪声，提高了设备的抗干扰能力。

Description

一种抗干扰型质子磁力仪探头
技术领域
本发明属于质子磁力探测技术领域，具体涉及一种抗干扰型质子磁力仪探头。
背景技术
质子磁力仪是利用质子在地球磁场中的旋进特征，通过电子线路控制来获取高精度地磁场的测量仪器。其凭借测量精度高,携带方便,可维护性高等优势成为磁力勘探领域中应用最广泛的一类磁力仪,广泛用于磁场观测、矿产搜寻、工程勘察、地磁日变观测、军事领域等领域。其中，质子磁力仪探头通常使用直流脉冲极化型磁场传感器，由于方法、工艺与测试水平的限制，目前线圈结构国内普遍落后，仪器屏蔽方式差，传感器在任务地场所使用的过程中，线圈会受到各种外界干扰，而线圈所接收到的旋进信号是非常微弱(通常单位是μV)的，因此传感器对这些干扰非常敏感，信号很容易被淹没，进而影响仪器精度，此点是国内质子磁力仪抗干扰能力设计急需解决的问题。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种有效抗腐蚀和良好的电子屏蔽性能的，防止电磁干扰的质子磁力仪探头。
本发明提供如下技术方案：一种抗干扰型质子磁力仪探头，包括屏蔽外壳、位于屏蔽外壳内的第一线圈和第二线圈、位于屏蔽外壳内且与所述第二线圈固定连接的探头，所述第一线圈与所述第二线圈为反向绕制且串联的螺线圈形线圈，所述第一线圈和第二线圈外具有线圈屏蔽涂层，所述第一线圈和第二线圈间填充环氧树脂，以隔绝样品溶液对所述线圈屏蔽涂层的腐蚀性以及增强所述第一线圈和第二线圈之间的几何稳定性；
所述屏蔽外壳包括壳体和壳头；
所述探头于屏蔽外壳的壳头内伸出两个探头引出端；
所述线圈屏蔽涂层由外至内依次包括铝箔缠带、导电银浆涂层以及泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层；
所述泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层，按重量组份计，包括以下成分：
Figure BDA0002772344550000021
进一步地，所述屏蔽外壳内填充有航空煤油，使所述第一线圈和第二线圈浸没于所述航空煤油内，形成闭合电路。
进一步地，所述壳头的材质为铜。
进一步地，所述泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层的制备方法，包括以下步骤：
1)将所述重量组分的葡萄糖溶于蒸馏水中，形成初始浓度为0.1M～0.2M的葡萄糖溶液，将所述重量组分的长方形泡沫铜预处理后浸没于所述葡萄糖溶液2min～5min，然后转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，于150℃～170℃下高温加热32h～36h；
2)将所述步骤1)得到的高温加热后的泡沫铜用乙醇和蒸馏水交替清洗3次，然后于70℃～90℃下热风干燥10min～15min；
3)将所述步骤2)得到的长方形泡沫铜与所述重量组分的石墨烯粉末混合均匀后，于氩气气氛中逐渐升温并以580℃～600℃的最终温度碳化1.5h～2h，得到石墨烯包裹的长方形泡沫铜；
4)将所述重量组分的聚苯胺与所述重量组分的对甲苯磺酸溶液混合，于40℃～50℃下搅拌10min，得到聚苯胺的对甲苯磺酸溶液；
5)将所述步骤3)得到的石墨烯包裹的长方形泡沫铜作为工作电极，铂电极为对电极，将所述工作电极浸没于所述步骤4)得到的聚苯胺的对甲苯磺酸溶液中，进行电沉积20min～30min，得到泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层。
进一步地，所述长方形泡沫铜的尺寸为(1～2.5)cm×(5～12.5)cm。
进一步地，所述石墨烯粉末的粒径为5μm～10μm。
进一步地，所述对苯甲磺酸溶液的浓度为0.05M～0.1M。
进一步地，所述步骤1)中的长方形泡沫铜预处理方法为于60℃～80℃下热风干燥15min～20min。
进一步地，所述步骤5)的电沉积时的电流密度为4.0mA·cm-2～7.0mA·cm-2。
进一步地，所述步骤3)中的于580℃～600℃的氩气气氛中加热的升温速率为2℃/min～5℃/min。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的抗干扰型质子磁力仪探头设计上进行改进，采用第一线圈和第二线圈为反向绕制且串联的双线圈差分结构，以提高抗干扰能力。采用线圈分段串联的设计，可降低线圈上的分布电容。很好地抑制了大量外部噪声，提高了设备的抗干扰能力；改进后探头，应用场合更多，适应能力更强，提高了测量准确度。
2、本发明提供的抗干扰质子磁力仪探头的第一线圈和第二线圈采用由外至内依次包括铝箔缠带、导电银浆涂层以及泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层组成的线圈屏蔽层包裹，可以有效屏蔽外界各种干扰，泡沫铜材料经过葡萄糖溶液浸泡后高温干燥后形成了一部分的碳包裹层，再与粒径较小的石墨烯粉末混合后于550℃以上的高温进行碳化固结，进一步形成了石墨烯包裹的长方形泡沫铜材质，能够提高线圈屏蔽层的载电子流能力，提高电导率的同时进一步提高了其电磁屏蔽效果，并且再利用石墨烯包裹的长方形泡沫铜作为工作电极，采用电沉积的方式最终在其表面包裹一层具有导电能力和防止腐蚀能力的聚苯胺高分子聚合物，进一步提高了电磁屏蔽能力的同时，提高了线圈屏蔽层的耐腐蚀能力。
3、线圈屏蔽层采用导电银浆液体作为涂料作为中间层，该材料的屏蔽能力可达到85dB以上，与此同时在导电银浆涂层外缠绕铝箔缠带，可以进一步有效屏蔽外界各种干扰。
4、在第一线圈和第二线圈中间填充环氧树脂漆，作为固化剂和防腐剂。这样，既可保证线圈自身的几何稳定性，又隔绝了样品溶液对屏蔽层的腐蚀作用，一举两得。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的抗干扰型质子磁力仪探头结构示意图；
图2为本发明提供的抗干扰型质子磁力仪探头在有外界干扰时的工作原理图；
图3为本发明提供的抗干扰型质子磁力仪探头在旋进信号接收时的工作原理图。
具体实施例方式
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。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的一种抗干扰型质子磁力仪探头，包括屏蔽外壳1、位于屏蔽外壳内的第一线圈2和第二线圈3、位于屏蔽外壳内且与第二线圈3固定连接的探头4，第一线圈2与第二线圈3为反向绕制且串联的螺线圈形线圈，第一线圈2和第二线圈3外具有线圈屏蔽涂层5，第一线圈2和第二线圈3间填充环氧树脂，以隔绝样品溶液对线圈屏蔽涂层5的腐蚀性以及增强第一线圈2和第二线圈3之间的几何稳定性；
屏蔽外壳1包括壳体1-1和壳头1-2，壳头1-2的材质为铜，屏蔽外壳1内填充有航空煤油，使第一线圈2和第二线圈3浸没于航空煤油内，形成闭合电路；
探头4于屏蔽外壳1的壳头1-2内伸出两个探头引出端；在探头的引出端装配上铜质材料的屏蔽外壳，传感器与仪器主机之间的导线采用带有屏蔽层的高级音频线连接，可以减少在传输过程中的干扰；
线圈屏蔽涂层5由外至内依次包括铝箔缠带、导电银浆涂层以及泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层；
泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层，按重量组份计，包括以下成分：
Figure BDA0002772344550000051
泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层的制备方法，包括以下步骤：
1)将10份的葡萄糖溶于蒸馏水中，形成初始浓度为0.1M的葡萄糖溶液，将20份的尺寸为1cm×5cm的长方形泡沫铜预处理后浸没于葡萄糖溶液2min，然后转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，于150℃下高温加热32h；
2)将步骤1)得到的高温加热后的泡沫铜用乙醇和蒸馏水交替清洗3次，然后于70℃下热风干燥10min；
3)将步骤2)得到的长方形泡沫铜与40份的粒径为5μm的石墨烯粉末混合均匀后，于580℃的氩气气氛中以2℃/min的升温速率碳化1.5h，得到石墨烯包裹的长方形泡沫铜；
4)将25份的聚苯胺与50份的浓度为0.05M的对甲苯磺酸溶液混合，于40℃下搅拌10min，得到聚苯胺的对甲苯磺酸溶液；
5)将步骤3)得到的石墨烯包裹的长方形泡沫铜作为工作电极，铂电极为对电极，将工作电极浸没于步骤4)得到的聚苯胺的对甲苯磺酸溶液中，以4.0mA·cm-2的电流密度进行电沉积20min，得到泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层。
其中，步骤1)中的长方形泡沫铜预处理方法为于60℃下热风干燥15min。
如图2-3所示，本发明专利，采用一种双线圈差分结构，以提高抗干扰能力。具体来说是将线圈分为2个反向绕制并串联的线圈。此设计采用线圈分段串联的设计，可降低线圈上的分布电容。假设外界干扰场在传感器附近均匀，如果2个线圈的电感量、(直流)电阻、结构尺寸等参数完全相同，这样两个线圈上感应电动势的绝对值分别为E1和E2，根据楞次定律可求得E1和E2绝对值相等、相位相同、方向相反，则传感器上输出端的电动势E与外界干扰会完全抵消，即E＝E1+(-E2)＝0。因拉莫尔进动效应在2个线圈上的感应信号为E1和E2,如图2所示。鉴于2个线圈反向串联，根据右手螺旋定则，电流在线圈产生的极化磁场方向相反，每个线圈的质子磁矩方向相同，但是两者的初始相位相差180度，则输出端是2倍的叠加，即E＝E1＇+E2＇＝2E1＇＝2E2＇。即使不能保证2个线圈参数完全一致，无法实现噪声完全抵消，但通过这种结构的设计可以抑制大量的噪声，从而提高传感器的抗干扰能力。
经试验，本实施例提供的线圈屏蔽层的电磁屏蔽率达到95.67％。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于，泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层，按重量组份包括以下组分：
Figure BDA0002772344550000071
泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层的制备方法，包括以下步骤：
1)将11份的葡萄糖溶于蒸馏水中，形成初始浓度为0.15M的葡萄糖溶液，将22.5份的尺寸为1.75cm×9cm的长方形泡沫铜预处理后浸没于葡萄糖溶液3min，然后转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，于160℃下高温加热24h；
2)将步骤1)得到的高温加热后的泡沫铜用乙醇和蒸馏水交替清洗3次，然后于80℃下热风干燥12min；
3)将步骤2)得到的长方形泡沫铜与42.5份的粒径为8μm的石墨烯粉末混合均匀后，于氩气气氛中以3.5℃/min的升温速率逐渐升温至590℃的最终温度，并以590℃恒温碳化1.75h，得到石墨烯包裹的长方形泡沫铜；
4)将27.5份的的聚苯胺与55份的浓度为0.75M的对甲苯磺酸溶液混合，于45℃下搅拌10min，得到聚苯胺的对甲苯磺酸溶液；
5)将步骤3)得到的石墨烯包裹的长方形泡沫铜作为工作电极，铂电极为对电极，将工作电极浸没于步骤4)得到的聚苯胺的对甲苯磺酸溶液中，以5.5mA·cm-2的电流密度进行电沉积25min，得到泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层。
其中，步骤1)中的长方形泡沫铜预处理方法为于700℃下热风干燥17min。
经试验，本实施例提供的线圈屏蔽层的电磁屏蔽率达到97.39％。
实施例3
本实施例与实施例1和实施例2的区别仅在于，泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层，按重量组份包括以下组分：
Figure BDA0002772344550000081
泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层的制备方法，包括以下步骤：
1)将12份的葡萄糖溶于蒸馏水中，形成初始浓度为0.2M的葡萄糖溶液，将25份的尺寸为2.5cm×12.5cm的长方形泡沫铜预处理后浸没于葡萄糖溶液5min，然后转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，于170℃下高温加热36h；
2)将步骤1)得到的高温加热后的泡沫铜用乙醇和蒸馏水交替清洗3次，然后于90℃下热风干燥15min；
3)将步骤2)得到的长方形泡沫铜与45份的粒径为10μm的石墨烯粉末混合均匀后，于氩气气氛中以5℃/min的升温速率逐渐升温至600℃的最终温度，并以600℃碳化2h，得到石墨烯包裹的长方形泡沫铜；
4)将30份聚苯胺与60份的浓度为0.1M的对甲苯磺酸溶液混合，于50℃下搅拌10min，得到聚苯胺的对甲苯磺酸溶液；
5)将步骤3)得到的石墨烯包裹的长方形泡沫铜作为工作电极，铂电极为对电极，将工作电极浸没于步骤4)得到的聚苯胺的对甲苯磺酸溶液中，以7.0mA·cm-2的电流密度进行电沉积30min，得到泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层。
其中，步骤1)中的长方形泡沫铜预处理方法为于80℃下热风干燥20min。
经试验，本实施例提供的线圈屏蔽层的电磁屏蔽率达到98.64％。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种抗干扰型质子磁力仪探头，包括屏蔽外壳(1)、位于屏蔽外壳内的第一线圈(2)和第二线圈(3)、位于屏蔽外壳内且与所述第二线圈(3)固定连接的探头(4)，所述第一线圈(2)与所述第二线圈(3)为反向绕制且串联的螺线圈形线圈，所述第一线圈(2)和第二线圈(3)外具有线圈屏蔽涂层(5)，所述第一线圈(2)和第二线圈(3)间填充环氧树脂，以隔绝样品溶液对所述线圈屏蔽涂层(5)的腐蚀性以及增强所述第一线圈(2)和第二线圈(3)之间的几何稳定性；
所述屏蔽外壳(1)包括壳体(1-1)和壳头(1-2)；
所述探头(4)于屏蔽外壳(1)的壳头(1-2)内伸出两个探头引出端；
其特征在于，所述线圈屏蔽涂层(5)由外至内依次包括铝箔缠带、导电银浆涂层以及泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层；
所述泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层，按重量组份计，包括以下成分：
Figure FDA0002772344540000011
2.根据权利要求1所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述屏蔽外壳(1)内填充有航空煤油，使所述第一线圈(2)和第二线圈(3)浸没于所述航空煤油内，形成闭合电路。
3.根据权利要求1所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述壳头(1-2)的材质为铜。
4.根据权利要求1所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述泡沫铜-聚苯胺/石墨烯涂层复合材料层的制备方法，包括以下步骤：
1)将所述重量组分的葡萄糖溶于蒸馏水中，形成初始浓度为0.1M～0.2M的葡萄糖溶液，将所述重量组分的长方形泡沫铜预处理后浸没于所述葡萄糖溶液2min～5min，然后转移到聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，于150℃～170℃下高温加热32h～36h；
2)将所述步骤1)得到的高温加热后的泡沫铜用乙醇和蒸馏水交替清洗3次，然后于70℃～90℃下热风干燥10min～15min；
3)将所述步骤2)得到的长方形泡沫铜与所述重量组分的石墨烯粉末混合均匀后，于氩气气氛中逐渐升温并以580℃～600℃的最终温度碳化1.5h～2h，得到石墨烯包裹的长方形泡沫铜；
4)将所述重量组分的聚苯胺与所述重量组分的对甲苯磺酸溶液混合，于40℃～50℃下搅拌10min，得到聚苯胺的对甲苯磺酸溶液；
5)将所述步骤3)得到的石墨烯包裹的长方形泡沫铜作为工作电极，铂电极为对电极，将所述工作电极浸没于所述步骤4)得到的聚苯胺的对甲苯磺酸溶液中，进行电沉积20min～30min，得到泡沫铜-石墨烯/聚苯胺涂层复合材料层。
5.根据权利要求1所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述长方形泡沫铜的尺寸为(1～2.5)cm×(5～12.5)cm。
6.根据权利要求1所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述石墨烯粉末的粒径为5μm～10μm。
7.根据权利要求1所述的一种抗干扰质子磁力仪探头，其特征在于，所述对苯甲磺酸溶液的浓度为0.05M～0.1M。
8.根据权利要求4所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述步骤1)中的长方形泡沫铜预处理方法为于60℃～80℃下热风干燥15min～20min。
9.根据权利要求4所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述步骤5)的电沉积时的电流密度为4.0mA·cm-2～7.0mA·cm-2。
10.根据权利要求4所述的一种抗干扰型质子磁力仪探头，其特征在于，所述步骤3)中的于580℃～600℃的氩气气氛中加热的升温速率为2℃/min～5℃/min。
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