專利名稱：一種用于淺層csamt方法的感應(yīng)式磁傳感器的發(fā)明的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為探測深度為0 IOOm之間的可控源大地電磁測深(CSAMT)儀器的核心 部件，主要解決目前淺層CSAMT方法的磁場傳感器體積龐大，適應(yīng)性差、穩(wěn)定性差等問題。 可用于工程地質(zhì)精細(xì)調(diào)查、地下溶洞分布調(diào)查、大型水利工程地質(zhì)情況調(diào)查、大型建筑物地 基勘探等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，重大工程的實(shí)施日益增多，如修建高樓大廈、修建 高速鐵路、大型水利工程等。在此過程中了解工程區(qū)域的地下深度為100米以內(nèi)精細(xì)地質(zhì) 情況尤為重要，如溶洞分布、采空區(qū)分布等。實(shí)踐表明施工區(qū)淺層(深度在100米以內(nèi))地 質(zhì)情況將直接影響工程施工的進(jìn)行，如果能采用合適勘探儀器，準(zhǔn)確的勘查地質(zhì)狀況，則可 以指導(dǎo)工程布局、指導(dǎo)鉆探、打樁施工，提高鉆探、打樁成功率，降低施工成本、減低事故發(fā) 生率，為生命安全提供保障。電磁法是探測地下目標(biāo)的手段之一，它利用電磁波的穿透特性，接收來自地下的 電磁波，反演出地下目標(biāo)的特征與分布情況。CSAMT方法作為電磁法之一，具有廣泛的應(yīng)用， 目前CSAMT方法多用于探測地下200 1000米范圍內(nèi)的礦產(chǎn)資源勘探中，但是他對于淺層 的100米的分辨率并不理想，其原因在于缺乏接收頻率在IOKHz IOOKHz范圍內(nèi)的磁場傳 感器。目前市場較多的為工作頻率為IOKHz以下的磁場傳感器，IOKHz以上的傳感器普遍信 號(hào)反應(yīng)差、體積龐大、不便于攜帶等缺點(diǎn)。本發(fā)明著眼解決這一問題，為淺層CSAMT技術(shù)提高合適的磁場傳感器，它具有體 積小、噪聲低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合工程化的CSAMT方法。

發(fā)明內(nèi)容
感應(yīng)式磁場傳感器是采用電磁感應(yīng)定律(法拉第定律)設(shè)計(jì)的磁場傳感器，當(dāng)外 界存在待測變化磁場B時(shí)，在置于磁場的線圈兩端存在電壓差，可以表示為e = -rtJsi^-(公式 1)
dt其中，η表示線圈的匝數(shù)，s表示線圈的截面積，負(fù)號(hào)表示線圈的電壓差與磁場的 變化成反比關(guān)系。當(dāng)在線圈中放置可以增強(qiáng)B的軟磁材料后，B可表示為B= μ app μ 0Η (公式 2)其中，μ app表示軟磁材料的有效磁導(dǎo)率，如果不放置任何磁性材料，此值為1 表示真空中的磁導(dǎo)率，為4 π X IO^7H □ πΓ1，H為磁場強(qiáng)度。本發(fā)明依據(jù)法拉第定律設(shè)計(jì)的感應(yīng)式磁場傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中中心位置 為高磁導(dǎo)率磁芯，用于增強(qiáng)B ；在磁芯外層帶有一層薄環(huán)氧樹脂套，用于包含磁芯不受外界 撞擊，在環(huán)氧樹脂套上，分組繞制多匝漆包線線圈，線圈的引線接入低噪聲放大電路，放大 電壓信號(hào)，放大電路輸出最后接入數(shù)據(jù)采集板。
3
此外發(fā)明還包括靜電場屏蔽罩、線圈支撐架等輔助性部件。整體結(jié)構(gòu)采用磁流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，如圖2所示，待測磁場H在磁芯材料中產(chǎn)生B，變化 的B在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生電壓V，電壓經(jīng)過前置放大器分為兩路，一路經(jīng)過第二級放大器、濾 波送至數(shù)據(jù)采集板，一路經(jīng)過反饋回路送至輸入端，反饋回路包括反饋電阻與產(chǎn)生磁流的 線圈，所產(chǎn)生的磁流與待測磁場相反。磁流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)等效電路為如圖3所示。則可以表示為輸出電壓Vo可以表示為 K=_G_
_4] e X+ja(K + GM)-Lfor (公式 3)
ΚβV0表示傳感器輸出電壓，e表示感應(yīng)線圈的感應(yīng)電壓，G表示放大器增益，Rsc表示 線圈熱電阻大小，Rfb表示反饋電阻的大小，Lp表示感應(yīng)線圈電感大小，C表示放大器輸入端 電容與感應(yīng)線圈電容的綜合值。聯(lián)立公式1，則可以表示為 Vh _ -J^MaprASG^+GMO-LpCfy2 (公式 4)
RJh上式中，V。表示輸出電壓，ω表示頻率，N1表示為主線圈的圈數(shù)，S表示磁芯截面 積，G表示放大器增益，Rfb表示反饋電阻。上式是在《Ls □ Rfb的條件下獲得。磁流反饋的等效噪聲圖如圖4所示，則輸入電壓噪聲可以有如下表達(dá)式
ι P=I P \l +J^RscC-ω2 LpCf1^；Y (公式 5)
\ +JMRxcC+ -^--)-ω2 LpC κβ 表示折合到放大器輸入端的等效電壓噪聲電平， 表示放大器輸入電壓噪聲大 小。電流噪聲引起的電壓噪聲可以表示為
I |2=|. |2l^'1MG 2(公式 6)
\ + jm{RscC +-)-0)2 LpC
Rjheis。表示折合到放大器輸入端的輸入電流噪聲產(chǎn)生的等效電壓噪聲電平，in表示 放大器輸入電流噪聲大小。感應(yīng)線圈的熱噪聲 可以表示為‘ 1 . .D GM. τ ‘(公式 7)
Κ.β反饋電阻引起的輸入噪聲^fb
\er/h\'=
ωΜ
R
β
^khTAfR,
l + jco(KC+G^-)-w2LpC
Kth
2
(公式8) 忽略其他噪聲帶來的影響，則輸入端帶來的噪聲可以表示為 IeJ2 = eni|2+|e
isc I +1 erfb I + I er I
(公式9) 由此計(jì)算傳感器的靈敏度，即傳感器的本底噪聲，噪聲越低越好t


圖1感應(yīng)式磁傳感器結(jié)構(gòu)2磁流負(fù)反饋結(jié)構(gòu)3磁流負(fù)反饋等效電路4系統(tǒng)噪聲等效模型
具體實(shí)施例方式1.磁芯實(shí)現(xiàn)方式構(gòu)成磁芯的磁性材料具有參數(shù)為相對磁導(dǎo)率μ r (或稱初始磁導(dǎo)率)，有效磁導(dǎo)率 可以通過相對磁導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算得到，由如下公式表示
_ Mr
剛 "=丨+ (代一丨)(公式10)Nb為消磁因子常數(shù)，可以表示為
D2 21NB ξ -fO^ln f — 1)(公式丄 D
1CDC其中L。、Dc分別磁芯的長度和直徑。本方案選擇磁芯磁導(dǎo)率在30 000以上的1J85型號(hào)坡莫合金，其主要成分是 FeNiMo 17% -78% -5%,1J85型坡莫合金由于其較高的初始磁導(dǎo)率，廣泛用于磁傳感器中。 本方案設(shè)計(jì)長徑比為40 1，具體尺寸還考慮到工作中的便攜性，感應(yīng)線圈的靈敏度等因 素。磁芯采用厚度為0. 03mm的坡莫合金帶材疊放而成，層層之間材料高溫絕緣氧化物涂 層，再經(jīng)過熱處理、定型、測試。最后涂層厚度約為疊片厚度的1/4。實(shí)際上，磁芯材料的初始磁導(dǎo)率是溫度、壓力等外界因素的敏感性函數(shù)，當(dāng)溫度變 化時(shí)，μZ變化可能在數(shù)倍左右。由公式可知，適當(dāng)?shù)拈L徑比可以使得在μZ變化較大的情 況下，μ e值保持不變。根據(jù)公式 ο計(jì)算得到的有效磁導(dǎo)率為388，當(dāng)初始磁導(dǎo)率變化30 000 100 000之間時(shí)，有效磁導(dǎo)率的變化在以內(nèi)。這樣的設(shè)計(jì)既考慮到有效利用到高 磁導(dǎo)率磁性材料的性能，又兼顧磁芯性能的穩(wěn)定性。2.感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)方式感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)目的是選擇合適線圈結(jié)構(gòu)，達(dá)到線圈電性能參數(shù)L、R、C達(dá)到預(yù)期值。由電磁理論可知，當(dāng)l。/d?！?10時(shí)，電感值可以近似表示為
權(quán)利要求
1.一種用于淺層可控源大地電磁測深方法(CSAMT)的感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于， 包括高磁導(dǎo)率磁芯，用于增強(qiáng)CSAMT磁場信號(hào)強(qiáng)度； 多匝漆包線線圈，用于將CSAMT磁場信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)； 低噪聲放大電路，用于將電壓信號(hào)進(jìn)行放大，直至可以觀測； 磁流負(fù)反饋回路，用于改善磁傳感器的頻率特性； 靜電屏蔽罩，用于屏蔽靜電場對線圈所產(chǎn)生的影響，增強(qiáng)觀測可靠性。
2.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于工作帶寬為IOKHz ΙΟΟΚΗζ，用于感應(yīng)探測區(qū)域淺層的磁場信號(hào)，分辨淺層地質(zhì)電導(dǎo) 率異常體。
3.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，包含的高磁導(dǎo)率磁芯包括采用坡莫合金帶材疊放而成，帶材表面涂有MgO高溫絕緣層，減小磁場在磁芯內(nèi)的渦 流場；帶材厚度小于磁場信號(hào)的趨膚深度； 帶材成分包含鐵元素、鉬元素、鎳元素。
4.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，包含的漆包線線圈包括 漆包線線圈采用準(zhǔn)隨機(jī)繞法繞制和分成多個(gè)段組繞制，以減小自身的分布電容大小； 包括數(shù)萬扎線圈；采用中心位置繞制多層，兩端層數(shù)逐漸減小的方法繞制，以增強(qiáng)電感值。
5.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，包含的低噪聲放大電路包括 低噪聲放大電路的等效輸入電壓噪聲、電流噪聲與感應(yīng)線圈阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)輸出噪聲最??；包含BJT或者FFT差分放大器、運(yùn)算放大器等集成電路與相應(yīng)的濾波器。
6.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁傳感器，其特征在于，包含的磁流負(fù)反饋回路包括 反饋電阻，用于控制反饋電流大小；反饋負(fù)線圈，用于產(chǎn)生反饋磁流，抵消原磁場信號(hào)。
7.一種高磁導(dǎo)率磁芯設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括采用有限元方法計(jì)算磁芯帶材中的渦流場分布，選擇符合條件的帶材； 計(jì)算磁芯的有效磁導(dǎo)率，量化磁場信號(hào)增強(qiáng)幅度大小； 提取磁芯等效損耗阻抗，用于衡量磁芯損耗。
8.一種低噪聲放大電路設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括采用阻抗匹配法優(yōu)化前置放大器的工作狀態(tài)，使其等效輸出噪聲最??； 采用多級放大結(jié)構(gòu)，使得被檢測信號(hào)逐步放大至可觀測值； 采用電容仿真軟件，如ADS、PSPICE等，實(shí)現(xiàn)其前期仿真。
9.一種磁流負(fù)反饋回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括采用輸出電壓信號(hào)，產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生與原磁場方向相反的磁場，抵消原磁場，達(dá)到 提高觀測帶寬的目的；采用深負(fù)反饋條件，實(shí)現(xiàn)其觀測帶寬內(nèi)增益平坦化。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種用于淺層CSAMT方法的感應(yīng)式磁傳感器，解決了工作頻率在10KHz～100KHz的CSAMT觀測方法中的磁場信號(hào)的收集。本發(fā)明采用了在高磁導(dǎo)率細(xì)長磁芯上纏繞多匝漆包線線圈感應(yīng)待測磁場信號(hào)，并將感應(yīng)信號(hào)送入低噪聲放大器進(jìn)行信號(hào)，達(dá)到可觀測范圍的電壓信號(hào)。整個(gè)傳感器采用磁流負(fù)反饋形式實(shí)現(xiàn)。磁流負(fù)反饋是將輸出信號(hào)通過反饋電阻與次線圈的方式反饋到輸入，以增大線圈的工作帶寬，增強(qiáng)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性。實(shí)踐證明本發(fā)明中的感應(yīng)式磁場傳感器具有噪聲低、響應(yīng)函數(shù)平坦等優(yōu)點(diǎn)，適合CSAMT的工程運(yùn)用。
文檔編號(hào)G01V3/10GK102147482SQ20101010665
公開日2011年8月10日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者朱萬華 申請人:朱萬華