高銘澤，梁連仲，賀寧波，吳天彪

(北京奧地探測儀器有限公司，北京 100015)

一種抗干擾高梯度容限質(zhì)子磁力儀傳感器的研究

高銘澤，梁連仲，賀寧波，吳天彪

(北京奧地探測儀器有限公司，北京 100015)

質(zhì)子磁力儀廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘查工作中，但存在測量精度低、梯度容限小等問題。為了提升質(zhì)子磁力儀的技術(shù)指標(biāo)，筆者在CZM系列質(zhì)子磁力儀傳感器的基礎(chǔ)上，通過對(duì)傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，使傳感器的梯度容限、抗干擾性能得到提升，工藝結(jié)構(gòu)和重量進(jìn)一步改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)子磁力儀傳感器的改進(jìn)提高了質(zhì)子磁力儀的技術(shù)性能和適用性，對(duì)新型磁力儀的推廣應(yīng)用和產(chǎn)品化生產(chǎn)有著積極意義。

質(zhì)子；磁力儀；傳感器；梯度；容限；抗干擾

0 引言

質(zhì)子磁力儀是一種常用的磁法勘探儀器。在磁法勘探工作中，由于地質(zhì)條件和工作環(huán)境復(fù)雜，各種磁性體產(chǎn)生的磁場與地磁場相互疊加，使得一定空間內(nèi)磁場梯度較大或存在一定干擾。因此，對(duì)質(zhì)子磁力儀傳感器的梯度容限和抗干擾性有較高的要求。質(zhì)子磁力儀的梯度容限是其在復(fù)雜環(huán)境下工作的關(guān)鍵指標(biāo)，決定了磁力儀在大磁場梯度環(huán)境下能夠正常工作的能力。目前國內(nèi)質(zhì)子磁力儀的標(biāo)稱梯度容限普遍為5000 nT/m，通過改進(jìn)傳感器探頭的結(jié)構(gòu)，提升質(zhì)子磁力儀的梯度容限和抗干擾能力，對(duì)研制適用于深部礦產(chǎn)資源勘查的高精度地面量子磁力儀系列產(chǎn)品，滿足國內(nèi)高精度地面磁法勘探的需求具有積極意義。本文作者對(duì)質(zhì)子磁力儀的傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和改進(jìn)，提高了傳感器的梯度容限和抗干擾能力。

1 技術(shù)背景

1.1 基本原理

質(zhì)子磁力儀是利用拉莫爾進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，使用激勵(lì)磁場對(duì)含有大量質(zhì)子的液體(通常稱之為“樣品”)進(jìn)行極化作用。被極化后的樣品中的質(zhì)子在被測磁場以及馳豫作用下將產(chǎn)生衰減的旋進(jìn)信號(hào)，信號(hào)的頻率與被測磁場的強(qiáng)弱成正比關(guān)系。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行接收和處理，測量信號(hào)頻率，就可以計(jì)算出被測磁場的大小。

質(zhì)子磁力儀由樣品、極化線圈、檢測線圈和讀數(shù)系統(tǒng)四個(gè)主要部分組成。其中質(zhì)子磁力儀傳感器包括了其中的樣品、極化和檢測線圈裝置，是質(zhì)子磁力儀的核心部分。質(zhì)子磁力儀傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在一個(gè)由絕緣材料制成的圓柱體密封容器中放入多層空心線圈，并在容器內(nèi)充滿富含氫原子的樣品溶液。樣品的選擇通常是穩(wěn)定性好、能長期工作，對(duì)漆包線和絕緣漆無腐蝕、溶解作用，橫向張弛時(shí)間足夠長的液體有機(jī)物或無機(jī)物。同時(shí)在容器內(nèi)需要使用相應(yīng)的屏蔽設(shè)計(jì)，提高抗干擾能力，保證信號(hào)質(zhì)量。

在極化過程中，傳感器線圈先接入電源，產(chǎn)生極化電流，對(duì)樣品進(jìn)行極化。之后，傳感器線圈將作為檢測線圈接收旋進(jìn)信號(hào)，將信號(hào)送入測量電路。旋進(jìn)信號(hào)的波形如圖1所示。

圖1 旋進(jìn)信號(hào)波形圖

在信號(hào)接收階段，傳感器線圈與磁力儀的放大電路可等效為一個(gè)LC諧振放大電路，如圖2所示。

圖2 傳感器與磁力儀系統(tǒng)的等效電路

其諧振頻率見公式(1)。

(1)

線圈在結(jié)構(gòu)上的改變，導(dǎo)致其電感值L變化，通過調(diào)節(jié)配諧電容組的電容值C，可以從不同的傳感器中，獲得相同頻率f的旋進(jìn)放大信號(hào)。

1.2 干擾

當(dāng)直流極化質(zhì)子磁力儀工作在戶外環(huán)境時(shí)，往往會(huì)受到來自外部的人文干擾，對(duì)讀數(shù)質(zhì)量造成影響。干擾的類型大致可分為以下三類：50 Hz的市電干擾，存在于使用交流電的地區(qū)，比如電器用具或高壓輸電線的附近；儀器附近的高頻調(diào)制設(shè)備在音頻段的重復(fù)頻率；中短波電臺(tái)的空間高頻信號(hào)，其分頻信號(hào)也會(huì)對(duì)質(zhì)子磁力儀造成干擾。由于質(zhì)子磁力儀的探頭主要構(gòu)成是空心線圈，線圈的電感特性會(huì)將接近磁力儀工作頻率的干擾信號(hào)調(diào)諧，產(chǎn)生噪聲輸出，使磁力儀本身旋進(jìn)信號(hào)受到影響，擾亂磁力儀的正常工作，所以必須采用一定的抗干擾措施。

1.3 梯度容限

質(zhì)子磁力儀探頭的梯度容限又稱為梯度容忍度或者最大可工作梯度。它是指在儀器尚能夠正常工作(并不一定是最好的讀數(shù)重復(fù)性)的情況下，被測磁場的最大梯度。例如，當(dāng)儀器的梯度容限為5000 nT/m時(shí)，其讀數(shù)重復(fù)性可能由原來的0.2～0.3 nT下降至2～3 nT，但此時(shí)仍能正常工作。這是由于在梯度較大的情況下，在探頭的有限空間范圍內(nèi)，磁場呈現(xiàn)出較大的不均勻性，使探頭在各點(diǎn)所收到的旋進(jìn)信號(hào)頻率都會(huì)有差異，繼而使相位也隨著時(shí)間推移，產(chǎn)生較大的差別。嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)差拍現(xiàn)象。有效信號(hào)在測量周期內(nèi)很快衰減，降低了信噪比，信號(hào)質(zhì)量變差。假設(shè)探頭的平均長度為0.1 m，磁場梯度達(dá)到5000 nT/m時(shí)，在探頭兩端的長度差為ΔT=500 nT，則其頻率差為Δf=ΔT/23.4874=21.288 Hz，即差拍周期1/Δf=46.5 ms，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)小于觀測時(shí)間0.2～1 s。在觀測時(shí)間窗口內(nèi)，會(huì)造成多次的信號(hào)幅度忽大忽小，使信噪比有時(shí)降的很低，影響讀數(shù)。由此可知，質(zhì)子磁力儀的梯度容限和傳感器線圈的形狀與結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，即在同等信號(hào)強(qiáng)度下隨著傳感器線圈的縮短而增大。

2 改進(jìn)方案

2.1 傳感器線圈的抗干擾結(jié)構(gòu)及改進(jìn)措施

圖3 線圈反向串聯(lián)時(shí)的等效電路

然而，由于線圈繞制過程導(dǎo)致線圈參數(shù)存在一定的不一致性，很難實(shí)現(xiàn)干擾噪聲的完全抵消，工藝上要求通過多組線圈相互配對(duì)，取得兩個(gè)電感線圈在尺寸、電感量與電阻等參數(shù)上差異盡可能小，構(gòu)成一組傳感器線圈。此種結(jié)構(gòu)可以抑制外界人文的交變場干擾，抑制相當(dāng)一部分的噪聲，增強(qiáng)傳感器的抗干擾能力。

此外，在傳感器線圈的外部，需要使用無磁性導(dǎo)電材料(例如黃銅紫銅)制作屏蔽層，對(duì)線圈進(jìn)行靜電屏蔽，屏蔽外界環(huán)境的高頻電場干擾。國內(nèi)同類已有的磁力儀傳感器，采用的是在探頭外殼內(nèi)側(cè)貼附圓筒形銅制柵殼的方式作為金屬屏蔽層。這種結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜，需要特別定制，制作成本高，且不易安裝。本方案中改進(jìn)了屏蔽層的構(gòu)成形式，選取有導(dǎo)電性能的屏蔽膠帶繞制，用作傳感器線圈的電磁屏蔽層。銅箔膠帶柔韌性好、厚度薄、易繞制，便于調(diào)整屏蔽層的尺寸和形狀。銅箔膠帶反面自帶黏性，可以緊貼傳感器線圈纏繞。此種屏蔽層具有較好的屏蔽效果，而且具有成本低、加工簡單、自身輕便等優(yōu)點(diǎn)，簡化了質(zhì)子磁力儀傳感器工藝的同時(shí)減輕了探頭的總體重量，見圖4。

圖4 新型傳感器結(jié)構(gòu)圖

傳感器信號(hào)線采用帶有屏蔽層的高品質(zhì)音頻導(dǎo)線，并在傳感器信號(hào)線引出處安裝無磁性金屬屏蔽殼，從而減少信號(hào)從傳感器線圈傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理電路這一過程中受到的外界干擾，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量。

2.2 線圈梯度容限與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

質(zhì)子磁力儀傳感器的梯度容限與傳感器線圈的形狀和尺寸密切相關(guān)。簡單的減小傳感器的尺寸，會(huì)使傳感器極化和感應(yīng)常數(shù)減小，使獲得的信號(hào)變?nèi)?，所以需要從傳感器的形狀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。

假設(shè)傳感器線圈固定于圓柱體容器上部，圓柱體的直徑為d，容器內(nèi)充滿溶液。此時(shí)，單個(gè)圓形線圈所圍成面積S1見公式(2)。

S1=π(d/2)2

(2)

由于圓柱體傳感器腔體的縱截面本身是一個(gè)矩形，在傳感器探頭體積基本不變的情況下，改變線圈形狀，使用矩形線圈，其邊長為d，那么矩形線圈所圍成面積S2見公式(3)。

S2=d2

(3)

即在同等大小的圓柱體傳感器容器內(nèi)，使用矩形線圈比傳統(tǒng)圓形線圈具有更大的有效面積，從而獲得更大的磁通量，極化效率更高。因此，可以通過調(diào)整矩形線圈的邊長，縮小線圈的體積，而獲得與圓形線圈相同強(qiáng)度的極化信號(hào)，見圖5。

圖5 傳感器線圈形狀與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

傳感器線圈繞制為矩形線圈，兩線圈的接合程度更好，耦合度更高，在保證信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí)，減小了傳感器線圈的整體尺寸，縮短了傳感器線圈兩端的距離，使得傳感器處于有梯度的磁場環(huán)境下時(shí)，線圈兩端所接收信號(hào)的頻率差減少，從而達(dá)到提高傳感器梯度容限的目的。

2.3 傳感器的容器材料改進(jìn)

為進(jìn)一步減輕傳感器探頭重量，傳感器容器外殼選用聚甲醛(密度約1.4 g/cm3)材料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃鋼(密度約2.0 g/cm3)作為傳感器外殼。聚甲醛具有高機(jī)械強(qiáng)度和剛性，可在-40 ℃～120 ℃的廣泛溫度范圍內(nèi)使用，同時(shí)還有自潤滑且耐磨性良好的特點(diǎn)，適合制作野外設(shè)備外殼。特別是良好的環(huán)境抵抗性和耐有機(jī)溶劑的特性，使得該種材料特別適合長期存放質(zhì)子磁力儀的樣品溶液。新型傳感器探頭在完成組裝后，質(zhì)量相比CZM-5型質(zhì)子磁力，由1145 g減少到978 g，減少了約14.6%。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 樣品溶液選擇測試

質(zhì)子磁力儀的傳感器“樣品”溶液對(duì)質(zhì)子磁力儀的極化同樣有著較大影響，在對(duì)傳感器的改進(jìn)試驗(yàn)過程中，對(duì)溶液的極化效率進(jìn)行了測試。選取四種溶液：調(diào)制煤油、醫(yī)用酒精(75%酒精)、無水乙醇(99.7%工業(yè)酒精)和純凈水。將這四種溶液分別注入四組結(jié)構(gòu)相同的傳感器內(nèi)。

在超低磁實(shí)驗(yàn)室屏蔽地磁場，使用亥姆霍茲線圈和恒流電源，產(chǎn)生不同大小和方向的磁場，以模擬不同地磁場環(huán)境情況。調(diào)節(jié)恒流源的電流，使亥姆霍茲線圈產(chǎn)生單一方向的恒定磁場，并分別將四個(gè)傳感器放置于亥姆霍茲線圈正中央進(jìn)行極化，再通過質(zhì)子磁力儀的放大電路將傳感器獲得的旋進(jìn)信號(hào)放大，在示波器上觀察放大電路輸出的旋進(jìn)信號(hào)的信號(hào)幅度和衰減時(shí)間并進(jìn)行對(duì)比。

四種不同樣品極化產(chǎn)生旋進(jìn)信號(hào)的結(jié)果為:調(diào)制煤油溶液產(chǎn)生旋進(jìn)信號(hào)幅度約4 Vp-p，弛豫時(shí)間約500 ms；純凈水產(chǎn)生的旋進(jìn)信號(hào)幅度約2 Vp-p，弛豫時(shí)間約200 ms；醫(yī)用酒精產(chǎn)生的旋進(jìn)信號(hào)幅度約2.5 Vp-p，弛豫時(shí)間約320 ms；無水乙醇產(chǎn)生的旋進(jìn)信號(hào)幅度約3.0 Vp-p，弛豫時(shí)間約400 ms。

實(shí)驗(yàn)可見，在測試設(shè)備、極化電流、磁場強(qiáng)度以及對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)相同條件下，極化調(diào)制煤油所獲得的旋進(jìn)信號(hào)幅度最大，信噪比最大可以達(dá)到50∶1，純凈水的旋進(jìn)信號(hào)幅度最小。故選擇調(diào)制煤油為質(zhì)子磁力儀傳感器的樣品溶液。

3.2 抗干擾實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，將質(zhì)子磁力儀的傳感器置于電磁屏蔽桶正中，電磁屏蔽桶可以屏蔽絕大部分的地磁場和大部分的電磁干擾，在屏蔽桶內(nèi)部正中央屏蔽效果是最好的。在質(zhì)子磁力儀不進(jìn)行極化的狀態(tài)下，質(zhì)子磁力儀放大電路主要將儀器的固有噪聲信號(hào)和干擾信號(hào)進(jìn)行放大。若改變傳感器位置，被屏蔽的外界電磁干擾將發(fā)生變化，而此時(shí)由于質(zhì)子磁力儀不進(jìn)行極化作用，并不會(huì)產(chǎn)生旋進(jìn)信號(hào)，放大電路將對(duì)變化的干擾信號(hào)進(jìn)行放大。分別將具有銅箔膠帶屏蔽層和不具有銅箔膠帶屏蔽層的傳感器置于屏蔽桶內(nèi)部，將傳感器從屏蔽桶內(nèi)部正中央向屏蔽桶外緩慢移動(dòng)，直至傳感器到達(dá)屏蔽桶邊緣。觀察經(jīng)過質(zhì)子磁力儀放大電路放大的干擾信號(hào)幅度變化情況，結(jié)果見表1。

表1 干擾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表1可知，當(dāng)質(zhì)子磁力儀傳感器移動(dòng)至屏蔽筒邊緣干擾增大時(shí)，有銅箔膠帶屏蔽層的傳感器相比無銅箔屏蔽層的傳感器，噪聲明顯得到了抑制。由此可見銅箔膠帶屏蔽層具有良好的屏蔽空間干擾的作用。

3.3 梯度容限野外實(shí)驗(yàn)

梯度容限實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)在北京市順義區(qū)北務(wù)鎮(zhèn)一處遠(yuǎn)離城區(qū)和交通道路、遠(yuǎn)離工業(yè)干擾的樹林中，選取一塊地磁場平穩(wěn)的平坦地帶。以一臺(tái)金杯面包車南北方向停置作為產(chǎn)生磁梯度的磁性體，在距離車身約1.5 m處布置傳感器探頭及木質(zhì)刻度裝置。刻度裝置離地面約0.5 m水平放置，最小刻度距離1 cm，質(zhì)子磁力儀的傳感器沿刻度裝置由遠(yuǎn)及近移動(dòng)向汽車發(fā)動(dòng)機(jī)靠近，每個(gè)點(diǎn)位讀取5個(gè)數(shù)據(jù)，觀察重復(fù)性。若重復(fù)性不超過100 nT，視為儀器梯度容限可以在該點(diǎn)磁梯度下進(jìn)行測量(未超過梯度容限)。繼續(xù)移動(dòng)傳感器，直至儀器不能讀數(shù)測量，此時(shí)根據(jù)相鄰點(diǎn)的讀數(shù)平均數(shù)與最后移動(dòng)的距離，可以計(jì)算出傳感器所在位置的磁梯度即為傳感器的梯度容限，見表2。

通過實(shí)驗(yàn)可知，新型傳感器的在梯度容限5000 nT/m時(shí)工作正常。實(shí)際測得新型傳感器的梯度容限最高可達(dá)8000 nT/m。

4 結(jié)論

(1)對(duì)傳感器線圈的形狀和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)室內(nèi)與野外實(shí)驗(yàn)測試，表明使用該傳感器的質(zhì)子磁力儀系統(tǒng)梯度容限優(yōu)于8000 nT/m。

表2 野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)設(shè)計(jì)制作了新型的銅箔膠帶屏蔽層，降低了工藝成本，其對(duì)空間干擾有較好的屏蔽作用。

(3)通過對(duì)傳感器材料和生產(chǎn)工藝上的改進(jìn)，使得質(zhì)子磁力儀的傳感器更輕巧，也更適宜批量生產(chǎn)。

研制的抗干擾高梯度容限的質(zhì)子磁力儀傳感器適用于新型高精度磁法測量，對(duì)新型磁力儀的推廣應(yīng)用和產(chǎn)品化生產(chǎn)具有積極意義。

[1] 吳天彪.磁法儀器[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 1992.

[2] 吳天彪. 我國地面重磁儀器的現(xiàn)狀與前景[J]. 地質(zhì)裝備, 2007, 8(2):11-16.

[3] 秦葆瑚. 磁法勘探中的梯度測量(續(xù))[J]. 物探與化探, 1980, 4(3):17-22.

[4] 賀寧波. 質(zhì)子磁力儀梯度容限增強(qiáng)技術(shù)[J]. 物探與化探,2016,40(04):820-825.

[5] 談昕,張毅,王雷,等. GSM-19T質(zhì)子磁力儀性能測試[J]. 地震地磁觀測與研究,2015,36(05):40-45.

[6] 張昌達(dá). 航空磁力梯度張量測量——航空磁測技術(shù)的最新進(jìn)展[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2006, 3(5):354-361.

[7] 王應(yīng)吉,劉珈言,于雷,等. 質(zhì)子磁力儀傳感器線圈參數(shù)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(11):1506-1511.

[8] 葛健, 趙志卓, 董浩斌,等. 直流脈沖極化質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀磁場傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2014, 35(4):850-858.

[9] 趙志鵬, 董浩斌. 低功耗高精度質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀的設(shè)計(jì)[J]. 石油管材與儀器, 2007, 21(2):13-15.

[10] 李偉,林陽. 替代屏蔽罩金屬蓋的電磁屏蔽膠帶性能研究[J]. 安全與電磁兼容,2014,(05):78-80+89.

[11] 熊海錕, 劉偉德. 電磁屏蔽膠帶及其應(yīng)用[C]//中國膠粘劑技術(shù)與信息交流會(huì). 2008.

[12] 蔡敏. 抗干擾質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀的研制[D].吉林大學(xué),2016.

2017-09-19

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目，2014AA06A611

高銘澤(1988-)，男，工程師，主要從事磁法勘探儀器的研發(fā)工作；E-mail:hbzero@126.com。

P631.23

A

1009-282X(2017)06-0020-04