用于地质勘探的磁性源信号发射装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020442903.6 (22)申请日 2020.03.31 (73)专利权人 湖南科技大学 地址 411201 湖南省湘潭市雨湖区石码头2 号 (72)发明人 付国红傅崧原程辉杨天春 (74)专利代理机构 湘潭市汇智专利事务所(普 通合伙) 43108 代理人 陈伟 (51)Int.Cl. G01V 3/10(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种用于地质勘探的磁性源信号发射装置 (57)摘要 本实用新型公开了一种用于地质。

2、勘探的磁 性源信号发射装置， 包括信号源、 绕制在磁棒上 的多个单匝或2-10匝的发射线圈、 功放， 所述信 号源的输出端与各个功放的输入端相连， 每一个 功放的输出端串入一个均衡电阻后与发射线圈 相连接， 信号源产生的信号经功放放大后给各个 发射线圈提供电流， 各个发射线圈电流激发磁棒 产生的磁场同相叠加， 由磁棒对外辐射磁场信 号。 本实用新型采用多个或2-10匝的发射线圈替 代磁芯上现有发射系统中的单个多匝发射线圈， 每一个发射线圈的电感和电阻值均远小于原发 射系统的那个多匝线圈的电感值和电阻值， 每一 个发射线圈所需驱动电压小、 功率小， 从而显著 提高磁性源信号发射系统的高频响应、 。

3、展宽发射 信号的频带宽度。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 211375082 U 2020.08.28 CN 211375082 U 1.一种用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 其特征在于： 包括绕制在磁棒上的多个 单匝或2-10匝的发射线圈、 为每一个发射线圈提供电流的功放和为功放提供输入信号的信 号源， 所述信号源的输出端与各个功放的输入端相连， 每一个功放的输出端串入一个均衡 电阻后与发射线圈相连接， 信号源产生的信号经功放放大后给各个发射线圈提供电流， 各 个发射线圈电流激发磁棒产生的磁场同相叠加， 由磁棒对外辐射磁场信号。 2.根据权利要求1所述的用于地质勘探的磁性源信。

4、号发射装置， 其特征在于： 所述信号 源采用单片机和数模转换器， 单片机的输出端与数模转换器的输入端相连， 数模转换器的 输出端与各个功放的输入端相连， 单片机控制数模转换器产生功放所需输入信号。 3.根据权利要求2所述的用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 其特征在于： 所述信号 源还包括显示器、 存储器、 通信接口， 显示器、 存储器、 通信接口均与单片机相连。 4.根据权利要求1所述的用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 其特征在于： 所述信号 源采用复杂可编程逻辑器件CPLD、 现场可编程门阵列器件FPGA、 数字信号处理器DSP、 直接 数字式频率合成器DDS、 时序逻辑电路、 震荡电路。

5、中的一种。 5.根据权利要求1所述的用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 其特征在于： 所述磁棒 采用多个片状或长条状软磁性材料叠合组成。 6.根据权利要求1所述的用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 其特征在于： 所述磁棒 是截面为圆形、 椭圆形、 矩形、 多边形的柱状。 权利要求书 1/1 页 2 CN 211375082 U 2 一种用于地质勘探的磁性源信号发射装置 技术领域 0001 本实用新型涉及电磁法勘探技术领域， 特别涉及一种用于地质勘探的磁性源信号 发射装置。 背景技术 0002 在电磁法勘探的实际应用中， 人工磁性源发射方法常用空心线圈发射磁场信号或 者采用有磁芯的线圈 （磁棒）。

6、 发射磁场信号， 采用空心线圈发射信号时， 由于空气中的相对 磁导率很小， 发送一定强度的磁场信号时所需空心线圈面积大， 匝数很多 （可达数百匝以 上） ， 发射效率低； 采用高磁导率软磁性磁芯材料 （磁棒） 的人工磁性源电磁信号发射系统 中， 发射线圈尺寸相对较小、 尺寸固定， 体积小， 施工简便。 但由于磁棒上绕制一个发射线圈 所需匝数较多、 电感大， 普遍存在高频端信号发射效率低、 频带窄的突出问题， 严重影响了 电磁发射系统的发射效率和频带宽度， 影响接收机采集数据的质量， 从而限制了采用磁芯 线圈发射磁场信号的推广应用。 0003 目前， 传统磁棒上绕制1个多匝的线圈作为磁性源发射系。

7、统的信号发射线圈， 这样 的线圈匝数多、 电感量大、 电阻值也较大， 这在工作频率很低， 比如10Hz以下频率时， 影响较 小， 当频率在10Hz以上时， 随着工作频率升高， 线圈电感的影响逐渐变得十分突出， 以至于 难以应用， 这也是目前磁性源电磁法勘探应用中很少采用磁芯线圈发射信号的主要原因。 发明内容 0004 为了解决上述技术问题， 本实用新型提供一种结构简单、 工作可靠的用于地质勘 探的磁性源信号发射装置。 0005 本实用新型解决上述问题的技术方案是： 一种用于地质勘探的磁性源信号发射装 置， 包括绕制在磁棒上的多个单匝或2-10匝发射线圈、 为每一个发射线圈提供电流的功放 和为功。

8、放提供输入信号的信号源， 所述信号源的输出端与各个功放的输入端相连， 每一个 功放的输出端串入一个均衡电阻后与发射线圈相连接， 信号源产生的信号经功放放大后给 各个发射线圈提供电流， 各个发射线圈电流激发磁棒产生的磁场同相叠加， 由磁棒对外辐 射磁场信号。 0006 上述用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 所述信号源采用单片机和数模转换 器， 单片机的输出端与数模转换器的输入端相连， 数模转换器的输出端与各个功放的输入 端相连， 单片机控制数模转换器产生功放所需输入信号。 0007 上述用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 所述信号源还包括显示器、 存储器、 通 信接口， 显示器、 存储器、 通。

9、信接口均与单片机相连。 0008 上述用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 所述信号源采用复杂可编程逻辑器件 CPLD、 现场可编程门阵列器件FPGA、 数字信号处理器DSP、 直接数字式频率合成器DDS、 时序 逻辑电路、 震荡电路中的一种。 0009 上述用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 所述磁棒采用多个片状或条状软磁性 说明书 1/4 页 3 CN 211375082 U 3 磁片叠合组成。 0010 上述用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 所述磁棒是截面为圆形、 椭圆形、 矩 形、 多边形的柱状。 0011 本实用新型的有益效果在于： 0012 1、 本实用新型采用多个单匝或2-10匝。

10、发射线圈替代磁芯上现有发射系统中的单 个多匝发射线圈， 其电感和电阻值均远小于原发射系统的多匝线圈的电感值和电阻值， 每 一个发射线圈所需驱动电压小、 功率小， 从而显著提高磁性源信号发射系统的高频响应、 展 宽发射信号的频带宽度， 使之具有实用性。 0013 2、 在发射线圈的总匝数相同时， 磁棒发射同样强度的磁场信号时， 本实用新型的 高频衰减小， 发送频带很宽， 可达0n1kHz以上， 大幅度提高磁性源发射机的频带宽度， 显 著提高接收信号质量。 0014 3、 本实用新型在发送线圈与功放之间串入均衡电阻， 可达到平衡高频电流和低频 电流的目的， 可以提高发送电路的稳定性、 可靠性， 从。

11、而进一步提高接收信号的质量。 附图说明 0015 图1为本实用新型发射装置的结构示意图。 0016 图2为单个发射线圈发射信号的工作原理图。 0017 图3为小功率发射时并联驱动发射的工作原理图。 0018 图4为多匝线圈与单匝线圈发射频谱对比图。 具体实施方式 0019 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。 0020 如图1所示， 一种用于地质勘探的磁性源信号发射装置， 包括绕制在磁棒10上的多 个单匝或2-10匝的发射线圈、 为每一个发射线圈提供电流的功放和为功放提供输入信号的 信号源。 0021 所述信号源采用单片机和数模转换器， 单片机的输出端与数模转换器的输入端相 连， 。

12、数模转换器的输出端与各个功放的输入端相连， 单片机控制数模转换器产生功放所需 输入信号。 所述信号源还包括显示器、 存储器、 通信接口， 显示器、 存储器、 通信接口均与单 片机相连。 0022 所述数模转换器的输出端与功放1的输入端相连， 同时与功放2的输入端、 功放3的 输入端、 、 功放n的输入端相连接， 功放1的输出端A1经电阻R1与线圈1的CA1端相连接、 功 放2的输出端A2经电阻R2与线圈的CA2端相连接、 功放3的输出端A3经电阻R3与线圈3的CA3 端相连接、 、 功放n的输出端An经电阻Rn与线圈n的CAn端相连接， 其中CA1、 CA2、 CA3、 、 CAn为同名端； 。

13、功放1的输出端B1与发射线圈1的CB1端相连接、 功放2的输出端B2与发射线圈 的CB2端相连接、 功放3的输出端B3与发射线圈3的CB3端相连接、 、 功放n的输出端Bn与发 射线圈n的CBn端相连接接， 其中CB1、 CB2、 CB3、 、 CBn为同名端。 0023 在发射信号时， 所述单片机控制数模转换器产生信号， 经功放后提供给发射线圈 电流， 各个发射线圈中的电流在磁棒10中产生的磁场同相叠加， 对外辐射磁场信号； 取样线 圈对磁棒10发射各个频率信号时的磁场进行取样， 经衰减后送给模数转换器转换成数字信 说明书 2/4 页 4 CN 211375082 U 4 号由单片机处理后存。

14、储在存储器上， 也可以经通信接口传送给上位机， 作为接收机采集数 据进行分析处理的发射机发射的磁场参数。 0024 本实用新型采用单匝或2-10匝发射线圈， 同步激发磁棒10产生磁场信号， 与采用 多匝的单个线圈激发磁棒10产生磁场信号的方法相比， 每一个线圈的匝数和电感值相对很 小， 从而显著提高发射系统的高频响应、 大幅展宽发射频带宽度； 同时， 因每一线圈产生同 样电流所需的激励电压和功率均远小于很多匝独立线圈激励的情况， 驱动电压小， 发送系 统安全性、 可靠性更高。 0025 所述信号源还可以采用复杂可编程逻辑器件CPLD、 现场可编程门阵列器件FPGA、 数字信号处理器DSP、 直。

15、接数字式频率合成器DDS、 时序逻辑电路、 震荡电路中的一种。 信号 源可以是发射机工作频带内的任意波形信号。 0026 所述磁棒10采用多个片状软磁性磁片叠合组成， 所需发射功率较小时， 也可以选 用单个磁棒。 所述磁棒10是截面为圆形、 椭圆形、 矩形、 多边形的长条状， 或者近似长条状的 其他规则或不规则形状。 0027 一种用于地质勘探的磁性源信号发射方法， 步骤如下： 0028 步骤一： 单片机控制数模转换器产生功放所需输入信号； 0029 步骤二： 功放将输入信号放大后， 放大后的信号经一个均衡电阻后送入发射线圈， 为发射线圈提供电流； 0030 步骤三： 各个发射线圈中的电流在磁。

16、棒10中产生磁场同相位叠加输出， 对外辐射 磁场信号； 0031 步骤四： 取样线圈11对磁棒10发射的磁场信号进行取样， 经衰减后送给模数转换 器转换成数字信号由单片机处理后存储在存储器上。 0032 参见图2， 单片机控制模数转换器产生所需发射的信号波形送功放进行功率放大， 功放输出信号推动均衡电阻R与发射线圈串联的负载， 为发射线圈提供电流， 进而通过电磁 感应， 发射线圈中的电流在磁棒中感应产生磁场， 对外发射磁场信号， 分解成多个发射线圈 后， 发射线圈的电感、 电阻值都很低， 同时加入的均衡电阻R可以限定一定频带范围内线圈 电流的变化范围， 可以适用于在很宽的频带上发射比较均匀的磁。

17、场信号， 便于对接收机接 收数据的后续处理。 0033 设功放输出电压为U， 则 0034 0035 由上式可知， 随着线圈电感量的大幅度减小， 即可显著拓展发射系统的频带宽度。 例如， 设R=10欧姆， L=256mH时， 由式 （1） 计算可知， 功放输出回路的-3dB频带宽度为0 6.2Hz， -20dB频带宽度为062Hz； 而当L减小到0.25mH时， 功放输出回路的-3dB频带宽度即 为为06.4kHz， -6dB频带宽度为011kH。 本实用新型的磁性源发射装置及方法特别适合在 说明书 3/4 页 5 CN 211375082 U 5 电磁法勘探应用中发射宽频带磁场信号， 电磁发。

18、射系统发射频带宽度可达010kHz以上。 0036 图3为线圈电流较小时的小功率发射机， 末级功放可以同时并行连接2个或3个或 多个发射线圈， 在保证发射信号强度的前提下， 可减少功放数量， 从而减小信号发射机的复 杂度和降低成本。 0037 电磁法勘探常用频率范围10-2Hz104Hz， 采用磁性源发射信号时， 将发射磁棒上 的1个多匝线圈， 在保持总匝数不变的前提下， 分成多个110匝的发射线圈单独驱动， 每一 个发射线圈的匝数和电感量很小， 从而可以显著提高发射系统的高频响应、 展宽信号发射 的频带宽度。 例如， 大功率电磁信号发射磁棒上绕制了一个发射线圈： 64匝， 电感256mH， 。

19、直 流电阻0.32欧姆； 若在同样磁芯上， 采用同样的导线绕制16组、 每组4匝的线圈发送时， 则每 个发射线圈4匝， 直流电阻0.02欧姆； 或者在同样磁芯上， 采用同样导线绕制32组、 每组2匝 的线圈时， 每个发射线圈2匝， 2匝线圈的直流电阻0.01欧姆； 或者在同样磁芯上， 采用同样 导线绕制64组、 每组1匝的线圈时， 每个发射线圈1匝， 1匝线圈的直流电阻0.005欧姆。 发射 线圈的电感量随着分组的增多， 每组线圈匝数的减少， 发射线圈的电感量随之快速减小。 同 时因每一线圈产生同样电流所需的激励电压和功率均远小于多匝单个线圈激励的情况， 驱 动电压小， 发送系统安全性、 可靠。

20、性高， 信号接收机可以获得更好的大地电磁响应数据。 0038 参见图4， 设磁棒上多匝线圈电感为256mH， 单匝线圈电感为4mH， 串接均衡电阻R均 为10欧姆， 则256mH电感线圈的-3dB带宽为06.2Hz， -6dB带宽为10.8Hz； 4mH电感线圈的的- 3dB带宽为01.6kHz， -6dB带宽为2.75kHz。 本实用新型发射信号的频带宽度显著优于现有 技术的频带宽度， 若设计更低电感的单匝线圈， 发射频带可以进一步展宽。 0039 由此可知， 磁棒线圈电感是限制信号发射频带宽度的主要因素； 保持总匝数不变 的前提下， 将磁芯上的多匝线圈分为多个单匝或10匝以下的发射线圈同时同步驱动， 发射 线圈的电感值可以显著减小， 发射效率高， 高频性能大幅度提高。 0040 本实用新型并不限于电磁法勘探领域， 在其他需要产生低频、 中频电磁辐射信号 的应用上同样适用， 因此， 采用本实用新型的方法用于提高电磁信号的强度和高频响应时 的情形， 同样在本实用新型的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 211375082 U 6 图1 图2 说明书附图 1/3 页 7 CN 211375082 U 7 图3 说明书附图 2/3 页 8 CN 211375082 U 8 图4 说明书附图 3/3 页 9 CN 211375082 U 9 。