甚低頻感應式磁探頭設計

文/張碧勇，重慶電子工程職業學院

1 感應式磁探頭研究背景

瞬變電磁探測技術已廣泛應用于礦井水害探測中，取得了較好的效果。在探測過程中，主要采用重疊回線方式進行探測。該方式接收線圈為空心線圈，有效面積通常只有幾十平方米，靈敏度低；同時，由于采用重疊回線方式探測，感應電壓沒有解析解，容易產生假異常。因此，為提高天線靈敏度，并采用具有解析解的中心回線方式探測，研究高靈敏度磁芯探頭是井下瞬變電磁發展的方向。

近些年來我國地球物理領域所用的高靈敏度磁探頭主要應用于地面物探，國內目前關于此類磁傳感器的介紹非常少，北京大地華龍公司研制的TEM-16K 瞬變電磁儀探頭，井下瞬變電磁探頭只有中煤科工集團西安研究院有限公司YCS2000A-T 礦用本安型瞬變電磁儀接收天線用于實際探測中，有效面積為450m2。因此，為提高天線靈敏度，并采用具有解析解的中心回線方式探測，提出并設計礦井用低頻高靈敏度磁探頭。

2 磁探頭工作原理和研究方案

2.1 磁探頭工作原理

礦用高靈敏度磁探頭主要由線圈、磁芯以及調理電路組成，其基本原理是法拉第電磁感應定律。通過繞制的線圈感應穿過它內部磁通量的變化，從而產生感應電動勢，而加入高磁導率的磁芯，可以將信號增大幾十甚至幾百倍。當外磁場發生變化時，在線圈軸線與磁場平行的方向產生感應電壓V(t)如公式1 所示:

2.2 總體設計方案

鑒于目前地面磁芯天線已得到長足發展，地面中心回線瞬變電磁勘查技術已經比較成熟，本論文的研究采用借鑒吸收和自主創新的技術路線。對于磁片等難以自主開發的部件，將直接從廠家根據要求定制，而其它部件包括輔助設備將自主開發，最終進行整個系統集成。研究過程中將始終堅持采用理論計算結果作為系統研制的指導和模型實驗結果作為系統性能驗證的方法。

高靈敏度磁探頭主要由磁芯、骨架、線圈、信號調理電路、電屏蔽幾個部分組成。磁芯采用高磁導率的1J85 坡莫合金薄片疊加而成，單個疊片的厚度為0.1mm。骨架采用ABS 材料加工而成，線圈采用分格分段亂繞的方式進行。電屏蔽采用柔性電路板，包裹在骨架外面。信號調理電路對線圈調諧匹配、差分放大、單端輸出。探頭總體方案如1 圖所示.

2.3 各模塊的技術特征

磁片采用錯位疊加工藝，磁片錯位疊加技術和特性退火工藝可以提高磁芯有效磁導率；分段繞制技術及工藝，磁芯天線分段繞制方法，在提高探頭有效面積的同時，提高探頭帶寬；弱信號調理電路研制，通過前端調諧技術、匹配網絡技術、差分放大技術和高階濾波技術，實現瞬變電磁弱信號調理；柔性電路電屏蔽技術及工藝，通過柔性電路板與磁芯探頭巧妙結合，對環境電噪聲進行屏蔽；人性化結構設計，為方便井下便攜式攜帶和人性化使用，對探頭結構進行優化；磁探頭參數計算，為精確測量二次場感應電壓，需對磁探頭有效面積、本底噪聲、頻帶及靈敏度進行計算。

圖1 總體設計方案

3 高磁導率磁芯的選擇

常用作磁芯的材料有鐵氧體、坡莫合金、納米晶合金。它們的初始磁導率、最大磁導率、適應頻率范圍有較大差異。由于鐵氧體的導磁率對溫度的穩定性較差，所以，坡莫合金、非晶態合金、納米晶合金均較適合做傳感器的磁芯。坡莫合金與非晶態合金、納米晶合金的電阻率并無大的區別，可以通過采用疊片磁芯的方法來控制磁芯的渦流損耗，而且坡莫合金薄帶較軟比非晶態合金和納米晶合金更容易做成疊片磁芯，同時價格便宜，所以采用坡莫合金1J8 5 做磁芯，由250 層厚0.1mm 的疊片磁芯組成，磁芯長0.3m，疊片間彼此絕緣。

4 研究結論

通過對低頻磁探頭的研究，磁芯采用薄片疊加技術、線圈采用分格分段亂繞方式進行繞線，通過阻抗匹配、調理電路對微弱信號調理放大，完成了礦用安型高靈敏度天線的設計。磁探頭具有體積小、重量輕、便于攜帶的特點。

空氣中電磁干擾很嚴重，對于高靈敏度的磁探頭需要在電磁屏蔽環境中進行測試，標定。將感應式磁傳感器放入通電螺線管中，其中間區域為勻強磁場，通過已知的電流可計算出當前的磁場強度，實際測得傳感器的靈敏度為26μV/nT.Hz，達到國內先進水平。測得磁探頭的主要技術指標：諧振頻率: 20kHz 靈敏度：26μV/nT.Hz。