甚低频感应式磁探头设计

文/张碧勇，重庆电子工程职业学院

1 感应式磁探头研究背景

瞬变电磁探测技术已广泛应用于矿井水害探测中，取得了较好的效果。在探测过程中，主要采用重叠回线方式进行探测。该方式接收线圈为空心线圈，有效面积通常只有几十平方米，灵敏度低；同时，由于采用重叠回线方式探测，感应电压没有解析解，容易产生假异常。因此，为提高天线灵敏度，并采用具有解析解的中心回线方式探测，研究高灵敏度磁芯探头是井下瞬变电磁发展的方向。

近些年来我国地球物理领域所用的高灵敏度磁探头主要应用于地面物探，国内目前关于此类磁传感器的介绍非常少，北京大地华龙公司研制的TEM-16K 瞬变电磁仪探头，井下瞬变电磁探头只有中煤科工集团西安研究院有限公司YCS2000A-T 矿用本安型瞬变电磁仪接收天线用于实际探测中，有效面积为450m2。因此，为提高天线灵敏度，并采用具有解析解的中心回线方式探测，提出并设计矿井用低频高灵敏度磁探头。

2 磁探头工作原理和研究方案

2.1 磁探头工作原理

矿用高灵敏度磁探头主要由线圈、磁芯以及调理电路组成，其基本原理是法拉第电磁感应定律。通过绕制的线圈感应穿过它内部磁通量的变化，从而产生感应电动势，而加入高磁导率的磁芯，可以将信号增大几十甚至几百倍。当外磁场发生变化时，在线圈轴线与磁场平行的方向产生感应电压V(t)如公式1 所示:

2.2 总体设计方案

鉴于目前地面磁芯天线已得到长足发展，地面中心回线瞬变电磁勘查技术已经比较成熟，本论文的研究采用借鉴吸收和自主创新的技术路线。对于磁片等难以自主开发的部件，将直接从厂家根据要求定制，而其它部件包括辅助设备将自主开发，最终进行整个系统集成。研究过程中将始终坚持采用理论计算结果作为系统研制的指导和模型实验结果作为系统性能验证的方法。

高灵敏度磁探头主要由磁芯、骨架、线圈、信号调理电路、电屏蔽几个部分组成。磁芯采用高磁导率的1J85 坡莫合金薄片叠加而成，单个叠片的厚度为0.1mm。骨架采用ABS 材料加工而成，线圈采用分格分段乱绕的方式进行。电屏蔽采用柔性电路板，包裹在骨架外面。信号调理电路对线圈调谐匹配、差分放大、单端输出。探头总体方案如1 图所示.

2.3 各模块的技术特征

磁片采用错位叠加工艺，磁片错位叠加技术和特性退火工艺可以提高磁芯有效磁导率；分段绕制技术及工艺，磁芯天线分段绕制方法，在提高探头有效面积的同时，提高探头带宽；弱信号调理电路研制，通过前端调谐技术、匹配网络技术、差分放大技术和高阶滤波技术，实现瞬变电磁弱信号调理；柔性电路电屏蔽技术及工艺，通过柔性电路板与磁芯探头巧妙结合，对环境电噪声进行屏蔽；人性化结构设计，为方便井下便携式携带和人性化使用，对探头结构进行优化；磁探头参数计算，为精确测量二次场感应电压，需对磁探头有效面积、本底噪声、频带及灵敏度进行计算。

图1 总体设计方案

3 高磁导率磁芯的选择

常用作磁芯的材料有铁氧体、坡莫合金、纳米晶合金。它们的初始磁导率、最大磁导率、适应频率范围有较大差异。由于铁氧体的导磁率对温度的稳定性较差，所以，坡莫合金、非晶态合金、纳米晶合金均较适合做传感器的磁芯。坡莫合金与非晶态合金、纳米晶合金的电阻率并无大的区别，可以通过采用叠片磁芯的方法来控制磁芯的涡流损耗，而且坡莫合金薄带较软比非晶态合金和纳米晶合金更容易做成叠片磁芯，同时价格便宜，所以采用坡莫合金1J8 5 做磁芯，由250 层厚0.1mm 的叠片磁芯组成，磁芯长0.3m，叠片间彼此绝缘。

4 研究结论

通过对低频磁探头的研究，磁芯采用薄片叠加技术、线圈采用分格分段乱绕方式进行绕线，通过阻抗匹配、调理电路对微弱信号调理放大，完成了矿用安型高灵敏度天线的设计。磁探头具有体积小、重量轻、便于携带的特点。

空气中电磁干扰很严重，对于高灵敏度的磁探头需要在电磁屏蔽环境中进行测试，标定。将感应式磁传感器放入通电螺线管中，其中间区域为匀强磁场，通过已知的电流可计算出当前的磁场强度，实际测得传感器的灵敏度为26μV/nT.Hz，达到国内先进水平。测得磁探头的主要技术指标：谐振频率: 20kHz 灵敏度：26μV/nT.Hz。