CN220231991U - 一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，包括收发线圈装置和收发机装置；所述收发线圈装置内设有相同的两组收发线圈组件，均包括第一发射线圈、位于所述第一发射线圈内的接收线圈、位于所述接收线圈内的第二发射线圈；第一发射线圈的电流方向与第二发射线圈的电流方向相反，第一发射线圈在接收线圈内产生的磁通量与第二发射线圈在接收线圈内产生的磁通量大小相等且方向相反；所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈的电流方向与所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈的电流方向相反。本实用新型可以有效消除接收线圈由于外界干扰而产生的感应电动势，从而提高设备信噪比，方便后期数据处理。
Description
技术领域
本实用新型涉及瞬变电磁设备，具体涉及一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备。
背景技术
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods,TEM)又称为时间域电磁法，是一种常用的物理勘探方法，该方法工作原理是向接地导线或者不接地回线通入变化的电流，向探测区域发射一次场，目标地质体在一次场的作用下产生感应电流，随之产生二次场。在实际工作中，常常在一次场间隙时间来观测二次场。该方法主要应用在工程地质勘察、金属矿勘察、煤矿勘察等领域。现有的地面通常是布置一组发射线圈和一组接收线圈，实际探测时常有外界干扰磁场，数据信噪比低，给后期数据处理带来困扰。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，可以有效消除接收线圈由于外界干扰而产生的感应电动势，从而提高设备信噪比，方便后期数据处理。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，包括收发线圈装置和收发机装置；所述收发线圈装置内设有相同的两组收发线圈组件，且分别为第一收发线圈组件和第二收发线圈组件，所述第一收发线圈组件和所述第二收发线圈组件均包括第一发射线圈、位于所述第一发射线圈内的接收线圈、位于所述接收线圈内的第二发射线圈；所述收发机装置内设有第一发射机、第二发射机、第一接收机、第二接收机和差值处理电路板；所述第一发射机的发射端分别与所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈电连接，所述第二发射机的发射端分别与所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈电连接，所述第一接收机的接收端与所述第一收发线圈组件中的接收线圈电连接，所述第二接收机的接收端与所述第二收发线圈组件中的接收线圈电连接；所述第一接收机的信号输出端以及所述第二接收机的信号输出端均与所述差值处理电路板电连接；
当所述第一发射机分别所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈供电时，则在所述第一收发线圈组件中：第一发射线圈的电流方向与第二发射线圈的电流方向相反，第一发射线圈在接收线圈内产生的磁通量与第二发射线圈在接收线圈内产生的磁通量大小相等且方向相反；
当所述第二发射机分别所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈供电时，则在所述第二收发线圈组件中：第一发射线圈的电流方向与第二发射线圈的电流方向相反，第一发射线圈在接收线圈内产生的磁通量与第二发射线圈在接收线圈内产生的磁通量大小相等且方向相反；
所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈的电流方向与所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈的电流方向相反。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
进一步，所述差值处理电路板上集成有第一滤波放大器、第二滤波放大器、双通道ADC采集器和MCU；所述第一接收机的信号输出端通过所述第一滤波放大器电连接在所述双通道ADC采集器的一输入端上，所述第二接收机的信号输出端通过所述第二滤波放大器电连接在所述双通道ADC采集器的另一输入端上，所述双通道ADC采集器的两输出端对应电连接在所述MCU的两信号输入端上。
进一步，在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈共面铺设，且所述第一发射线圈的周长大于所述接收线圈的周长，所述接收线圈的周长大于所述第二发射线圈的周长。
进一步，所述第一收发线圈组件与所述线圈二组件共面设置。
进一步，在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为长度可调的线圈。
进一步，在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为周长可调的线圈。
进一步，在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为形状相同或形状不同的闭合线圈。
进一步，在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈的轴心相同或不同。
本实用新型的有益效果是：在本实用新型一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备中，由于各组收发线圈组件中两个发射线圈电流方向相反，并在接收线圈中产生的磁通量大小相等且方向相反，可以有效减小互感影响，从而使得接收线圈测量信号接近纯二次场信号；由于两组收发线圈组件中两个第一发射线圈的电流方向相反以及两个第二发射线圈的电流方向相反，因此两组收发线圈组件中两个接收线圈产生反向电流，所以两个接收线圈产生的一次场感应电压大小相等方向相反，将两个接收线圈产生的总感应电压进行差值计算即可抵消外界干扰，因此可以有效消除接收线圈由于外界干扰而产生的感应电动势，从而提高设备信噪比，方便后期数据处理。
附图说明
图1为本实用新型一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备的内部结构图；
图2为利用单组收发线圈组件进行瞬变电磁探测时补偿前的实测数据曲线图；
图3为利用本实用新型设备进行瞬变电磁探测时补偿后的实测数据曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
100、发线圈装置，200、收发机装置；
101、第一收发线圈组件；102、第二收发线圈组件；
1、线圈一；2、线圈二；3、线圈三；
1’、线圈四；2’、线圈五；3’、线圈六。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，包括收发线圈装置100和收发机装置200；所述收发线圈装置100内设有相同的两组收发线圈组件，且分别为第一收发线圈组件101和第二收发线圈组件102，所述第一收发线圈组件101和所述第二收发线圈组件102均包括第一发射线圈、位于所述第一发射线圈内的接收线圈、位于所述接收线圈内的第二发射线圈；其中，令：所述第一收发线圈组件101内的第一发射线圈为线圈一1，所述第一收发线圈组件101内的接收线圈为线圈二2，所述第一收发线圈组件101内的第二发射线圈为线圈三3；令：所述第二收发线圈组件102内的第一发射线圈为线圈四1’，所述第二收发线圈组件102内的接收线圈为线圈五2’，所述第二收发线圈组件102内的第二发射线圈为线圈六3’；所述收发机装置200内设有第一发射机、第二发射机、第一接收机、第二接收机和差值处理电路板；所述第一发射机的发射端分别与所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈电连接，所述第二发射机的发射端分别与所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈电连接，所述第一接收机的接收端与所述第一收发线圈组件中的接收线圈电连接，所述第二接收机的接收端与所述第二收发线圈组件中的接收线圈电连接；所述第一接收机的信号输出端以及所述第二接收机的信号输出端均与所述差值处理电路板电连接；
当所述第一发射机分别所述第一收发线圈组件11中的第一发射线圈(即线圈一1)以及第二发射线圈(即线圈三3)供电时，则在所述第一收发线圈组件11中：第一发射线圈(即线圈一1)的电流方向与第二发射线圈(即线圈三3)的电流方向相反，第一发射线圈(即线圈一1)在接收线圈(即线圈二2)内产生的磁通量与第二发射线圈(即线圈三3)在接收线圈(即线圈二2)内产生的磁通量大小相等且方向相反；
当所述第二发射机分别所述第二收发线圈组件12中的第一发射线圈(即线圈四1’)以及第二发射线圈(即线圈六3’)供电时，则在所述第二收发线圈组件12中：第一发射线圈(即线圈四1’)的电流方向与第二发射线圈(即线圈六3’)的电流方向相反，第一发射线圈(即线圈四1’)在接收线圈(即线圈五2’)内产生的磁通量与第二发射线圈(即线圈六3’)在接收线圈(即线圈五2’)内产生的磁通量大小相等且方向相反；
同时需要保证：所述第一收发线圈组件11中的第一发射线圈(即线圈一1)的电流方向与所述第二收发线圈组件12中的第一发射线圈(即线圈四1’)的电流方向相反；那么所述第一收发线圈组件11中的第二发射线圈(即线圈三3)的电流方向与所述第二收发线圈组件12中的第二发射线圈(即线圈六3’)的电流方向也是相反的。
在本实用新型中，由于两组收发线圈组件中两个第一发射线圈的电流方向相反以及两个第二发射线圈的电流方向相反，因此两组收发线圈组件中两个接收线圈产生反向电流(即两个接收线圈中产生的感应电流方向相反)，所以两个接收线圈产生的一次场感应电压大小相等方向相反，因此将两个接收线圈产生的一次场感应电压进行差值计算即可抵消外界干扰。
在本具体实施例中：
如图1所示，所述差值处理电路板上集成有第一滤波放大器、第二滤波放大器、双通道ADC采集器和MCU；所述第一接收机的信号输出端通过所述第一滤波放大器电连接在所述双通道ADC采集器的一输入端上，所述第二接收机的信号输出端通过所述第二滤波放大器电连接在所述双通道ADC采集器的另一输入端上，所述双通道ADC采集器的两输出端对应电连接在所述MCU的两信号输入端上。
具体的，第一滤波放大器和第二滤波放大器分别对第一接收机和第二接收机探测到的有效信号进行滤波放大，以避免电磁干扰，通过双通道ADC采集器对滤波放大后的两个有效信号进行同步采集以及AD转换，变换为MCU可以识别的数字信号，以方便MCU进行信号处理，MCU对双通道ADC采集器传输过来的两路信号做差值处理，即可消除外界干扰。需要注意的是，因为将两个接收线圈同一时刻产生的一次场感应电压进行差值计算即可抵消外界干扰，因此双通道ADC采集器需要同步采集两个接收机探测到的有效信号。需要说明的是：MCU进行差值处理的功能是MCU的现有功能，本实用新型不涉及计算机程序的改进，而是旨在保护各硬件以及各硬件之间的连接关系。
在本具体实施例中：
在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈共面铺设，且所述第一发射线圈的周长大于所述接收线圈的周长，所述接收线圈的周长大于所述第二发射线圈的周长；或/和，在所述第二收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈共面铺设，且所述第一发射线圈的周长大于所述接收线圈的周长，所述接收线圈的周长大于所述第二发射线圈的周长。具体的，所述第一收发线圈组件与所述线圈二组件共面设置；第一收发线圈组件与所述线圈二组件共面设置可以使得收发线圈装置1的形状更为扁平，体积更小，适合在狭小空间内使用。
在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为长度可调的线圈。
在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为周长可调的线圈。
在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为形状相同或形状不同的闭合线圈。
在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈的轴心相同或不同。
在本实用新型中，保证线圈一1和线圈三3内的电流方向相反，线圈二2内的总磁通量为零或近似为零，以及保证线圈四1’和线圈六3’内的电流方向相反，线圈五2’内的总磁通量为零或近似为零，即可满足实际工作的需要。
在本实用新型中，线圈一1和线圈四1’通入电流相反，线圈三3和线圈六3’通入电流相反。
在本实用新型中，假设：线圈一1由n1匝线圈缠绕构成，面积为S1，周长为C1，通入电流为I1，线圈三3由n3匝线圈缠绕构成，面积为S3，周长为C3，通入电流为I3；线圈二2由n2匝线圈缠绕构成，面积为S2。线圈四1’由n1′匝线圈缠绕构成，面积为S1′，周长为C1′，通入电流为-I1，线圈六3’由n3′匝线圈缠绕构成，面积为S3′，周长为C3′，通入电流为-I3；线圈五2’由n2′匝线圈缠绕构成，面积为S2′。
根据Biot-Savart定律推导接收线圈内任意一点的磁感应强度：
其中，μ0是真空磁导率，I(t)为发射线圈上通入的电流，dk是发射线圈上的线元矢量；l是接收线圈平面内积分点到发射线圈线元矢量dk之间的矢量距离，n为发射线圈匝数。
根据以上Biot-Savart定律可知：
线圈一1在线圈二2内产生的磁通量为：
线圈三3在线圈二2内产生的磁通量为：
线圈二2产生的一次场感应电压为：
同理：
线圈五2′产生的一次场感应电压为：
由于第一收发线圈组件和第二收发线圈组件中的线圈规格、长度、匝数、单圈周长均相同，
那么U2′＝-U2(1)
令：
U总2＝U干+U2 (2)
U总2′＝U干+U2′ (3)
其中，U干为线圈二2产生的干扰电压，也为线圈五2’产生的干扰电压；U总2为线圈二2产生的总电压；U总2′为线圈五2’产生的总电压。
由(2)-(3)可得：U总2-U总2′＝U干+U2-(U干+U2′)＝U2-U2′(4)
将(1)代入(4)可得：ΔU＝U总2-U总2′＝2×U2；
由此可知外界干扰可以完全消除。
通过上述分析，本实用新型将两个接收机接收到的有效信号经过差值处理电路板的滤波放大以及同步采集后作差值处理，即可将外界干扰完全消除，方便后期数据处理。
为了使线圈二2的一次场感应电压约为0，必须保证线圈二2内部一次场变化率为0或约为0，即在线圈二2内有：此时线圈二2内的总磁通量等于0(或约等于0)，也就是说在线圈二2中的总磁场约等于0。因此本可调节线圈一1、线圈三3通入电流大小、匝数、周长，以及线圈二2面积达到总磁场等于0或约等于0的目的。同理，线圈五2’也是如此。由于消除了外界感应电压，数据信噪比更高，极大提高了数据处理的准确性，测量效果精准可靠。
图2为利用单组收发线圈组件进行瞬变电磁探测时补偿前的实测数据曲线图，图3为利用本实用新型设备进行瞬变电磁探测时补偿后的实测数据曲线图,由此对比可知，本实用新型提供一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，可以有效消除接收线圈由于外界干扰而产生的感应电动势，从而提高设备信噪比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：包括收发线圈装置和收发机装置；所述收发线圈装置内设有相同的两组收发线圈组件，且分别为第一收发线圈组件和第二收发线圈组件，所述第一收发线圈组件和所述第二收发线圈组件均包括第一发射线圈、位于所述第一发射线圈内的接收线圈、位于所述接收线圈内的第二发射线圈；所述收发机装置内设有第一发射机、第二发射机、第一接收机、第二接收机和差值处理电路板；所述第一发射机的发射端分别与所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈电连接，所述第二发射机的发射端分别与所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈电连接，所述第一接收机的接收端与所述第一收发线圈组件中的接收线圈电连接，所述第二接收机的接收端与所述第二收发线圈组件中的接收线圈电连接；所述第一接收机的信号输出端以及所述第二接收机的信号输出端均与所述差值处理电路板电连接；
当所述第一发射机分别给所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈供电时，则在所述第一收发线圈组件中：第一发射线圈的电流方向与第二发射线圈的电流方向相反，第一发射线圈在接收线圈内产生的磁通量与第二发射线圈在接收线圈内产生的磁通量大小相等且方向相反；
当所述第二发射机分别给所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈以及第二发射线圈供电时，则在所述第二收发线圈组件中：第一发射线圈的电流方向与第二发射线圈的电流方向相反，第一发射线圈在接收线圈内产生的磁通量与第二发射线圈在接收线圈内产生的磁通量大小相等且方向相反；
所述第一收发线圈组件中的第一发射线圈的电流方向与所述第二收发线圈组件中的第一发射线圈的电流方向相反。
2.根据权利要求1所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：所述差值处理电路板上集成有第一滤波放大器、第二滤波放大器、双通道ADC采集器和MCU；所述第一接收机的信号输出端通过所述第一滤波放大器电连接在所述双通道ADC采集器的一输入端上，所述第二接收机的信号输出端通过所述第二滤波放大器电连接在所述双通道ADC采集器的另一输入端上，所述双通道ADC采集器的两输出端对应电连接在所述MCU的两信号输入端上。
3.根据权利要求1所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈共面铺设，且所述第一发射线圈的周长大于所述接收线圈的周长，所述接收线圈的周长大于所述第二发射线圈的周长。
4.根据权利要求3所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：所述第一收发线圈组件与所述第二收发线圈组件共面设置。
5.根据权利要求1所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为长度可调的线圈。
6.根据权利要求1所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为周长可调的线圈。
7.根据权利要求1所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈均为形状相同或形状不同的闭合线圈。
8.根据权利要求1所述的具有补偿功能的抗干扰瞬变电磁收发一体地面设备，其特征在于：在所述第一收发线圈组件中，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈以及所述接收线圈的轴心相同或不同。
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