一种三频高灵敏度空心感应线圈传感器

1.本发明属于半航空频率域电磁法地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种三频高灵敏度空心感应线圈传感器。


背景技术：

2.随着工业化与城镇化进程的加速，油气、铁、铜等重要矿产资源需求始终处于上升态势。矿产资源已成为社会发展的重要基础。半航空频率域电磁法广泛应用于资源勘查及地质结构探测中，具有探测效率高、范围广以及地形适用性强等优势，对地下低阻异常体具有较高的探测灵敏度。为了测量频率域信号，将大功率发射机布置于地面，并向地下发射可控交流电磁场。大地稳态响应随频率变化产生涡流，向地面反射电磁波。搭载于无人机等空中飞行平台的接收系统对反射回的电磁波信号进行采集。通过分析接收数据，可以反演出地下不同电性结构的介电参数差异，从而实现对地层分布的快速勘察。
3.中国专利cn201510039201公开了一种频率域半航空电磁勘探方法，该方法采用地面发射，空中接收电磁波信号的工作模式，提取信号的频谱并通过全区视电阻率法反演解释地下电性结构，是一种新型的电磁勘探方法。工作于地面的发射系统，通过多台级联向地下发射多频伪随机波，激发一次可获得多个频率的信号，大大提高了探测效率。接收系统搭载在飞行器上，在测区上空测量磁场，能够适应地表结构复杂的环境同时减弱了近场影响引起的静态效应，拓展了电磁勘探的探测范围，此方法适用于地表条件恶劣区域的深部探测，具有探测范围广、探测深度大、探测效率高等特点。
4.虽然半航空频率域电磁勘探方法可大大提高了探测效率，但接收系统中的感应线圈传感器在发射频率附近的干扰较为明显，其信噪比低的问题并未解决，探测精度有待提高。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种三频高灵敏度空心感应线圈传感器，解决半航空感应线圈传感器的信噪比低的问题。
6.本发明是这样实现的，
7.一种三频高灵敏度空心感应线圈传感器，该传感器包括在线圈骨架中的一个轨道中缠绕感应线圈，线圈骨架的另一个轨道反向缠绕的反馈线圈，所述感应线圈的输出端经过前置放大器放大处理，前置放大器的输出端接三频陷波器进行反馈，经过三频陷波器的反馈信号滤除与三频陷波器相同的三个频率信号后输出至反馈线圈，反馈线圈产生除陷波频率相同频率的反向磁场，与噪声磁场相抵消，所述三频陷波器的三个陷波频率与发射频率或接收频率一致。
8.进一步地，所述线圈骨架为圆环形状，且圆环外侧有双凹槽轨道。
9.进一步地，线圈骨架为非导电材料。
10.进一步地，线圈骨架上均匀分布三个吊环，通过非金属线缆首端与三个吊环连接，
非金属线缆尾端与无人机连接，并通过无人机悬吊三频高灵敏度空心感应线圈传感器。
11.进一步地，三频陷波器的陷波频率为1024hz、2048hz、4096hz，是三个不同频率的陷波器依次串联组成。
12.进一步地，所述三频陷波器与反馈线圈之间设置可调节的反馈电阻，通过调节反馈电阻的大小调节反馈电流。
13.进一步地，前置放大器、三频陷波器以及电源集成在线圈骨架上，与吊环同侧。
14.本发明与现有技术相比，有益效果在于：
15.本发明装置通过三频陷波器和反馈线圈形成的反馈通道，可以将噪声磁场抑制到较低水平，而不会抑制被检测的三个频率信号，在不削弱有效信号的条件下可增加传感器的信噪比，使接收系统的探测精度有所增加，而且改进成本低，易于使用。
附图说明
16.图1三频高灵敏度空心感应线圈传感器工作示意图
17.图2为图1中的电路结构示意图
18.图3为图1中的结构示意图
19.图4为图3应用在半航空频域电磁探测系统示意图
20.图5为图1中的传感器幅频特性对比效果图；
21.其中，1无人机、2吊绳、3三频高灵敏度空心感应线圈传感器、4发射电极、5大功率发射机、341感应线圈、342反馈线圈、321前置放大器、322三频陷波器、311第一吊环、312第二吊环、313第三吊环、33线圈骨架、32前置放大器、三频陷波器和电源的集成模块。
具体实施方式
22.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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.参见图1结合图2和图3所示，本发明用于的半航空频率域电磁法地球物理勘探技术的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，包括感应线圈341、反馈线圈342、前置放大器321和三频陷波器322组成。
24.线圈骨架33为圆环形状，且圆环外侧有双凹槽轨道。为非导电材料。在线圈骨架中的一个轨道中缠绕感应线圈，线圈骨架的另一个轨道反向缠绕的反馈线圈，所述感应线圈的输出端经过前置放大器放大处理，前置放大器的输出端接三频陷波器进行反馈，经过三频陷波器的反馈信号滤除与三频陷波器相同的三个频率信号后输出至反馈线圈，反馈线圈产生除陷波频率相同频率的反向磁场，与噪声磁场相抵消，所述三频陷波器的三个陷波频率与发射频率或接收频率一致。
25.参见图2所示，为三频高灵敏度空心感应线圈传感器的电路原理示意图，其中vi、l、r、c分别为感应线圈的感应电压、电感、电阻、寄生电容，vo为传感器的输出电压，rf为反馈电阻，lf为反馈线圈的电感，m为感应线圈和反馈线圈的互感系数。三频陷波器与反馈线圈之间设置的可调节的反馈电阻，通过调节反馈电阻的大小调节反馈电流。
26.本发明相对最为常见的普通感应线圈传感器，由于普通感应线圈传感器在谐振处
灵敏度最高，但带宽较低；本发明相对磁通反馈线圈传感器，由于该传感器是在感应线圈外侧反向缠绕反馈线圈，反馈线圈的输入端与传感器的输出端连接，达到反馈的目的，与普通感应线圈相比，增加了带宽，但降低了灵敏度。
27.结合半航空频率域电磁法地球物理勘探技术这类场景，并结合普通感应线圈和磁通反馈线圈的各自优势，本发明设计一种三个频点高信噪比探测，而对其他频率几乎无法探测的线圈传感器，该传感器是在磁通反馈线圈传感器的基础上进行了改进和优化，反馈信号首先经过三频陷波器，其陷波器的陷波频率为1024hz、2048hz和4096hz，经过陷波器的反馈信号滤除了1024hz、2048hz和4096hz的频率信号，而其他频率的噪声信号可几乎无损地通过陷波器后送至反馈线圈，反馈线圈产生了除1024hz、2048hz和4096hz频率的反向磁场，即反向噪声，与噪声磁场相抵消，相当于对其他频率进行了有抑制，而被测的1024hz、2048hz和4096hz电磁信号没有反馈或反馈量极少，被测频率相当于处于开环状态，可实现高灵敏度、低噪声的指标。其中，可通过减小反馈电阻rf，来增加反馈电流，从而提高反馈深度。
28.参见图3所示，为三频高灵敏度空心感应线圈传感器的结构图，感应线圈均匀地缠绕在线圈骨架上侧轨道内，反馈线圈均匀缠绕在线圈骨架下侧轨道内，前置放大器、三频陷波器和电源作为集成体32被集成在线圈骨架上方。
29.参见图3结合图4，本发明线圈骨架上均匀分布三个吊环，分别为第一吊环311、第二吊环312、第三吊环313，通过非金属线缆2首端与三个吊环连接，非金属线缆尾端与无人机连接，并通过无人机1悬吊三频高灵敏度空心感应线圈传感器3。大功率发射机5通过导线连接发射电极4并为探测区域提供激励，大功率发射机发射三频1024hz、2048hz和4096hz伪随机序列，三频高灵敏度空心感应线圈传感器通过无人机悬吊并在探测区域进行飞行探测，其中传感器接收发射系统激励的探测区域的二次电磁场。
30.参见图5所示，在使用同一感应线圈的条件下的不同性能对比，普通感应线圈在2048hz的谐振点处灵敏度最高，但信噪比较低，而磁通反馈线圈在谐振频率处的响应已经被大幅度的抑制，使磁通反馈线圈的带宽最宽，而三频感应线圈方案在1024hz、2048hz和4096hz频点既能保持与普通感应线圈的高灵敏度，又能在这三个频点以外快速衰减，从而获得较高的信噪比。
31.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。

技术特征：
1.一种三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，该传感器包括在线圈骨架中的一个轨道中缠绕感应线圈，线圈骨架的另一个轨道反向缠绕的反馈线圈，所述感应线圈的输出端经过前置放大器放大处理，前置放大器的输出端接三频陷波器进行反馈，经过三频陷波器的反馈信号滤除与三频陷波器相同的三个频率信号后输出至反馈线圈，反馈线圈产生除陷波频率相同频率的反向磁场，与噪声磁场相抵消，所述三频陷波器的三个陷波频率与发射频率或接收频率一致。2.按照权利要求1所述的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，所述线圈骨架为圆环形状，且圆环外侧有双凹槽轨道。3.按照权利要求1所述的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，线圈骨架为非导电材料。4.按照权利要求1所述的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，线圈骨架上均匀分布三个吊环，通过非金属线缆首端与三个吊环连接，非金属线缆尾端与无人机连接，并通过无人机悬吊三频高灵敏度空心感应线圈传感器。5.按照权利要求1所述的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，三频陷波器的陷波频率为1024hz、2048hz、4096hz，是三个不同频率的陷波器依次串联组成。6.按照权利要求1所述的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，所述三频陷波器与反馈线圈之间设置可调节的反馈电阻，通过调节反馈电阻的大小调节反馈电流。7.按照权利要求4所述的三频高灵敏度空心感应线圈传感器，其特征在于，前置放大器、三频陷波器以及电源集成在线圈骨架上，与吊环同侧。

技术总结
发明涉及半航空频率域电磁法地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种三频高灵敏度空心感应线圈传感器，包括线圈骨架中的一个轨道缠绕的感应线圈，以及线圈骨架另一个轨道反向缠绕的反馈线圈，所述感应线圈的输出端经过前置放大器放大处理，三频陷波器接前置放大器的输出端进行反馈，经过三频陷波器的反馈信号滤除与三频陷波器相同的三个频率信号后输出至反馈线圈，反馈线圈产生除陷波频率相同频率的反向磁场，与噪声磁场相抵消，所述三频陷波器的三个陷波频率与发射频率或接收频率一致，通过该传感器的设计，并结合半航空频率域电磁方法，可以提升特定频率的信号信噪比，从而优化半航空数据解释能力。空数据解释能力。空数据解释能力。


技术研发人员：林君 佟野 滕飞 徐琳 刘守斌
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/9/23