一种抗干扰高梯度容限质子磁力仪传感器的研究

2017-12-20高铭泽梁连仲贺宁波吴天彪

地质装备 2017年6期

关键词：磁力仪质子极化

高铭泽，梁连仲，贺宁波，吴天彪

(北京奥地探测仪器有限公司，北京 100015)

一种抗干扰高梯度容限质子磁力仪传感器的研究

高铭泽，梁连仲，贺宁波，吴天彪

(北京奥地探测仪器有限公司，北京 100015)

质子磁力仪广泛应用于地质勘查工作中，但存在测量精度低、梯度容限小等问题。为了提升质子磁力仪的技术指标，笔者在CZM系列质子磁力仪传感器的基础上，通过对传感器机械结构和技术参数优化设计与实验研究，使传感器的梯度容限、抗干扰性能得到提升，工艺结构和重量进一步改善。实验结果表明，质子磁力仪传感器的改进提高了质子磁力仪的技术性能和适用性，对新型磁力仪的推广应用和产品化生产有着积极意义。

质子；磁力仪；传感器；梯度；容限；抗干扰

0 引言

质子磁力仪是一种常用的磁法勘探仪器。在磁法勘探工作中，由于地质条件和工作环境复杂，各种磁性体产生的磁场与地磁场相互叠加，使得一定空间内磁场梯度较大或存在一定干扰。因此，对质子磁力仪传感器的梯度容限和抗干扰性有较高的要求。质子磁力仪的梯度容限是其在复杂环境下工作的关键指标，决定了磁力仪在大磁场梯度环境下能够正常工作的能力。目前国内质子磁力仪的标称梯度容限普遍为5000 nT/m，通过改进传感器探头的结构，提升质子磁力仪的梯度容限和抗干扰能力，对研制适用于深部矿产资源勘查的高精度地面量子磁力仪系列产品，满足国内高精度地面磁法勘探的需求具有积极意义。本文作者对质子磁力仪的传感器结构进行了研究和改进，提高了传感器的梯度容限和抗干扰能力。

1 技术背景

1.1 基本原理

质子磁力仪是利用拉莫尔进动效应，使用激励磁场对含有大量质子的液体(通常称之为“样品”)进行极化作用。被极化后的样品中的质子在被测磁场以及驰豫作用下将产生衰减的旋进信号，信号的频率与被测磁场的强弱成正比关系。对该信号进行接收和处理，测量信号频率，就可以计算出被测磁场的大小。

质子磁力仪由样品、极化线圈、检测线圈和读数系统四个主要部分组成。其中质子磁力仪传感器包括了其中的样品、极化和检测线圈装置，是质子磁力仪的核心部分。质子磁力仪传感器的基本结构是在一个由绝缘材料制成的圆柱体密封容器中放入多层空心线圈，并在容器内充满富含氢原子的样品溶液。样品的选择通常是稳定性好、能长期工作，对漆包线和绝缘漆无腐蚀、溶解作用，横向张弛时间足够长的液体有机物或无机物。同时在容器内需要使用相应的屏蔽设计，提高抗干扰能力，保证信号质量。

在极化过程中，传感器线圈先接入电源，产生极化电流，对样品进行极化。之后，传感器线圈将作为检测线圈接收旋进信号，将信号送入测量电路。旋进信号的波形如图1所示。

图1 旋进信号波形图

在信号接收阶段，传感器线圈与磁力仪的放大电路可等效为一个LC谐振放大电路，如图2所示。

图2 传感器与磁力仪系统的等效电路

其谐振频率见公式(1)。

(1)

线圈在结构上的改变，导致其电感值L变化，通过调节配谐电容组的电容值C，可以从不同的传感器中，获得相同频率f的旋进放大信号。

1.2 干扰

当直流极化质子磁力仪工作在户外环境时，往往会受到来自外部的人文干扰，对读数质量造成影响。干扰的类型大致可分为以下三类：50 Hz的市电干扰，存在于使用交流电的地区，比如电器用具或高压输电线的附近；仪器附近的高频调制设备在音频段的重复频率；中短波电台的空间高频信号，其分频信号也会对质子磁力仪造成干扰。由于质子磁力仪的探头主要构成是空心线圈，线圈的电感特性会将接近磁力仪工作频率的干扰信号调谐，产生噪声输出，使磁力仪本身旋进信号受到影响，扰乱磁力仪的正常工作，所以必须采用一定的抗干扰措施。

1.3 梯度容限

质子磁力仪探头的梯度容限又称为梯度容忍度或者最大可工作梯度。它是指在仪器尚能够正常工作(并不一定是最好的读数重复性)的情况下，被测磁场的最大梯度。例如，当仪器的梯度容限为5000 nT/m时，其读数重复性可能由原来的0.2～0.3 nT下降至2～3 nT，但此时仍能正常工作。这是由于在梯度较大的情况下，在探头的有限空间范围内，磁场呈现出较大的不均匀性，使探头在各点所收到的旋进信号频率都会有差异，继而使相位也随着时间推移，产生较大的差别。严重时，会使信号出现差拍现象。有效信号在测量周期内很快衰减，降低了信噪比，信号质量变差。假设探头的平均长度为0.1 m，磁场梯度达到5000 nT/m时，在探头两端的长度差为ΔT=500 nT，则其频率差为Δf=ΔT/23.4874=21.288 Hz，即差拍周期1/Δf=46.5 ms，这个时间远小于观测时间0.2～1 s。在观测时间窗口内，会造成多次的信号幅度忽大忽小，使信噪比有时降的很低，影响读数。由此可知，质子磁力仪的梯度容限和传感器线圈的形状与结构有着密切的关系，即在同等信号强度下随着传感器线圈的缩短而增大。

2 改进方案

2.1 传感器线圈的抗干扰结构及改进措施

图3 线圈反向串联时的等效电路

然而，由于线圈绕制过程导致线圈参数存在一定的不一致性，很难实现干扰噪声的完全抵消，工艺上要求通过多组线圈相互配对，取得两个电感线圈在尺寸、电感量与电阻等参数上差异尽可能小，构成一组传感器线圈。此种结构可以抑制外界人文的交变场干扰，抑制相当一部分的噪声，增强传感器的抗干扰能力。

此外，在传感器线圈的外部，需要使用无磁性导电材料(例如黄铜紫铜)制作屏蔽层，对线圈进行静电屏蔽，屏蔽外界环境的高频电场干扰。国内同类已有的磁力仪传感器，采用的是在探头外壳内侧贴附圆筒形铜制栅壳的方式作为金属屏蔽层。这种结构加工复杂，需要特别定制，制作成本高，且不易安装。本方案中改进了屏蔽层的构成形式，选取有导电性能的屏蔽胶带绕制，用作传感器线圈的电磁屏蔽层。铜箔胶带柔韧性好、厚度薄、易绕制，便于调整屏蔽层的尺寸和形状。铜箔胶带反面自带黏性，可以紧贴传感器线圈缠绕。此种屏蔽层具有较好的屏蔽效果，而且具有成本低、加工简单、自身轻便等优点，简化了质子磁力仪传感器工艺的同时减轻了探头的总体重量，见图4。

图4 新型传感器结构图

传感器信号线采用带有屏蔽层的高品质音频导线，并在传感器信号线引出处安装无磁性金属屏蔽壳，从而减少信号从传感器线圈传输到信号调理电路这一过程中受到的外界干扰，保证信号传输质量。

2.2 线圈梯度容限与结构改进

质子磁力仪传感器的梯度容限与传感器线圈的形状和尺寸密切相关。简单的减小传感器的尺寸，会使传感器极化和感应常数减小，使获得的信号变弱，所以需要从传感器的形状结构上进行改进。

假设传感器线圈固定于圆柱体容器上部，圆柱体的直径为d，容器内充满溶液。此时，单个圆形线圈所围成面积S1见公式(2)。

S1=π(d/2)2

(2)

由于圆柱体传感器腔体的纵截面本身是一个矩形，在传感器探头体积基本不变的情况下，改变线圈形状，使用矩形线圈，其边长为d，那么矩形线圈所围成面积S2见公式(3)。

S2=d2

(3)

即在同等大小的圆柱体传感器容器内，使用矩形线圈比传统圆形线圈具有更大的有效面积，从而获得更大的磁通量，极化效率更高。因此，可以通过调整矩形线圈的边长，缩小线圈的体积，而获得与圆形线圈相同强度的极化信号，见图5。

图5 传感器线圈形状与结构的关系

传感器线圈绕制为矩形线圈，两线圈的接合程度更好，耦合度更高，在保证信号强度的同时，减小了传感器线圈的整体尺寸，缩短了传感器线圈两端的距离，使得传感器处于有梯度的磁场环境下时，线圈两端所接收信号的频率差减少，从而达到提高传感器梯度容限的目的。

2.3 传感器的容器材料改进

为进一步减轻传感器探头重量，传感器容器外壳选用聚甲醛(密度约1.4 g/cm3)材料，代替传统玻璃钢(密度约2.0 g/cm3)作为传感器外壳。聚甲醛具有高机械强度和刚性，可在-40 ℃～120 ℃的广泛温度范围内使用，同时还有自润滑且耐磨性良好的特点，适合制作野外设备外壳。特别是良好的环境抵抗性和耐有机溶剂的特性，使得该种材料特别适合长期存放质子磁力仪的样品溶液。新型传感器探头在完成组装后，质量相比CZM-5型质子磁力，由1145 g减少到978 g，减少了约14.6%。

3 实验测试

3.1 样品溶液选择测试

质子磁力仪的传感器“样品”溶液对质子磁力仪的极化同样有着较大影响，在对传感器的改进试验过程中，对溶液的极化效率进行了测试。选取四种溶液：调制煤油、医用酒精(75%酒精)、无水乙醇(99.7%工业酒精)和纯净水。将这四种溶液分别注入四组结构相同的传感器内。

在超低磁实验室屏蔽地磁场，使用亥姆霍兹线圈和恒流电源，产生不同大小和方向的磁场，以模拟不同地磁场环境情况。调节恒流源的电流，使亥姆霍兹线圈产生单一方向的恒定磁场，并分别将四个传感器放置于亥姆霍兹线圈正中央进行极化，再通过质子磁力仪的放大电路将传感器获得的旋进信号放大，在示波器上观察放大电路输出的旋进信号的信号幅度和衰减时间并进行对比。

四种不同样品极化产生旋进信号的结果为:调制煤油溶液产生旋进信号幅度约4 Vp-p，弛豫时间约500 ms；纯净水产生的旋进信号幅度约2 Vp-p，弛豫时间约200 ms；医用酒精产生的旋进信号幅度约2.5 Vp-p，弛豫时间约320 ms；无水乙醇产生的旋进信号幅度约3.0 Vp-p，弛豫时间约400 ms。

实验可见，在测试设备、极化电流、磁场强度以及对信号的放大倍数相同条件下，极化调制煤油所获得的旋进信号幅度最大，信噪比最大可以达到50∶1，纯净水的旋进信号幅度最小。故选择调制煤油为质子磁力仪传感器的样品溶液。

3.2 抗干扰实验

在实验室环境中，将质子磁力仪的传感器置于电磁屏蔽桶正中，电磁屏蔽桶可以屏蔽绝大部分的地磁场和大部分的电磁干扰，在屏蔽桶内部正中央屏蔽效果是最好的。在质子磁力仪不进行极化的状态下，质子磁力仪放大电路主要将仪器的固有噪声信号和干扰信号进行放大。若改变传感器位置，被屏蔽的外界电磁干扰将发生变化，而此时由于质子磁力仪不进行极化作用，并不会产生旋进信号，放大电路将对变化的干扰信号进行放大。分别将具有铜箔胶带屏蔽层和不具有铜箔胶带屏蔽层的传感器置于屏蔽桶内部，将传感器从屏蔽桶内部正中央向屏蔽桶外缓慢移动，直至传感器到达屏蔽桶边缘。观察经过质子磁力仪放大电路放大的干扰信号幅度变化情况，结果见表1。

表1 干扰实验数据表

由表1可知，当质子磁力仪传感器移动至屏蔽筒边缘干扰增大时，有铜箔胶带屏蔽层的传感器相比无铜箔屏蔽层的传感器，噪声明显得到了抑制。由此可见铜箔胶带屏蔽层具有良好的屏蔽空间干扰的作用。

3.3 梯度容限野外实验

梯度容限实验的地点在北京市顺义区北务镇一处远离城区和交通道路、远离工业干扰的树林中，选取一块地磁场平稳的平坦地带。以一台金杯面包车南北方向停置作为产生磁梯度的磁性体，在距离车身约1.5 m处布置传感器探头及木质刻度装置。刻度装置离地面约0.5 m水平放置，最小刻度距离1 cm，质子磁力仪的传感器沿刻度装置由远及近移动向汽车发动机靠近，每个点位读取5个数据，观察重复性。若重复性不超过100 nT，视为仪器梯度容限可以在该点磁梯度下进行测量(未超过梯度容限)。继续移动传感器，直至仪器不能读数测量，此时根据相邻点的读数平均数与最后移动的距离，可以计算出传感器所在位置的磁梯度即为传感器的梯度容限，见表2。

通过实验可知，新型传感器的在梯度容限5000 nT/m时工作正常。实际测得新型传感器的梯度容限最高可达8000 nT/m。