时间域电磁法磁感应强度B的测量装置及测量方法.pdf

本发明涉及一种时间域电磁法磁感应强度B的测量装置及测量方法，是由单片机经电源系统分别连接磁通门磁力仪和信号处理及采集系统，单片机经同步电路连接通门磁力仪，探头经通门磁力仪与单片机连接，单片机经同步电路连接信号处理及采集系统，空心线圈经信号处理及采集系统与单片机连接，发射线圈经发射机和计算机与单片机连接构成。通过空心线圈和磁通门磁力仪的联合应用，利用低频特性较好的磁通门磁力仪进行相对稳定磁场的测量，利用高频特性较好的空心线圈并结合插值、积分计算进行变化较快的磁场的测量，可精确测得磁感应强度B随时间的变化关系曲线，得出较佳的反演模型数据，提高反演解释的准确性和可靠性。

1.  一种时间域电磁法磁感应强度B的测量装置，其特征在于，是由单片机 (1)经电源系统(2)分别连接磁通门磁力仪(3)和信号处理及采集系统(4)，单片机(1) 经同步电路(9)连接通门磁力仪(3)，探头(6)经通门磁力仪(3)与单片机(1)连接，单 片机(1)经同步电路(8)连接信号处理及采集系统(4)，空心线圈(5)经信号处理及采 集系统(4)与单片机(1)连接，发射线圈(11)经发射机(10)和计算机(7)与单片机(1) 连接构成。

2.  按照权利要求1所述的时间域电磁法磁感应强度B的测量装置，其特征 在于，磁通门磁力仪(3)是由偏置系统(19)经反馈电路(20)、选频放大器(12)、带 通滤波器(13)、相敏检波器(14)、低通滤波器(15)和积分器(16)与反馈电路(20) 连接，反馈电路(20)经二分频电路(17)、公用振荡器(21)和一分频电路(18)与相 敏检波器(14)连接构成。

3.  按照权利要求1所述的时间域电磁法磁感应强度B的测量装置，其特征 在于，信号处理及采集系统(4)是由前置放大电路(22)经低通滤波电路(23)、电压 变换电路(24)、浮点放大电路(25)和高速模数转换电路(26)与时序控制电路(27) 链接构成。

4.  一种时间域电磁法磁感应强度B的测量方法，包括以下步骤：
A、计算机(7)设置叠加次数后，开始测量，单片机(1)获得发射机某一桥臂的 PWM信号；
B、在PWM信号为由低电平跳高电平的上升沿时，启动磁通门磁力仪(3) 和探头(6)，同时同步电路(8)给出控制信号，关闭信号处理及采集系统(4)和空心 线圈(5)；
C、磁通门磁力仪(3)和探头(6)开启后，探头将待测的瞬变电磁磁感应强度B 的变化调制为二分频电信号，以此测得有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁 感应强度；
D、单片机对测得的数据进行多次叠加取平均后，将得到的数据送给计算机 7进行存储；
E、在PWM信号由高电平跳为低电平时，单片机1发出同步信号，经同步 电路(8)启动信号处理及采集系统(4)和空心线圈(5)，同时同步电路(9)给出控制信 号，关闭磁通门磁力仪(3)和探头(6)；
F、启动信号处理及采集系统(4)和空心线圈(5)后，由空心线圈(5)测得的数 据在时序控制电路(27)控制下送给单片机(1)，以此测得随时间t衰减值，并 将测量结果送给计算机7进行存储；
G、在方波信号即将由低电平跳为高电平时，单片机(1)发出同步信号，经同 步电路(9)启动磁通门磁力仪(3)和探头(6)，同时同步电路(8)给出控制信号，关闭 信号处理及采集系统(4)和空心线圈(5)，测得发射桥路关断后衰减信号后期相对 稳定的磁感应强度；
H、单片机(1)对测得的数据进行多次叠加平均后，将数据送给计算机(7)进 行存储；
I、重复多次测量计算机(7)设定的叠加次数，对计算机(7)存储的数据进行多 次叠加平均后，得到B₀₊(或B_0-)、B_z+(或B_z-)和随时间变化的函数， 其中B₀₊为正周期有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度，B_0-为负周 期有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度，随时间变化的函数是 通过对计算机(7)存储器中的数值进行多次叠加取平均后，对得到的随时间t变化 的离散点进行插值运得到的，B_z+为正周期发射桥路关断后衰减信号后期相对稳 定的磁感应强度，B_z-为负周期发射桥路关断后衰减信号后期相对稳定的磁感应 强度；
J、依据积分公式B₀₊、B_z+及PWM信号的上升沿和下降沿时刻， 求得正周期时间域电磁法磁感应强度B随时间变化关系函数，同理，依据公式 B_0-和B_z-及方波信号的上升沿和下降沿时刻，求得负周期时间域电磁 法磁感应强度B随时间变化关系函数。

时间域电磁法磁感应强度B的测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种地球物理勘探设备及方法，尤其是时间域电磁法磁感应强度 B的测量装置及方法。
背景技术
时间域电磁法(TEM)是一种常用的地球物理勘探方法，在时间域电磁法 探测过程中，接收机接收的信号是接收线圈感应到的电压信号，即为线圈匝数、A为线圈面积)，在反演解释过程中，通常是将探测结果转化为视 电阻率曲线，以此来推断地下地质状况。对于视电阻率的计算，可分两类，一类 是用磁感应强度的变化率计算视电阻率，另一类是用磁感应强度B来计算视 电阻率。若直接用磁场的变化率计算视电阻率，存在多解的问题。若由磁感 应强度变化率计算出磁感应强度B，再计算视电阻率，虽然不存在多解的问 题，但由于接收机对的观测时间长度限制，由计算B总存在误差，得到 的视电阻率也就存在误差。因此，如何精确测得磁感应强度B随时间t的变化关 系曲线，是时间域电磁法探测中的一个重要研究方向。
CN103837899A公开了一种瞬变电磁测量装置，包括发射天线线圈、接 收天线线圈和调零天线线圈，三者相互平行；发射天线线圈和调零天线线圈相互 串联；使得发射天线线圈和调零天线线圈组合产生的一次场穿过接收天线线圈的 磁通量始终等于0或接近于0，同时保证接收点下方探测区域的一次场强度，从 而消除或减弱接收天线在发射电流关断时产生的感应过渡过程，大大提高接收天 线感应到的地下介质的二次场信号信噪比，实现高精度瞬变电磁测深。
CN102707321A公开了一种瞬变电磁仪接收采集系统，包括接收线圈、匹 配电路、前置放大电路、AD转换电路、主控电路、通信传输处理电路和设置模 块。本发明还提供了一种瞬变电磁仪接收采集方法，接收线圈接收电磁信号；匹 配电路将电磁信号调节后传递至前置放大电路的输入端；对电磁信号进行放大和 去噪后传输至AD转换电路；AD转换电路对电磁信号进行模/数转换后传输至 主控电路；主控电路中的复杂可编程逻辑控制器件控制前置放大电路的放大方式 和AD转换电路的采样率，通过通信处理传输电路与发射机进行数据通信；微处 理器单元对复杂可编程逻辑器件传输的电磁信号进行处理；再设置采样率和放大 方式。该系统和方法能够有效地提升信号采集速度。
上述发明的装置和方法均可在一定程度上提高测量精度、数据反演解释的可 靠性、准确度，但都存在一些不足，它们都是根据法拉第电磁感应定律，采集接 收线圈感应到的电压信号，来得出随时间t的变化关系曲线，在反演过程中 不如磁感应强度B随时间t的变化关系曲线解释的准确、可靠；都不能精确测得 磁感应强度B随时间t的变化关系曲线，不能给出最佳的反演解释模型参数。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种应用于时间域电磁法 磁感应强度B的测量装置；
本发明的另一目的就是提供一种时间域电磁法磁感应强度B的测量方法。
通过空心线圈和磁通门磁力仪的联合应用，并结合插值、积分计算，可以精 确测得磁感应强度B随时间t的变化关系曲线，进而计算视电阻率，得出较佳的 反演结果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种时间域电磁法磁感应强度B的测量装置，是由单片机1经电源系统2 分别连接磁通门磁力仪3和信号处理及采集系统4，单片机1经同步电路9连 接通门磁力仪3，探头6经通门磁力仪3与单片机1连接，单片机1经同步电 路8连接信号处理及采集系统4，空心线圈5经信号处理及采集系统4与单片 机1连接，发射线圈11经发射机10和计算机7与单片机1连接构成。
磁通门磁力仪3是由偏置系统19经反馈电路20、选频放大器12、带通滤 波器13、相敏检波器14、低通滤波器15和积分器16与反馈电路20连接， 反馈电路20经二分频电路17、公用振荡器21和一分频电路18与相敏检波器 14连接构成。
信号处理及采集系统4是由前置放大电路22经低通滤波电路23、电压变 换电路24、浮点放大电路25和高速模数转换电路26与时序控制电路27链接 构成。
一种时间域电磁法磁感应强度B的测量方法，包括以下步骤：
A、计算机7设置叠加次数后，开始测量，单片机1获得发射机某一桥臂的 PWM信号；
B、在PWM信号为由低电平跳高电平的上升沿时，启动磁通门磁力仪3和 探头6，同时同步电路8给出控制信号，关闭信号处理及采集系统4和空心线圈 5；
C、磁通门磁力仪3和探头6开启后，探头将待测的瞬变电磁磁感应强度B 的变化调制为二分频电信号，以此测得有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁 感应强度；
D、单片机对测得的数据进行多次叠加取平均后，将得到的数据送给计算机 7进行存储；
E、在PWM信号由高电平跳为低电平时，单片机1发出同步信号，经同步 电路8启动信号处理及采集系统4和空心线圈5，同时同步电路9给出控制信 号，关闭磁通门磁力仪3和探头6；
F、启动信号处理及采集系统4和空心线圈5后，由空心线圈5测得的数据 在时序控制电路27控制下送给单片机1，以此测得随时间t衰减值，并将测 量结果送给计算机7进行存储；
G、在方波信号即将由低电平跳为高电平时，单片机1发出同步信号，经同 步电路9启动磁通门磁力仪3和探头6，同时同步电路8给出控制信号，关闭 信号处理及采集系统4和空心线圈5，测得发射桥路关断后衰减信号后期相对稳 定的磁感应强度；
H、单片机1对测得的数据进行多次叠加平均后，将数据送给计算机7进行 存储；
I、重复多次测量计算机7设定的叠加次数，对计算机7存储的数据进行多 次叠加平均后，得到B₀₊(或B_0-)、B_z+(或B_z-)和随时间变化的函数， 其中B₀₊为正周期有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度，B_0-为负周 期有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度，随时间变化的函数是 通过对计算机7存储器中的数值进行多次叠加取平均后，对得到的随时间t变化 的离散点进行插值运得到的，B_z+为正周期发射桥路关断后衰减信号后期相对稳 定的磁感应强度，B_z-为负周期发射桥路关断后衰减信号后期相对稳定的磁感应 强度；
J、依据积分公式B₀₊、B_z+及PWM信号的上升沿和下降沿时刻， 求得正周期时间域电磁法磁感应强度B随时间变化关系函数，同理，依据公式 B_0-和B_z-及方波信号的上升沿和下降沿时刻，求得负周期时间域电磁 法磁感应强度B随时间变化关系函数。
有益效果：本发明采用空心线圈和磁通门磁力仪的联合应用，对时间域电磁 法磁感应强度进行测量，最大优点是可以精确测得磁感应强度B随时间t的变化 关系曲线，进而计算出视电阻率，得出较佳的反演模型数据，提高反演解释结果 的准确性和可靠性。利用低频特性较好的磁通门磁力仪进行相对稳定磁场的测 量，利用高频特性较好的空心线圈并结合插值、积分计算进行变化较快的磁场的 测量，可以准确测出整个发射桥路通断过程中，磁感应强度变化特性，与直接由 磁感应强度变化率计算出磁感应强度B相比，得到的反演结果具有更高的准 确度和可靠性。
附图说明
图1是时间域电磁法磁感应强度的测量装置结构框图；
图2是附图1中磁通门磁力仪3的结构框图；
图3是附图1中信号处理及采集系统4的结构框图；
图4是时间域电磁法磁感应强度的测量方法的流程图；
图5是时间域电磁法磁感应强度的测量方法运行过程流程图；
图6是信号处理及采集系统中前置放大电路的电路图；
1单片机，2电源系统，3磁通门磁力仪，4信号处理及采集系统，5空心 线圈，6探头，7计算机，8同步电路，9同步电路，10发射机，11发射线圈， 12选频放大器，13带通滤波器，14相敏检波器，15低通滤波器，16积分器， 17二分频，18一分频，19偏置系统，20反馈电路，21公用振荡器，22前置 放大电路，23低通滤波电路，24电压变换电路，25浮点放大电路，26高速模 数转换电路，27时序控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：
一种时间域电磁法磁感应强度B的测量装置，是由单片机1经电源系 统2分别连接磁通门磁力仪3和信号处理及采集系统4，单片机1经同步电路9 连接通门磁力仪3，探头6经通门磁力仪3与单片机1连接，单片机1经同步 电路8连接信号处理及采集系统4，空心线圈5经信号处理及采集系统4与单 片机1连接，发射线圈11经发射机10和计算机7与单片机1连接构成。
磁通门磁力仪3是由偏置系统19经反馈电路20、选频放大器12、带通滤 波器13、相敏检波器14、低通滤波器15和积分器16与反馈电路20连接， 反馈电路20经二分频电路17、公用振荡器21和一分频电路18与相敏检波器 14连接构成。
信号处理及采集系统4是由前置放大电路22经低通滤波电路23、电压变 换电路24、浮点放大电路25和高速模数转换电路26与时序控制电路27链接 构成。
一种时间域电磁法磁感应强度B的测量方法，包括以下步骤：
A、计算机7设置叠加次数后，开始测量，发射机10开始发射正负脉冲交 替的激励电流，单片机1经计算机7获得发射机某一桥臂的PWM信号，其中 的高电平表示此桥臂导通，此时发射机10有某一参考方向下的电流流入发射线 圈11，否则表示此桥臂关断；
B、在PWM信号为由低电平跳高电平的上升沿时，单片机1发出同步信号， 经同步电路9启动磁通门磁力仪3和探头6，同时同步电路8给出控制信号， 关闭信号处理及采集系统4和空心线圈5；
C、磁通门磁力仪3和探头6开启后，探头将待测的瞬变电磁磁感应强度B 的变化调制为二分频电信号，再经过选频放大器12、带通滤波器13、相敏检波 器14、低通滤波器15和积分器16将信号送给单片机1和经反馈电路20反馈 给探头6，以此测得有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度；
D、单片机对测得的数据进行多次叠加取平均后，将得到的数据送给计算机 7进行存储；
E、在PWM信号由高电平跳为低电平时，单片机1发出同步信号，经同步 电路8启动信号处理及采集系统4和空心线圈5，同时同步电路9给出控制信 号，关闭磁通门磁力仪3和探头6；
F、启动信号处理及采集系统4和空心线圈5后，由空心线圈5测得的数据 在时序控制电路27控制下，经前置放大电路22、低通滤波电路23、电压变换 电路24、浮点放大电路25、高速模数转换电路26，将信号送给单片机1，以 此测得随时间t衰减值，并将测量结果送给计算机7进行存储；
G、在方波信号即将由低电平跳为高电平时，利用周期关系，单片机1发出 同步信号，经同步电路9启动磁通门磁力仪3和探头6，同时同步电路8给出 控制信号，关闭信号处理及采集系统4和空心线圈5，来测得发射桥路关断后衰 减信号后期相对稳定的磁感应强度；
H、单片机对测得的数据进行多次叠加取平均后，将得到的数据送给计算机 7进行存储；
I、重复多次测量至计算机7设定的叠加次数，对计算机7存储的数据进行 多次叠加取平均后，得到B₀₊(或B_0-)、B_z+(或B_z-)和随时间变化的函 数，其中B₀₊为正周期有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度，B_0-为 负周期有发射电流流过发射线圈时相对稳定的磁感应强度，随时间变化的函 数是通过对计算机7存储器中的数值进行多次叠加取平均后，对得到的随时间t 变化的离散点进行插值运得到的，B_z+为正周期发射桥路关断后衰减信号后期相 对稳定的磁感应强度，B_z-为负周期发射桥路关断后衰减信号后期相对稳定的磁 感应强度；
J、依据积分公式B₀₊、B_z+及PWM信号的上升沿和下降沿时刻， 算得正周期时间域电磁法磁感应强度B随时间变化关系函数，同理，依据公式 B_0-和B_z-及方波信号的上升沿和下降沿时刻，也可以算得负周期时间 域电磁法磁感应强度B随时间变化关系函数。