一种一次场补偿式电磁探测装置的制作方法

1.本技术涉及到电磁探测领域，具体而言，涉及一种一次场补偿式电磁探测装置。


背景技术：

2.随着工程施工、资源勘探的进行，一些浅层、超浅层的地质问题也暴露出来。为了解决这些地质问题，近几年开发出了一些新的浅层物探方法来解决这些问题。基于电磁法探测的方法其中重要的一种方法手段。
3.各种介质及物体的电学特性(包括电阻率、电化学特性、介电性、导磁系数等)具有一定的差异，能形成一定规律的天然和人工电磁场。探测并研究天然的或人工建立的电磁场的分布规律来达到研究地质构造、寻找矿藏、探测地下目的物的目的。基于电磁法探测的浅层、超浅层物探可以有效的解决工程上很多其他方法难以解决的难题，并有快速、便捷、经济的特点，随着城市化进程的加速，其方法技术、应用领域不断拓展。
4.基于电磁法探测的方法是向目标介质发射一定能量的电流(一般称为一次场)，对目标介质产生激励，然后快速关断电流源，通过电或磁传感器感应并记录目标介质的激励响应(一般称为二次场)曲线，分析不同介质的响应曲线特征，进而表征目标介质的电学特性。时间域电磁探测的优点是二次场响应曲线直观、分辨率高，克服了一次场影响后可以探测超浅层目标体，大大缩减甚至消除探测“盲区”。
5.但是，由于电子器件的特性，以及发射传感器本身的电容、电感特性，使得发射电流不能达到理论上的快速关断需求，从而造成一次场掺杂在二次场响应曲线的早期时刻，造成浅部信息“湮没”，产生浅部探测“盲区”。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种一次场补偿式电磁探测装置，以至少解决现有电磁探测装置所存在的问题。
7.根据本技术的一个方面，提供了一种一次场补偿式电磁探测装置，包括：发射线圈、补偿线圈和接收传感器，其中，所述发射线圈和所述补偿线圈的形状相同，均为规则形状，所述补偿线圈为多个，所述多个补偿线圈中的每个线圈的物理参数和电学参数均相同；所述发射线圈包围所述补偿线圈，所述补偿线圈包围所述接收传感器；所述发射线圈、所述补偿线圈和所述接收传感器在垂直方向共轴心；所述发射线圈和所述接收传感器位于第一平面上，所述补偿线圈位于与所述第一平面不同的平面上。
8.进一步地，所述物理参数包括以下至少之一：形状、尺寸、绕线工艺、材质、直径、匝数；和/或，所述电学参数包括以下至少之一：电阻、电容、电感。
9.进一步地，所述补偿线圈为两个。
10.进一步地，所述补偿线圈中的第一线圈所在的平面为第二平面，所述补偿线圈中的第二线圈所在的平面为第三平面，所述第二平面与所述第三平面以及所述第一平面平行，所述第二平面和所述第三平面之间的距离为所述补偿线圈的直径的n倍，所述第一平面
在所述第二平面和所述第三平面之间，其中，所述n大于等于1。
11.进一步地，所述第一平面到所述第二平面的垂直距离与所述第一平面到所述第三平面的垂直距离相等。
12.进一步地，所述补偿线圈中的两个线圈同向串联，绕线方向一致。
13.进一步地，所述发射线圈和所述补偿线圈反向串联，反向串联后的两端接线分别接入发射系统的正输出接线口和负输出接线口，所述接收传感器的两端接线接入接收系统的信号输入端；所述补偿线圈的两端并联一个电阻r。
14.进一步地，所述电阻r的阻值被配置为能够使得所述发射线圈和所述补偿线圈的磁感应强度相同，并且磁感应强度方向相反。
15.进一步地，所述发射线圈和所述补偿线圈的形状为以下之一：圆形、矩形、规则的多边形。
16.进一步地，所述接收传感器为以下之一：线圈、磁通门、磁棒。
17.在本技术实施例中，采用了发射线圈和补偿线圈的形状相同，均为规则形状，所述补偿线圈为多个，所述多个补偿线圈中的每个线圈的物理参数和电学参数均相同；所述发射线圈包围所述补偿线圈，所述补偿线圈包围所述接收传感器；所述发射线圈、所述补偿线圈和所述接收传感器在垂直方向共轴心；所述发射线圈和所述接收传感器位于第一平面上，所述补偿线圈位于与所述第一平面不同的平面上。通过本技术解决了现有电磁探测装置所存在的问题，从而克服时间域一次场掺杂在二次场响应曲线的早期时刻，造成浅部信息“湮没”，产生浅部探测“盲区”的缺点，解决了接收传感器相对发射线圈和补偿线圈位置的严格要求，提高了测量稳定性和精度。
附图说明
18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
19.图1是根据本技术实施例的一次场补偿式电磁探测装置的俯视图。
20.图2是根据本技术实施例的一次场补偿式电磁探测装置的侧视图。
21.图3是根据本技术实施例的一次场补偿式装置连接示意图及等效电路图。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
23.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
24.在本实施例中提供了一种一次场补偿式电磁探测装置，包括：发射线圈、补偿线圈和接收传感器，其中，所述发射线圈和所述补偿线圈的形状相同，均为规则形状，所述补偿线圈为多个，所述多个补偿线圈中的每个线圈的物理参数和电学参数均相同；所述发射线圈包围所述补偿线圈，所述补偿线圈包围所述接收传感器；所述发射线圈、所述补偿线圈和所述接收传感器在垂直方向共轴心；所述发射线圈和所述接收传感器位于第一平面上，所
述补偿线圈位于与所述第一平面不同的平面上。
25.通过补偿线圈位置上的设置，解决了现有电磁探测装置所存在的问题，从而克服时间域一次场掺杂在二次场响应曲线的早期时刻，造成浅部信息“湮没”，产生浅部探测“盲区”的缺点，解决了接收传感器相对发射线圈和补偿线圈位置的严格要求，提高了测量稳定性和精度。
26.补偿线圈的物理参数和电学参数可以有很多种，例如，所述物理参数包括以下至少之一：形状、尺寸、绕线工艺、材质、直径、匝数；和/或，所述电学参数包括以下至少之一：电阻、电容、电感。
27.所述补偿线圈可以是偶数个，在一个优选实施例中为两个。
28.此时，所述补偿线圈中的第一线圈所在的平面为第二平面，所述补偿线圈中的第二线圈所在的平面为第三平面，所述第二平面与所述第三平面以及所述第一平面平行，所述第二平面和所述第三平面之间的距离为所述补偿线圈的直径的n倍，所述第一平面在所述第二平面和所述第三平面之间，其中，所述n大于等于1，比较优的，n取值为1。
29.所述第一平面到所述第二平面的垂直距离与所述第一平面到所述第三平面的垂直距离相等。如果是多于两个的偶数个线圈，则偶数个线圈之间的距离相同，所在的平面均与第一平面平行，在所述第一平面两边的线圈数量相等。
30.本实施例中的所述补偿线圈中的两个线圈同向串联，绕线方向一致。所述发射线圈和所述补偿线圈反向串联，反向串联后的两端接线分别接入发射系统的正输出接线口和负输出接线口，所述接收传感器的两端接线接入接收系统的信号输入端；所述补偿线圈的两端并联一个电阻r。可选地，所述电阻r的阻值被配置为能够使得所述发射线圈和所述补偿线圈的磁感应强度相同，并且磁感应强度方向相反。
31.在本实施例中，所述发射线圈和所述补偿线圈的形状为以下之一：圆形、矩形、规则的多边形。所述接收传感器为以下之一：线圈、磁通门、磁棒。
32.下面结合一个可选的实施方式进行说明，在该可选实施方式中，一次场补偿式装置垂直方向和水平方向对称，且垂直方向共轴心，水平中心共面；一次场补偿式装置的发射线圈和补偿线圈形状必须完全一样且规则；一次场补偿式装置的补偿线圈为两个物理参数(形状、尺寸、绕线工艺、铜线匝数、铜线直径、铜线材质等)和电学参数(电阻、电感、电容等)均完全一样、平行且共轴心的组合线圈，两个线圈的间距等于线圈直径。其中，发射线圈位于最外层，包含补偿线圈；补偿线圈线圈位于中间层，包含接收传感器；接收传感器位于最内层。
33.可选地，本实施例中的一次场补偿式装置的发射线圈和补偿线圈形状包括但不限于圆形、方形、多边形，接收传感器包括但不限于线圈、磁通门、磁棒。
34.一次场补偿式装置中的发射线圈和补偿线圈反向串联后，两端接线分别接入发射系统的正输出接线端口和负输出接线端口；补偿线圈的两个组合线圈同向串联，绕线方向一致；接收传感器两端接线接入接收系统的信号输入端。补偿线圈的两端并联一个电阻r，该电阻的阻值大小需根据一次场补偿式装置的参数及工艺，通过室内校正测试获得。
35.通过一次场补偿式参数调整，工艺设计，以及补偿线圈两端的并联电阻r阻值大小的调节，发射线圈和补偿线圈的磁感应强度应严格满足：
36.|b
发射
|＝|b
补偿
|
37.下面结合附图对本实施例进行说明。本实施例中的一次场补偿式装置包括发射线圈、补偿线圈、接收传感器，如图1、图2所示。一次场补偿式装置垂直方向和水平方向对称，且垂直方向共轴心，水平中心共面；一次场补偿式装置的发射线圈和补偿线圈形状必须完全一样且规则；一次场补偿式装置的补偿线圈为两个物理参数(形状、尺寸、绕线工艺、铜线匝数、铜线直径、铜线材质等)和电学参数(电阻、电感、电容等)均完全一样、平行且共轴心的组合线圈，两个线圈的间距等于线圈直径。其中，发射线圈位于最外层，包含补偿线圈；补偿线圈线圈位于中间层，包含接收传感器；接收传感器位于最内层。一次场补偿式装置的发射线圈和补偿线圈形状包括但不限于圆形、方形、多边形，接收传感器包括但不限于线圈、磁通门、磁棒。
38.图3示出了一次场补偿式装置的连接示意图及等效电路图，如图3所示，一次场补偿式装置中的发射线圈和补偿线圈反向串联后，两端接线分别接入发射系统的正输出接线端口和负输出接线端口；补偿线圈的两个组合线圈同向串联，绕线方向一致；接收传感器两端接线接入接收系统的信号输入端。补偿线圈的两端并联一个电阻r，该电阻的阻值大小需根据一次场补偿式装置的参数及工艺，通过室内校正测试获得。
39.校正测试的方法是：在相对无干扰、无磁场的屏蔽环境下，将一次场补偿式平稳的悬吊，发射系统发射一个固定频率、幅值的电流信号至发射线圈和补偿线圈，接收系统通过接收传感器测量接收信号幅值。当调节并联电阻r的阻值大小，使得接收信号幅值无限接近于零时的电阻值即为并联电阻r的确定阻值。
40.通过一次场补偿式装置参数调整，工艺设计，以及补偿线圈两端的并联电阻r阻值大小的调节，发射线圈和补偿线圈的磁感应强度应严格满足：
41.|b
发射
|＝|b
补偿
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
42.由于发射线圈和补偿线圈反向串联，电流方向相反，则磁感应强度方向相反，那么：
43.b
发射
＝-b
补偿
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
44.以圆形发射线圈，圆形接收线圈传感器为例：设圆形发射线圈匝数为n
发射
，发射线圈半径为r
发射
，补偿线圈半径为r
补偿
，圆形接收线圈传感器半径为r
接收
，真空磁导率为μ0，发射电流为i。根据biot-savart定律可以推导，发射线圈中心位置磁感应强度：
[0045][0046]
补偿线圈中心位置磁感应强度：
[0047][0048]
当圆形发射线圈和补偿线圈半径满足如下关系：
[0049][0050]
根据公式(1)(3)(4)可得：
[0051][0052]
设圆形发射线圈匝数为n
发射
＝40匝，发射线圈半径为r
发射
＝40cm，补偿线圈半径为r
补偿
＝20cm，圆形接收线圈传感器半径为r
接收
＝10cm，如图3所示。根据公式(5)计算可得n
补偿
＝14匝。
[0053]
通过上述实施例，克服了时间域一次场掺杂在二次场响应曲线的早期时刻，造成浅部信息“湮没”，产生浅部探测“盲区”的缺点，解决了接收传感器相对发射线圈和补偿线圈位置的严格要求，提高了测量稳定性和精度，解决浅层、超浅层电磁法探测的地质问题。
[0054]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。