用于磁电阻率探测的矢量线圈传感器设计与优化

磁电阻率(MMR)探测方法作为一种新型的堤坝渗漏探测方法,采集数据时主要依靠线圈传感器,针对MMR信号对要求灵敏度高,需要精准矢量采集的特点,本文设计了一款三分量MMR空心线圈传感器。通过对传感器灵敏度与线圈结构参数的分析,对线圈的结构、匝数进行了设计;通过对传感器噪声源分析,选定了适宜的放大器,进一步降低了系统的本底噪声;通过对三分量不正交角度的分析,对线圈的不正交角度进行了参数校正。最终研制了一款三分量MMR线圈传感器。其体积控制在0.027m3,X、Y、Z三分量本底噪声为5.030 435nV/(Hz)^1/2@380Hz,三通道的磁场探测灵敏度为0.189 95pT/(Hz)^1/2@380Hz,三通道一致性良好,三分量校正误差控制在0.2%以内。     

用于磁电阻率探测的矢量线圈传感器设计与优化（英文）

磁电阻率(MMR)探测方法作为一种新型的堤坝渗漏探测方法,采集数据时主要依靠线圈传感器,针对MMR信号对要求灵敏度高,需要精准矢量采集的特点,本文设计了一款三分量MMR空心线圈传感器。通过对传感器灵敏度与线圈结构参数的分析,对线圈的结构、匝数进行了设计;通过对传感器噪声源分析,选定了适宜的放大器,进一步降低了系统的本底噪声;通过对三分量不正交角度的分析,对线圈的不正交角度进行了参数校正。最终研制了一款三分量MMR线圈传感器。其体积控制在0.027m3,X、Y、Z三分量本底噪声为5.030 435nV/(Hz)~(1/2)@380Hz,三通道的磁场探测灵敏度为0.189 95pT/(Hz)~(1/2)@380Hz,三通道一致性良好,三分量校正误差控制在0.2%以内。     

地空频率域电磁系统空心线圈传感器优化设计

针对地空频率域电磁法(GAFEM)的大范围、快速探测需求,研制了一种适用于GAFEM的高灵敏度、低噪声、低质量的空心线圈传感器(ACS)。首先,根据一维正演计算了收发距10 km处的等效面积归一化响应电压,进而确定传感器灵敏度和噪声水平的指标需求;然后,建立ACS的电路等效模型,并对电路噪声进行分析计算,引进拉格朗日乘子法来优化ACS的设计参数以达到灵敏度、噪声和质量指标要求;最后,根据优化参数设计空心线圈传感器,在电磁屏蔽室对其进行测试,结果显示在噪声参考频率(100 Hz)处,优化传感器噪声为0.09 pT/Hz~(1/2),灵敏度为14.7 mV/nT,总质量为1.25 kg。野外实验表明,地面同一测点处,本文优化ACS测量的磁场幅度与AMTC-30磁棒的测量值一致;且在空中飞行中,该ACS能获得有效磁场信号。     

适用于瞬变电磁勘探的低温超导磁传感器

低温超导量子干涉器件(SQUID)直接测量磁场,噪声低(fT,10-15T,量级)、带宽大、低频响应特性好,可提升瞬变电磁法(TEM)晚期接收信号质量,实现大深度探测。基于欠阻尼低温SQUID和单片读出技术构建了高性能低温SQUID传感器,研究了SQUID和读出电路的噪声匹配技术,传感器本底噪声水平7 fT/√Hz@1kH z,带宽2 MHz,摆率1.5 nT·μs-1。在长春市烧锅镇和上海市横沙岛分别开展了低温SQUID瞬变电磁系统与空心线圈瞬变电磁系统的对比验证,在烧锅镇,低温SQUID成功记录了80 ms衰减曲线(空心线圈20 ms),计算的视电阻率与已有地质资料一致。横沙岛实验中,SQUID衰减曲线可达300 ms(空心线圈:100 ms),进一步验证了SQUID对地球深部信息的探测能力。     

小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿电路设计

无自旋交换弛豫(SERF)原子磁力计是当前灵敏度最高的磁场测量传感器,具有广泛的应用前景。而小型SERF原子磁力计易受到地磁环境及内部元件剩磁影响,需对磁力计周围剩磁进行补偿,使其工作在近乎零磁场环境下(<1 nT),以实现高量灵敏度测量。对此,文中基于现场可编程门阵列(FPGA)设计开发了单泵浦光小型SERF原子磁力计三轴静磁场主动补偿控制电路,通过对原子磁力计三轴线圈施加直流扫描磁场,快速准确实现了-60～60 nT三轴磁场同步补偿。测量轴方向平均补偿精度分别达到0.12 nT和0.25 nT,泵浦光轴方向平均补偿精度达到0.36 nT,可满足小型SERF原子磁力计高灵敏测量要求。     

基于磁反馈的宽频带磁传感器的研制

大地电磁测深需要较宽频率范围的感应式磁传感器来探测大深度范围,针对电补偿无法解决感应线圈在谐振点处有相位突变以致频带受限的问题,提出了磁反馈方法。磁反馈的原理是将感应信号放大后转换成电流量,电流通过反馈线圈产生磁场对被测磁场形成磁通负反馈。通过仿真及实验证明了该方法能够解决感应线圈在谐振点处有相位突变的问题,并且使传感器在低频率段有平坦的灵敏度曲线,较大地拓宽了频带。标定的结果表明传感器频率范围是0.001Hz～60kHz,在频率小于1Hz的范围内灵敏度为0.24V/(nT.Hz),频率高于1Hz时,为0.69mV/(nT.Hz)(@1kHz),能够满足大深度范围探测的需要。     

基于分体悬挂式球形线圈的质子矢量磁场测量仪

为解决座钟式矢量磁力仪长期稳定性差,以及一体化悬挂式球形分量线圈相互干扰、分量噪声大等实际问题,提出了基 于分体悬挂式球形线圈的质子矢量磁场测量仪,详细介绍其测量原理及仪器结构。 此外设计了低成本简易观测仓,两套样机在 蒙城地震台开展了一年的对比观测实验。 结果表明,仪器Ⅰ总强度、水平分量和磁偏角噪声为 0. 23 nT、0. 24 nT、2. 97″,仪器Ⅱ 为 0. 28 nT、0. 26 nT、3. 29″,均优于台网平均噪声水平,其中仪器Ⅰ总强度和水平分量噪声优于台网最低噪声。 两套仪器水平分 量基线偏离最大为 6. 5 nT、4. 7 nT,磁偏角基线偏离最大为 0. 67′、0. 54′,明显小于座钟式磁力仪平均水平,具有良好稳定性。     

用于闪电磁场测量的感应式传感器

针对闪电电磁脉冲频谱较宽的特点,设计一种用于闪电磁场测量的宽频带感应式传感器。采用空心线圈作为接收传感器,提高传感器工作带宽;建立传感器等效噪声模型,对传感器灵敏度和噪声水平进行了理论分析和仿真,研制了低噪声检测电路,设计制作了一款低噪声、宽频带、感应式磁场传感器。采用亥姆赫兹线圈对传感器进行了标定,并在磁屏蔽室内进行了噪声水平测试,测试结果表明,传感器带宽为1～100 kHz,在10 kHz处噪声为20 f T/(Hz)~(1/2),在100 kHz处噪声为4 f T/(Hz)~(1/2),测试性能与理论分析一致。     

星载感应式空心磁芯磁传感器的研究

优化设计了频率带宽为1 Hz~10 k Hz的空心磁芯感应式磁传感器。首先提出空心结构的磁芯,分析空心磁芯的退磁因数和有效磁导率,并仿真、实测空心磁芯感应线圈的磁通,得出一定壁厚的空心磁芯感应线圈的磁通可以等于相同长径比棒状磁芯感应线圈的磁通。然后分析空心磁芯感应式磁传感器的灵敏度与噪声,通过数学算法优化噪声公式达到要求的噪声指标和较低的重量。为验证理论分析,设计空心磁芯感应式磁传感器,在屏蔽室对空心磁芯感应式磁传感器的性能进行测试,频率高于400 Hz时灵敏度为0.73 V/n T。100 Hz时噪声为0.06 p T/Hz1/2,总重量为80 g。实测的空心磁芯感应式磁传感器的灵敏度与噪声和理论分析一致。空心磁芯感应式磁传感器与THEMIS相比具有噪声低、重量轻的优点,能够满足空间电磁探测的实用条件。     

基于时间序列搜索的海底电磁采集站数据质量快速预评估方法研究

工作在深海的海底电磁采集站,同步记录了海底微弱的天然和人工源电场和磁场信号。由于海洋环境复杂多变,海上作业难度高风险大,电磁数据的质量具有较强的不确定性。为了保证后期数据反演的准确性,需要在船上现场评估海底电磁采集站采集的数据质量,判断电场传感器、磁场传感器、采集仪工作是否正常,确定此次采集的有效性,并预判是否可以进行下一次实验。数据质量评估主要包括数据完整性校验、有效信号识别、异常脉冲噪声检测、溢出信号检测、噪声水平分析等方面。重点研究了有效信号识别、异常脉冲噪声检测、溢出信号检测3个方面的问题。这3类数据的检测可以归结为时间序列的快速检索与定位问题。结合海洋电磁数据的特点,采用提取特征点法及欧氏距离度量提取有效信号模板;利用改进的提升小波算法对数据进行降维处理;采用欧氏距离度量查找相似曲线;最后根据检索的结果评估数据质量。仿真和实测数据实验结果证明了该方法能够在大量数据中进行快速检索,并给出准确评估结果。     

用于感应式磁传感器低噪声前置放大器的研制

感应式磁传感器是频率域电磁法(FEM)中使用最广泛的磁传感器,通常由感应线圈和前置放大器组成,其中前置放大电路是影响磁感应式磁传感器性能指标的核心因素。为了增加感应式磁传感器探测深度和微弱磁场信号的能力,要求前置放大电路具有宽频带和低噪声等性能。基于磁通负反馈的原理设计并研制了斩波前置放大器,有效抑制了感应线圈的输出噪声,使感应线圈谐振频率两侧具有平坦的幅频特性曲线,拓宽了感应式传感器的响应频带。在屏蔽室内对斩波前置放大器的性能指标进行了测试,其频带范围为0.001Hz~10 k Hz,输入噪声为槡3.75 n V/Hz,为感应式磁传感器在实际中的应用提供了性能保障。     

可成像的墙体探测系统

针对墙体内金属管、PVC管、通电线路的探测问题,选择了电容传感器、电磁涡流传感器、金属线圈传感器三种传感器并设计了相应的信号调理电路来对被测物体进行检测;另外还采用了安装正交激光测距仪的方案来获取传感器的位置信息。同时,为了完成对多路信息进行采集任务,设计了一套集中式数据采集系统来对测量的数据进行高效、实时地采集;最后,根据采集到的数据用文中设计的成像算法来进行成像。     

无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿

由于外界磁场扰动会降低无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计的磁场测量灵敏度,本文根据SERF原子磁强计的测量原理,提出了一种基于原位磁测补偿外部磁场扰动的方法。该方法通过调制解调的方法对3个方向的磁场进行解耦,实现3个方向磁场信息的独立测量。然后,将3个方向磁场的测量信息作为反馈,调节电流源输出给线圈的电流,使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同方向相反的补偿磁场。最后,在现有的SERF原子磁强计实验平台上搭建了主动磁补偿系统,实现了对外部扰动磁场的补偿。与手动补偿方式相比,本文提出的主动磁补偿方法可将剩余磁场的平均值从0.317 8nT降低到0.040 4nT,同时将剩余磁场的均方差由0.348 1nT降低到0.024 7nT。得到的实验结果验证了本文所述方法的有效性。     

基于球形反馈线圈的三轴磁通门磁强计

在高精度三轴磁通门磁强计的设计中,均匀的反馈磁场有助于提高仪器输出的温度稳定性和线性度,同时也可在一定程度上减小由于磁强计各个分量互扰产生的零点偏移。通过简单的物理模型计算,提出了球形反馈线圈的设计方案,并给出了ansys电磁场仿真结果及反馈线圈内部磁场均匀性测试实验结果。经过测试,在此基础上制作的实验样机的线性度达到0.0038%FS,灵敏度温度系数达到0.0000755%FS/℃,且噪声性能也达到9.0807pT/(Hz)～(1/2)。     

磁弹索力传感器设计方法研究

针对目前缆索的磁弹索力传感器的设计尚无比较完善的方法的现状,在讨论磁弹索力传感器基本原理的基础上,分析了磁弹索力传感器的结构及内部各磁场分布特点;从缆索、线圈、磁场、信号几方面出发,对缆索的磁弹索力传感器的设计方法进行了研究,提出了保证传感器的感应线圈内部缆索磁化均匀性、线圈安全励磁、提高灵敏度和信噪比等参数设计的具体方法与准则;根据钢缆索材料磁弹效应的材料特性优化传感器的工作点;最后针对某实际工程上应用的缆索,完成了磁弹索力传感器设计的仿真计算与实验验证,结果表明:传感器达到了预期的设计效果,且灵敏度为-0.3535mV/MPa,此设计方法用于磁弹索力传感器的设计可行。     

长输送油气管道膨胀检测涡流传感器线圈特性的研究

涡流传感器线圈完成信号收发,是涡流传感器的重要组成部分。为使涡流传感器具有更高的量程和线性度,论文对涡流传感器线圈轴向磁场进行研究。通过分析可知涡流传感器线圈轴向磁场与线圈内外径和轴向厚度有关。采用单一变量法进行研究可知,若要提高传感器的量程与线性范围,可通过增大传感器的外径实现;若要提高传感器的灵敏度,可通过减小线圈的轴向厚度和外径、增大线圈内径实现。本文为涡流传感器的后续研究奠定基础。     

基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器

针对现有磁场式直线时栅位移传感器行波磁场产生过程中,齿槽的存在影响行波磁场的匀速性,提出基于平面线圈线阵的直线时栅位移传感器。无齿槽的结构形式提高了行波磁场的匀速性,可实现大极距下的高精度测量。传感器将施加正交信号的两相励磁线圈相间排列形成平面线圈线阵,产生的行波磁场通过磁场拾取线圈感应出电行波信号,处理后得到位移量。通过电磁场分析软件对传感器进行建模仿真,根据仿真结果得到测量误差;通过理论分析对测量误差进行分析溯源,并根据分析结果对传感器结构进行优化。基于分析和优化结果研制出传感器样机,并进行了精度实验。实验表明,传感器在240 mm内测量精度为±1μm,实现了精密测量。     

高灵敏隧道磁阻传感器在铝合金材料检测中的应用北大核心CSCD

针对铝合金材料的电导率和厚度检测,基于隧道磁阻传感器的高灵敏特性设计了一种用隧道磁阻传感器替代涡流传感器中敏感线圈的装置,减小了激励线圈的体积和功耗。采用正交锁相放大器的信号处理电路降低了噪声,对铝合金材料引起的磁场变化灵敏度可达0.1μT。实验结果表明:电导率差值小于0.4×10^(7)S/m,厚度差为1 mm的3种被测铝合金材料可被准确区分。该装置与涡流传感器相比,体积更小,功耗更低,灵敏度更高。     

基于相敏检波原理的电涡流传感器电路

电涡流传感器的输出特性与被测对象的电磁特性有着密切的关系,严重限制了电涡流传感器的使用范围.通过对相敏检波原理的研究,采用相敏检波技术对传感器探头线圈阻抗信号进行正交分解,结合矢量投影方法来消除被测对象的电磁特性对传感器输出的影响.实验表明:在不同被测对象、同一检测距离下测得的传感器探头线圈的电阻分量和电抗分量存在线性的关系,利用归一化阻抗能够消除被测对象的电磁特性对传感器的影响.     

磁流变液减震器的设计开发和试验验证

首先根据磁流变液减震器工作原理,即磁流变液减震器通过线圈电流改变磁场调节磁流液在阻尼通道中的流动实现对减振器阻尼力的控制,并根据此原理试制出了减震器.其次根据减震器试验标准,对设计的减震器进行台架试验;在试验过程中对力传感器和位移传感器进行了标定,然后采集力信号及位移信号,并对试验数据进行了分析.