頻率域感應式磁傳感器信號調理電路研究

趙　毅，陳曉東，王　剛，張振宇，趙富剛

(中國地質科學院　地球物理地球化學勘查研究所，廊坊　065000)

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頻率域感應式磁傳感器信號調理電路研究

趙毅，陳曉東，王剛，張振宇，趙富剛

(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊065000)

摘要：感應式磁傳感器在地球物理電磁法勘探中已得到廣泛應用，國內多家單位已開展感應式磁傳感器的研制工作。這里首先介紹了感應式磁傳感器的原理，然后對其信號調理電路(開環式和閉環式電路)進行了分析，綜合二者的優點設計了信號調理電路，并研制出相應的磁傳感器。最后通過野外對比試驗，驗證了所研制的磁傳感器的有效性，該設計為感應式磁傳感器地研制提供了很好地技術支撐。

關鍵詞：感應式磁傳感器；信號調理電路；幅頻特性；相位；磁通反饋

0前言

感應式磁傳感器是電磁法勘探中應用最廣泛磁場信號接收傳感器，主要應用于金屬礦產、石油資源的勘探以及深部地球物理勘探。近年來，在地下水、火山地質、地熱、環境監測、工程勘探、市政工程和土壤鹽堿化等領域也得到了應用。在這些應用中要求一段頻率范圍內準確、不失真的測量磁場信號[1]，如基于天然場的音頻大地電磁法(AMT)、基于人工場的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等。在上述測量方法中，為了簡化數據采集系統和數據處理解釋方法，通常要求磁傳感器能夠在測量頻率范圍內(一般為10 Hz～10 000 Hz)輸出靈敏度與頻率無關[3]，靈敏度大于0.1 V/nT。因此在感應式傳感器的制作過程中需要通過信號調理電路作適當處理[4]以滿足上述要求。

1感應式磁傳感器原理

感應式磁傳感器通常由線圈和信號調理電路兩部分組成。線圈的等效電路如圖1所示。

圖1　線圈的等效電路Fig.1　Equivalent circuit of coil

根據法拉第電磁感應定律[2]，當把匝數為Ν、截面積為S 的圓柱形螺線管線圈放置在隨時間變化的磁場 B(t)中時，在線圈中就會產生感應電動勢[6]e(t)，即

(1)

其中：φ(t)為通過線圈的磁通量；μ0為真空導磁率；N為激勵線圈密度；i(t)為激勵電流；Ν為響應線圈的圈數。對于帶有磁導率為μr的磁芯的螺線管線圈，其感應電動勢 em(t)為：

(2)

其中μR為磁芯相對磁導率。由式(1)、式(2)可知，被測磁場的變化率可由線圈的感應電動勢所反映。

2信號調理電路

由于感應線圈獲得的信號比較微弱，不能直接進行數據采集，需加以放大和調理后才能使用，故需要設計相應的信號調理電路。

信號調理電路根據原理的不同，可分為開環調整式和閉環調整式[3]。圖2 給出了兩種方式傳感器的原理框圖。

開環調整式的信號調理電路的調試不影響感應線圈的輸出特性，設計調試相對容易。閉環調整式會改變感應線圈的輸出特性，設計稍復雜一些。

信號調理電路包括兩部分：①信號放大；②信號補償。信號放大電路把線圈的感應電壓放大到一定的幅度，信號補償電路則把線圈諧振點兩側部分調整到相對平坦的位置。

圖3、圖4分別是感應線圈的幅頻特性和相位曲線。由圖4可知，在線圈的諧振點附近相位發生了突變，由+ 80ο跳到了-80ο，這對數據處理解釋帶來了不便。開環調整式信號調理電路解決不了相位突變問題，因此，磁傳感器的頻點只能用諧振點的左側部分。

圖2　信號調理原理圖Fig.2　Principle diagram of signal adjustment(a)開環調整；(b)閉環調整

圖3　感應線圈幅頻特性曲線Fig.3　Amplitude frequency characteristics of inductive coil

圖4　感應線圈相位曲線Fig.4　Phase characteristics of inductive coil

信號放大電路通常選用低噪聲[11-12]、低漂移的運算放大器，這里不做詳細介紹，重點介紹信號補償電路。以下是幾種常見的開環和閉環調整式信號調理電路。

2.1開環調整式信號調理電路

2.1.1比例放大電路

在圖5中，通過R1、R2設置適當的放大倍數，調整C1設置合適的帶寬。增大C1帶寬變小，減小C1帶寬變大，其-3 dB帶寬應調整到線圈諧振點之前。圖6是其幅頻特性曲線。線圈通過比例放大補償后的幅頻特性與圖10相似。

圖5　比例放大器電路Fig.5　Proportional amplifier circuit

圖6　放大電路幅頻特性曲線Fig.6　Amplitude frequency characteristics of proportional amplifier circuit

圖7　積分補償電路Fig.7　Integral compensation circuit

2.1.2積分補償電路[7]

積分補償電路的基本思路是根據感應線圈的幅頻特性設計一個與之相反的補償電路特性，這樣就可以把信號調整到一個相對平坦的幅度。補償電路的幅頻特性曲線[6]如圖8所示，隨著頻率的增加其輸出幅度線性變小，這正好與線圈的幅頻特性相反[6]，如圖9所示。補償后的幅頻特性曲線[6]見圖10。圖7 是積分補償電路，由放大器AR1、電阻R1、R2、R3、R4和電容C1構成。

圖8　積分補償電路幅頻特性曲線Fig.8　Amplitude frequency characteristics of integral compensation circuit

圖9　線圈與積分補償幅頻特性Fig.9　Amplitude frequency characteristics of coil and integral compensation circuit

圖10　積分補償后幅頻特性Fig.10　Amplitude frequency characteristicsof integral compensation later

其傳遞函數為：

2.1.3馬鞍型補償電路

馬鞍型電路補償的基本思想是在諧振頻率的兩邊按曲線的梯度進行放大[8],而在諧振頻率點及其周圍很小的區域保持其信號幅度不變。圖11(a) 是低頻補償電路，由放大器AR1、電阻R1、R2、R3和電容C1構成。其功能類似低通濾波器，通過調整C1來設置頻帶的拐點。圖11(b) 是高頻補償電路，由放大器AR1、電容C1、C2、C3和電阻R1構成。其功能類似高通濾波器，通過調整R1來設置頻帶的拐點，通過高低頻補償電路相加進行信號調理。

圖12 是線圈高低頻補償后的靈敏度曲線，從圖中可看出，在線圈諧振點兩側經補償后比較平坦，而在諧振點處有起伏變化，這給信號的處理解釋帶來不便。

圖11　高低頻補償電路Fig.11　Compersation electvic circait of high and low frequency(a)低頻補償電路；(b)高頻補償電路

圖12　馬鞍型補償后靈敏度曲線Fig.12　Sensitivity of saddle style compensation later

綜上所述，采用以上三種形式的補償電路[13]，傳感器的幅頻特性不盡相同：①比例放大電路的缺點是當傳感器的上限頻率在幾百 Hz 時，放大器的輸出電壓的動態范圍會較大；②積分補償電路在低于諧振點的頻率范圍內，與線圈的幅頻特性完全相反，采用此補償電路可以使傳感器的幅頻特性類似于圖10，但在諧振點處相位發生突變，故頻點只能用在低于諧振頻率的左側；③馬鞍型補償電路通過將低頻放大電路與高頻放大電路相加得到補償后的靈敏度曲線(圖12)，其在較寬的頻率范圍內有較平坦的特性曲線，傳感器頻帶得到拓寬，但是經過補償后的傳感器在此范圍內靈敏度曲線會有起伏，如圖 12中畫圈部分所示。

2.2閉環調整式信號調理電路

由前面可知，開環調整式信號調理電路的帶寬只能用在諧振點的左邊，限制了磁傳感器的帶寬。隨著國民經濟的快速發展，探測深部資源的要求越來越迫切，這就要求磁傳感器具有較寬的頻率范圍，滿足深部資源勘查的要求。開環調整式信號調理電路已不能滿足要求，故采用磁通反饋式的閉環調整方法。

2.2.1磁通反饋原理

原理是被測的變化磁場經感應線圈輸出電壓信號，之后經放大電路放大，再經過反饋電路將電壓信號轉換為電流信號，然后將該電流信號流經繞在感應線圈外部的反饋線圈上，產生與被測磁場相反的磁場，兩者相減得到凈磁場，形成閉合磁通反饋。其原理框圖如圖13所示。

圖13　磁通反饋原理框圖Fig.13　Principle diagram of magnetic flux feedback

圖14　采用磁通反饋的傳感器原理圖Fig.14　Principle diagram of sensor adopting magnetic flux feedback

據此原理的磁傳感器原理圖如圖14所示。其中：Lp為感應線圈的電感；Ls為反饋線圈的電感；RL為感應線圈的直流電阻；C 為線圈的分布電容；Rfb為反饋電阻；G為放大器的放大倍數；Ifb為反饋電流;V0為傳感器的輸出。

2.2.2磁通反饋系統幅頻特性和相位特性

幅頻特性為：

相位特性為：

圖15　有無磁反饋時傳感器的幅頻特性Fig.15　Amplitude frequency characteristics of sensor adopting and not adopting magnetic flux feedback

圖15是采用磁通反饋后的磁傳感器幅頻特性，由圖15可知，采用磁通反饋后的幅頻特性曲線較為平坦，同時反饋電阻大小不同時，傳感器的平坦部分帶寬也不同。另外，反饋電阻不能過小，即反饋過深，否則會引起振蕩。

圖16　有無磁反饋時傳感器的相頻特性Fig.16　Phase characteristics of sensor adopting and not adopting magnetic flux feedback

圖16是有無磁反饋時傳感器的相頻特性，采用磁通反饋的相頻特性在諧振點處沒有出現相位突變現象，相位曲線比較平緩。另外不同的反饋電阻，即不同的反饋深度，相頻特性的線性范圍也不同。

因此與開環式補償電路相比，采用磁通反饋技術使傳感器的應用頻帶擴展到高于諧振頻率范圍，拓寬了磁傳感器的應用范圍。

3信號調理電路設計

3.1電路設計

根據開環式和閉環式信號調理電路的優缺點，設計了積分補償電路和磁通反饋相結合的信號調理電路。該電路的優點是磁傳感器低頻的靈敏度得到提高，線圈諧振點處的相無突變問題，這樣磁傳感器的帶寬就得以拓寬，傳感器的靈敏度平坦部分更寬。其電路圖如圖17，其中，L1、L2為感應線圈，L3為補償線圈。放大器U1以及電阻R1、R2、R3、組成差分輸入式放大器，有效抑制共模噪聲；電阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、C1和放大器U2組成積分補償電路；D1～D4為保護二極管，起限幅作用，防止放大器U1被擊穿損壞；R10為反饋電阻，其阻值大小決定著磁傳感器靈敏度(平坦部分)的高低；放大器U3、R11、R12、C2、C3組成二階低通濾波器，其作用是抑制帶寬、降低高頻噪聲。

圖17　磁傳感器信號調理電路圖Fig.17　Signal adjustment electric circuit of magnetism transducer

3.2磁傳感器幅頻特性及相位特性測試

采用上述信號調理電路研制了相應的磁傳感器，其幅頻特性和相位特性測試在野外環境干擾比較小的地區進行，測試設備采用加拿大鳳凰公司大地電磁測量儀V8。 測得的靈敏度和相位曲線見圖18。其頻率范圍是0.1 Hz～10 000 Hz，在2 Hz～8 000 Hz頻段內具有較平坦的幅頻特性。其相位在整個頻段內無突變，滿足電磁法勘探的要求。

圖18　磁傳感器靈敏度和相位曲線Fig.18　Sensitivity and Phase of magnetism transducer

圖19是采用常規的磁通反饋信號調理電路(圖17中去掉由U2構成的積分補償電路部分)與作者設計的信號調理電路的磁傳感器靈敏度對比曲線。從圖19可看出，采用常規磁通反饋信號調理電路的磁傳感器低頻靈敏度為3 mV/nT(@0.1Hz)，而采用作者設計的信號調理電路的磁傳感器低頻靈敏度為18 mV/nT(@0.1Hz)，兩者相比相差6倍。同時靈敏度平坦部分相比，前者在20 Hz～4 kHz范圍較平坦，而采用作者設計的電路研制的磁傳感器靈敏度平坦部分較寬，平坦部分范圍為3 Hz～6 kHz。這些都體現了作者設計的信號調理電路的優點：高靈敏度(低頻)和高帶寬(平坦部分)。特別是在頻率為1 Hz時的靈敏度大大提高，大約是前者的5倍，這很大地提高了1 Hz信號的信噪比。

圖19　采用兩種信號調理電路的磁傳感器靈敏度曲線Fig.19　Sensitivity of two signal adjustment electric circuit of magnetism transducer

圖20是是采用常規的磁通反饋信號調理電路與作者設計的信號調理電路的磁傳感器相位對比曲線。從圖20中可看出，采用作者設計的信號調理電路的磁傳感器的相位曲線(藍色)無相位突變現象，而且較采用常規的磁通反饋信號調理電路的磁傳感器相位(紅色)更平滑。

圖20　采用兩種信號調理電路的磁傳感器相位曲線Fig.20　Phase characteristics of two signal adjustment electric circuit of magnetism transducer

4感應式磁傳感器野外實驗

磁傳感器研制完成后開展了CSAMT野外對比試驗，分別采用加拿大鳳凰公司AMTC-30與作者所研制的IGGE-30做對比試驗。接收機采用加拿大鳳凰公司V8，發射電流18 A,發射AB極距1.2 km，收發距8 km。試驗地點在甘肅省酒泉市馬鬃山鎮，發射機使用加拿大鳳凰公司V8系統，兩傳感器平行放置，相距5 m，CSAMT試驗中磁傳感器都是記錄Hy的值,發射頻率從1 Hz～8 533 Hz。

圖21和圖22是AMTC-30和IGGE-30磁傳感器進行CSAMT對比試驗取得的磁場Hy數據和相應的視電阻率數據所繪制的對比曲線，曲線吻合的較好。

圖21　AMTC-30與IGGE-30 CSAMT測得的磁場值Fig.21　Magnetic field value of AMTC-30 and IGGE-30

圖22　AMTC-30與IGGE-30 CSAMT測得的視電阻率曲線Fig.22　Apparent resistivity of AMTC-30 and IGGE-30

從野外對比試驗可看出，采用作者設計的信號調理電路研制的感應式磁傳感器已達到國外該類傳感器的水平，可替代國外該類磁傳感器。同時也證明了所設計的信號調理電路的可行性。

5結論

綜上所述，感應式磁傳感器開環調整式信號調理電路由于帶寬的限制，已不能滿足地球物理電磁法勘探的需要，磁通反饋法閉環式信號調理電路擴展了帶寬，解決了相位突變問題。采用開環式中的積分補償電路和閉環式磁通反饋法相結合，設計的信號調理電路研制的感應式磁傳感器，經過野外試驗證明了該信號調理電路的有效性。這為我國感應式磁傳感器的研制提供了有力地參考。感應式磁傳感器的國產化將解決我國電磁法地球物理儀器發展的瓶頸問題，打破國外壟斷，為我國地球物理電磁法勘探提供很好的技術支撐。

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Research for signal adjustment electric circuit of inductive magnetism transducer in the frequency domain

ZHAO Yi,CHEN Xiao-dong,WANG Gang,ZHANG Zhen-yu,ZHAO Fu-gang

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration CAGS,Langfang065000,China,)

Abstract:The inductive magnetism transducer is most widely used in geophysical electromagnetic exploration.There are several units have carried out the research work of the inductive magnetism transducer in the internal.The measuring principle of the inductive magnetism transducer is first introduced in the paper.Then this analysis is signal adjustment electric circuit of open-loop and close-loop.The signal adjustment electric circuit is designed on the basis of two's advantage,and the inductive magnetism transducer is developed.Finally,it's availability is verified through the experiment of measuring internal and foreign inductive magnetism transducer in the field.This design will help to develop the inductive magnetism transducer.

Key words:inductive magnetism transducer；signal adjustment electric circuit；amplitude frequency characteristics；phase；magnetic flux feedback

收稿日期：2015-03-02改回日期：2015-06-07

基金項目:地質大調查資助項目(12120113100800)

作者簡介：趙毅(1969-)，男，碩士，主要從事電磁法傳感研制工作，E-mail:thisyz@sina.com。

文章編號：1001-1749(2016)02-0198-08

中圖分類號：P 631.3

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.09