CN115561821A - 一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器 - Google Patents

一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种工作带宽为0.1Hz‑200kHz的感应式磁传感器,属于勘测地球物理领域。包括:磁芯、感应线圈、反馈线圈、前置放大器和反馈电阻;感应线圈绕制在磁芯上,反馈线圈绕制在感应线圈上;前置放大器、反馈电阻和反馈线圈串联,共同构成磁路负反馈电路;感应线圈的电感L和分布电容C与感应线圈的谐振点f满足:
Figure DDA0003849877290000011
前置放大器的放大倍数G≥1000,等效电压噪声不超过5nV,等效电流噪声不超过1fA;反馈电阻的阻值为1千欧~10千欧。本发明通过优化设计线圈匝数、磁芯尺寸和线圈绕制方式,使得线圈的谐振点落在工作频段中心频点;采用磁路负反馈技术抑制谐振,扩展磁传感器平坦部分带宽,使得磁传感器工作频段覆盖0.1Hz~200kHz,适用于10~1000米深度范围的地质勘测。

Description

一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器
技术领域
本发明属于勘测地球物理领域,更具体地,涉及一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器。
背景技术
针对常规物探设备发射接收的信号较弱,难以准确探测堰塞坝的材料结构信息,研究堰塞坝材料结构受物质来源和堆积规律的影响,分析堰塞坝形成的地形地质环境背景条件、母源物质失稳运移分解及堆积规律对堰塞坝应急抢先至关重要。CSAMT方法(Controlled source acoustic magnetotelluric,可控源音频大地电磁法)是对浅层地质构造勘测的一种常用方法,广泛应用于浅层100~1000米深度的地质勘探,对于100米深度以内的浅层探测则效果不佳,原因在于目前缺乏工作在高频段(20kHz~200kHz)磁传感器产品。
专利CN102147482A公开了一种用于浅层CSAMT方法的感应式磁传感器,采用了在高磁导率细长磁芯上缠绕多匝漆包线线圈感应待测磁场信号,并将感应信号送入低噪声放大器进行信号放大,达到可观测范围的电压信号。整个传感器采用磁路负反馈形式实现。磁路负反馈是将输出信号通过反馈电阻与次线圈的方式反馈到输入,以增大线圈的工作带宽,增强系统的温度稳定性、机械稳定性。
然而,该方法存在以下缺陷和不足:磁传感器的工作带宽仅为10kHz~100kHz,未能覆盖低频工作频段,探测深度10m~100m深度,未能实现一根磁传感器覆盖从0.1Hz~200kHz的宽频带工作模式,其发明中线圈绕制方式为中间段匝数多,两端逐渐减少匝数得方法绕制,线圈参数计算过于复杂。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器,旨在解决未能覆盖低频工作频段,不能实现10米~1000米跨度的地质勘测的问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器,包括:磁芯、感应线圈、反馈线圈、前置放大器和反馈电阻;感应线圈绕制在磁芯上,反馈线圈绕制在感应线圈上;所述前置放大器、反馈电阻和反馈线圈串联,共同构成磁路负反馈电路;
所述感应线圈的电感L和分布电容C与感应线圈的谐振点f满足:
Figure BDA0003849877270000021
所述前置放大器的放大倍数G≥1000dB,等效电压噪声不超过5nV,等效电流噪声不超过1fA;
所述反馈电阻的阻值为1千欧~10千欧。
优选地,所述感应线圈的匝数和磁芯尺寸对应的感应线圈的电感、所述感应线圈的绕制方式对应的感应线圈的分布电容,需满足
Figure BDA0003849877270000022
优选地,感应线圈为0.38mm直径漆包线,绕制在截面为10mmx10mm正方形,长度为600mm的磁芯上,圈数6000到20000匝,反馈线圈的匝数50匝。
优选地,所述感应线圈采用分段均匀绕制。
优选地,所述前置放大器包括:
第一级低噪声差分放大器,用于放大低噪声,并将放大后的差分信号送入第二级放大器;
第二级放大器,用于将差分信号转换成单端信号,送入第三级放大器;
第三级放大器,用于将信号滤波放大,送入射极跟随器和磁路反馈放大电路;
射极跟随器,用于将第三级放大器的输出信号转换成差分信号,输出至外部采集端;
磁路反馈放大电路,用于形成差分信号送入磁反馈线圈。
优选地,所述第一级低噪声差分放大器为运算放大器OPA2141,射极跟随器由一路射极跟随放大电路和一个反相放大电路串联。
优选地,所述感应线圈绕在线圈架上,磁芯通过灌封胶固定于线圈架中心的通孔处,并保持线圈架处于磁芯长度中心位置处。
优选地,所述感应式磁传感器还包括:水密防震的圆柱形绝缘壳体,用于将所有其他组件封装在内。
优选地,所述感应式磁传感器还包括:位于壳体表面的接插件,用于连接外部采集端和前置放大器。
优选地,所述感应式磁传感器应用于CSAMT方法。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效果:
本发明提出了一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器,通过优化设计线圈匝数、磁芯尺寸和线圈分段均匀绕制方式,使得线圈的谐振点落在工作频段中心频点;选择放大倍数超过1000的低噪声放大器,使得磁传感器具有最优的噪声指标,从而来提高磁传感器灵敏度;采用磁路负反馈技术抑制谐振,扩展磁传感器平坦部分带宽,使得磁传感器工作频段覆盖0.1Hz~200kHz,适用于10~1000米深度范围的地质勘测。
附图说明
图1为本发明提供的一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器示意图。
图2为本发明提供的感应式磁传感器等效电路图。
图3为本发明提供的在不同反馈系数α的磁传感器的幅频特性曲线图。
图4为本发明提供的前置放大器电路结构示意图。
图5为本发明实施例提供的第一级低噪声差分放大器电路图。
图6为本发明实施例提供的第二级放大器电路图。
图7为本发明实施例提供的第三级放大器电路图。
图8为本发明实施例提供的射极跟随器电路示意图。
图9为本发明实施例提供的带磁芯的磁路反馈放大电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。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。
图1为本发明提供的一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器示意图。如图1所示,所述感应式磁传感器包括:磁芯、感应线圈、反馈线圈、前置放大器和反馈电阻;感应线圈绕制在磁芯上,反馈线圈绕制在感应线圈上;所述前置放大器、反馈电阻和反馈线圈串联,共同构成磁路负反馈电路;所述感应线圈的电感L和分布电容C与感应线圈的谐振点f满足:
Figure BDA0003849877270000041
所述前置放大器的放大倍数G≥1000,等效电压噪声不超过5nV,等效电流噪声不超过1fA;所述反馈电阻的阻值为1千欧~10千欧。
优选地,所述感应线圈的匝数和磁芯尺寸对应的感应线圈的电感、所述感应线圈的绕制方式对应的感应线圈的分布电容,需满足
Figure BDA0003849877270000042
优选地,感应线圈为0.38mm直径漆包线,绕制在截面为10mmx10mm正方形,长度为600mm的磁芯上,圈数6000到20000匝,反馈线圈的匝数50匝。
图2为本发明提供的感应式磁传感器等效电路图。如图2所示,感应线圈L和反馈线圈Lf、磁芯和低噪声放大器决定磁传感器电气性能,R、L、C分别为感应线圈等效电阻、电感和分布电容。感应线圈L感应输出电压经过前置放大器G放大后通过反馈电阻Rf引入反馈线圈Lf,在反馈线圈中有电流通过后形成一个反馈磁场,从而对被测磁信号形成负反馈,对感应线圈在谐振频率点附近的频段输出信号进行负补偿,使得这一频段的输出信号幅度曲线光滑平整,提高磁传感器带宽。通常采用磁路负反馈可将频率扩展到0.1Hz-200kHz,磁路负反馈可减少磁传感器受温度、湿度和其它因素影响,提高磁传感器一致性和稳定性。
通常在感应线圈外面绕制了一层反馈线圈,设反馈线圈的电感值为Lf,反馈电阻为Rf,感应线圈与反馈线圈的互感系数为M,M值得计算采用公式
Figure BDA0003849877270000051
感应线圈与反馈线圈紧密耦合,其系数k取值为1,则
Figure BDA0003849877270000052
设放大电路的增益为G,感应线圈的传递函数H(ω)为:
Figure BDA0003849877270000053
其中,ω为角频率,μr为磁芯的有效导磁率,N为线圈匝数,S为磁芯截面积,G为放大器的放大倍数。
由系统传递函数可以看出系统幅频特性的低频截止频率为
Figure BDA0003849877270000054
高频截止频率为
Figure BDA0003849877270000055
可以看出,在反馈电阻一定即反馈深度不变的情况下,增大放大电路放大倍数G,反馈回路取样信号越强,反馈系数α越大,低频截止频率将降低,高频截止频率增大,这样有利于扩展频带宽度。
图3为本发明提供的在不同反馈系数α的磁传感器的幅频特性曲线图。如图3所示,当负反馈系数越大,负反馈越深,磁传感器在幅度平坦的频率范围越大,这在处理测量结果时很方便。磁路负反馈对磁场信号和放大器输入端噪声的作用是一样的,不改变输出信号信噪比。
优选地,所述感应线圈采用分段均匀绕制。
图4为本发明提供的前置放大器电路结构示意图。如图4所示,所述前置放大器包括:第一级低噪声差分放大器,用于放大低噪声,并将放大后的差分信号送入第二级放大器;第二级放大器,用于将差分信号转换成单端信号,送入第三级放大器;第三级放大器,用于将信号滤波放大,送入射极跟随器和磁路反馈放大电路;射极跟随器,用于将第三级放大器的输出信号转换成差分信号,输出至外部采集端;磁路反馈放大电路,用于形成差分信号送入磁反馈线圈。
工作过程如下:带磁芯感应主线圈电路的感应信号输入端接收磁感应信号,带磁芯感应主线圈电路的输出信号送到第一级低噪声差分放大器的两个输入端。经过第一级低噪声差分放大器放大后的信号送入第二级放大器的两个输入端,经过第二级放大器放大后将差分信号转换成单端信号,送给带低通滤波器功能的第三级放大器。带低通滤波器功能的第三级放大器经过滤波放大后将信号送给射极跟随器以及带磁芯的磁路反馈放大电路。带磁芯的磁路反馈放大电路将输出信号通过电阻分压取样送给放大器形成差分信号,此差分信号通过绕在主线圈外层的反馈线圈,形成一个反相磁场信号,形成磁路负反馈电路,使整个接收天线在线圈谐振点附近频段工作稳定。
优选地,所述第一级低噪声差分放大器为运算放大器OPA2141,射极跟随器由一路射极跟随放大电路和一个反相放大电路串联。
实施例
图5为本发明实施例提供的第一级低噪声差分放大器电路图。如图5所示,主线圈的两端接头接入第一级放大器的两个输入端,第一级放大器选用低噪声的运算放大器OPA2141,整个电路的放大倍数集中在第一级放大器,其放大倍数为(R3+R4+R5)/R4,由R3、R4、R5决定。本实施例中,R3=R5=10K,R4=100,放大倍数为201。放大后的差分信号,分别通过C5、C6隔离直流成分后,送入第二级放大器,C5=C6。
图6为本发明实施例提供的第二级放大器电路图。如图6所示,其为一个差分转单端输出的放大电路,将第一级放大器输出的信号进行放大后转成单端输出信号,其中R8=R9=10K,R10=R11=200K,放大倍数为R10/R8或R11/R9。
图7为本发明实施例提供的第三级放大器电路图。如图7所示,其为带低通滤波器的放大电路,其中R12=R14=10K,C7=100PF。放大倍数为C7与R14并联再除以R12。电容的作用是“隔直通交”,也就是隔离直流信号,通交流信号,当信号频率很高的时候,电容的容抗值
Figure BDA0003849877270000071
很小,根据电阻网络并连的计算原理可知,两个电阻并连后的阻值比这两个电阻都要小,故电容C7和R14并连后的阻值比它们都要小,当频率越高,C7容抗值越小,它们俩并连阻值越小,和R12组成的放大电路实际是变成了衰减电路,从而使高频信号不能通过,最终形成了低通滤波器,滤除高频200kHz以上的信号。
图8为本发明实施例提供的射极跟随器电路示意图。如图8所示,其中R24=R26=R27=R28=1K,其将第三级放大器的输出信号转换成差分信号输出,无放大作用。
图9为本发明实施例提供的带磁芯的磁路反馈放大电路示意图。如图9所示,其中R17=R18=R19=R20=R21=10K,R16=100K,送入磁反馈线圈输入端的信号取自第三级放大器的输出,取样信号的大小由R17/R18的比例决定,经过U4A和U4B两个放大器形成差分信号送入磁反馈线圈,磁反馈线圈将电压信号转换成磁场信号,在主线圈的谐振点附近频段进行反相磁场叠加,使得整个接收线圈在谐振点附近频段工作稳定。
优选地,所述感应线圈绕在线圈架上,磁芯通过灌封胶固定于线圈架中心的通孔处,并保持线圈架处于磁芯长度中心位置处。
优选地,所述感应式磁传感器还包括:水密防震的圆柱形绝缘壳体,用于将所有其他组件封装在内,实现防水和机械冲击力,同样适合水下环境使用。
优选地,所述感应式磁传感器还包括:位于壳体表面的接插件,用于连接外部采集端和前置放大器。
优选地,所述感应式磁传感器应用于CSAMT方法。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工作带宽为0.1Hz-200kHz的感应式磁传感器,包括:磁芯、感应线圈、反馈线圈、前置放大器和反馈电阻;感应线圈绕制在磁芯上,反馈线圈绕制在感应线圈上;所述前置放大器、反馈电阻和反馈线圈串联,共同构成磁路负反馈电路;其特征在于,
所述感应线圈的电感L和分布电容C与感应线圈的谐振点f满足:
Figure FDA0003849877260000011
所述前置放大器的放大倍数G≥1000,等效电压噪声不超过5nV,等效电流噪声不超过1fA;
所述反馈电阻的阻值为1千欧~10千欧。
2.如权利要求1所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述感应线圈的匝数和磁芯尺寸对应的感应线圈的电感、所述感应线圈的绕制方式对应的感应线圈的分布电容,需满足
Figure FDA0003849877260000012
3.如权利要求2所述的感应式磁传感器,其特征在于,感应线圈为0.38mm直径漆包线,绕制在截面为10mmx10mm正方形,长度为600mm的磁芯上,圈数6000到20000匝,反馈线圈的匝数50匝。
4.如权利要求2所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述感应线圈采用分段均匀绕制。
5.如权利要求1所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述前置放大器包括:
第一级低噪声差分放大器,用于放大低噪声,并将放大后的差分信号送入第二级放大器;
第二级放大器,用于将差分信号转换成单端信号,送入第三级放大器;
第三级放大器,用于将信号滤波放大,送入射极跟随器和磁路反馈放大电路;
射极跟随器,用于将第三级放大器的输出信号转换成差分信号,输出至外部采集端;
磁路反馈放大电路,用于形成差分信号送入磁反馈线圈。
6.如权利要求5所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述第一级低噪声差分放大器为运算放大器OPA2141,射极跟随器由一路射极跟随放大电路和一个反相放大电路串联。
7.如权利要求1所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述感应线圈绕在线圈架上,磁芯通过灌封胶固定于线圈架中心的通孔处,并保持线圈架处于磁芯长度中心位置处。
8.如权利要求1所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述感应式磁传感器还包括:水密防震的圆柱形绝缘壳体,用于将所有其他组件封装在内。
9.如权利要求8所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述感应式磁传感器还包括:位于壳体表面的接插件,用于连接外部采集端和前置放大器。
10.如权利要求1至9任一项所述的感应式磁传感器,其特征在于,所述感应式磁传感器应用于CSAMT方法。
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