一种单发双收的零磁通探测线圈的制作方法

1.本实用新型涉及应用地球物理领域，具体涉及一种单发双收的零磁通探测线圈，其为一种时间域电磁法探测线圈。


背景技术：

2.时间域电磁法是一类人工源电磁勘探方法，该方法的基本做法是人为向地下发射一定频率的脉冲电磁场，地下电性介质由于电磁感应原理会产生一个二次感应场，这个不断衰减的二次场向上传播至接收线圈中。瞬变电磁接收的便是衰减的二次场信号，经过数据处理和反演手段反推地下介质的电学性质和结构特征。
3.瞬变电磁法发射源一般为脉冲激发电流，在两个脉冲电流之间进行观测，理论上发射波形为正负双极性方波，但现实中，由于电流无法实现瞬间关断，因此发射波形往往呈现梯形波或近似梯形波的发射波形，梯形的下降沿所用的时间称为关断时间。
4.由瞬变电磁法的原理可以看出，该方法理论上是在关断之后观测纯二次场的，但实际上，由于关断时间的存在，在关断期间，发射线圈内仍存在电流，尚存在一次场，同时又存在一部分近地表产生的二次场。一次场与二次场相互耦合，并且一次场的强度要相对较大，使得观测数据无法真实反映浅层信息，导致浅层存在一个探测盲区，一般来说，根据关断时间的长短，探测盲区在几米至二三十米之间不等。探测盲区的存在严重影响了瞬变电磁的浅层探测能力。
5.探测盲区的原因是关断期间一次场与二次场的耦合导致的，因此如果能够把一次场与二次场分离就可以提高瞬变电磁法的浅层探测精度，分离一、二次场有两种思路，从硬件上解决或通过算法解决。由于发射波形并非完全是典型的梯形波，因此从算法角度进行矫正也是近似的，目前没有能够完美解决关断期间一、二次场耦合的理论和方法。从硬件上解决是较为可靠稳定的办法，近年来，国内外公开一些能够削弱或消除一次场影响的探测装置，例如公告号为cn103837899a的装置，通过上下两个发射相反一次场的发射线圈，使得接收线圈处的磁通量为零，这种装置具有实时消除一次场的能力，但是发射一次场的能量却也耗损严重，探测能力有限。另一种公告号为cn106908845a的装置，将接收线圈设置在发射线圈的边缘处，通过接收线圈的特殊位置，使得一次场在接收线圈内的总磁通为零，同时又不削弱发射功率。这种装置尽管解决了一次场的影响，但是其接收线圈位置与发射线圈不在同一中心，不具有中心耦合的优势，与异常场的耦合性较弱。并且位置必须在仪器出厂时设定好，一旦位置有所偏差，就不能消除一次场，对仪器的稳定性要求较高。
6.总结来说，传统装置无法消除一次场，部分已公开的装置虽然解决了一次场影响，但有的削弱了发射功率，有的无法实现中心耦合。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是公开一种单发双收的零磁通探测线圈，用以解决上述背景技术中阐述的现存的问题。
8.为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
9.本实用新型提供一种单发双收的零磁通探测线圈，其组成包括发射机、一个发射线圈、一个内接收线圈、一个外接收线圈以及接收机。
10.所述发射机与发射线圈相连接；所述外接收线圈与内接收线圈分别与接收机相连；
11.所述发射线圈、内接收线圈以及外接收线圈三者处于同一平面；并且发射线圈完全将内接收线圈包围在内，外接收线圈完全将发射线圈包围在内，即发射线圈位于内接收线圈与外接收线圈之间，且三者不等大。
12.本实用新型所述的装置消除一次场的原理如下：
13.当发射机向发射线圈中供电之后，根据电磁场基本理论，在发射线圈产生的一次场在发射线圈内外方向是相反的，此时，内接收线圈接收的一次场为发射线圈内一次场的方向，而外接收线圈接收的场包括全部的发射线圈以内的场以及部分发射线圈以外的场，记外接收线圈接收的一次场为v1，记内接收线圈接收的一次场为v2，由以上描述可见，外接收线圈接收的场包含了内接收线圈接收的一次场。
14.在发射和关断期内，两个接收线圈独立接收。经过数据同步之后，用外接收线圈的接收信号v1减去内接收线圈接收的信号v2，相当于从外接收线圈中减去与内接收线圈重叠的部分一次场，剩余的一次场分为两部分：
15.外接收线圈与发射线圈之间的环形区域的一次场；
16.内接收线圈与发射线圈之间的环形区域的一次场。
17.这两个区域的一次场方向相反，因此，可以通过调节外接收线圈以及内接收线圈的面积、匝数等参数，调整上述两个区域的一次场磁通量，使得这两部分一次场完全抵消，以此来达到消除关断时间内，一次场对接收线圈的影响。
18.此外，当发射机内部的电流检测电路检测到关断完成，即不存在一次场，此时接收线圈仅仅接收地下介质产生的二次场。此时，经过同步电路的时间同步，可以使得接收机接收到的外接收线圈与内接收线圈的感应电动势相互叠加，可以起到增强二次场强度的作品。
19.作为本实用新型的改进方案，所述的发射线圈与内、外接收线圈均可以为任意的几何形状，可调整为例如：圆形、方形、椭圆形、多边形等等几何图形。所述发射线圈、外接收线圈以及内接收线圈的匝数和单匝面积可以根据需要进行调整。
20.本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的一种单发双收的零磁通探测线圈，采用单个发射线圈、两个独立的接收线圈，通过调节所述内、外接收线圈和发射线圈的匝数、形状、单匝面积等参数，使得外接收线圈接收的一次场减去内接收线圈接收的一次场为零，从而有效的消除了一次场对接收线圈的影响。
21.本实用新型的另一个有益的效果是，本实用新型提供的一种单发双收的零磁通探测线圈，在关断期内，使所述内、外发射线圈接收到的信号相减，达到削弱一次场的目的。而在关断之后，使所述内、外发射线圈接收到的信号相加，达到增强二次场的目的，增强探测能力。
附图说明
22.图1为本实用新型的一种圆形发射、接收线圈装置示意图；
23.图2为本实用新型的一种方形发射、接收线圈装置示意图；
24.图3为中心回线装置的接收信号；
25.图4为本实用新型提出的装置的接收信号；
具体实施方式
26.下面结合具体的实例，详细阐述本实用新型的技术方案，注意，以下叙述不是对本实用新型的限制，而是对本实用新型精神的阐述以及原理的解释说明，本实用新型并不局限于以下实例。
27.实施例1
28.如图1所示，为本实用新型所述的一种圆形发射线圈与圆形接收线圈的零磁通探测装置，其结构组成为：圆形外接收线圈1、圆形内接收线圈2、圆形发射线圈3、发射机4以及接收机5。
29.其中，发射线圈3与发射机4相连；外接收线圈1与内接收线圈2分别独立与接收机4相连；
30.所述外接收线圈1、内接收线圈2以及发射线圈3，三者处于同一平面，且发射线圈3完全将内接收线圈2包围在内，两者不重叠不相交，两者之间存在一个环形区域；所述外接收线圈1完全将发射线圈3包围在内，两者不重叠不相交，两者之间存在一个环形区域。
31.其消除一次场的原理如下：
32.首先由发射机4发射一定频率的双极性方波，在电流持续期，发射回线3内存在电流，在其周围空间产生一次场，假设发射机4发射的电流方向6为逆时针方向，则在发射线圈3内部磁场方向7为垂直纸面向外，而在发射线圈3外部，磁场方向7为垂直纸面向里。
33.此时，通过内接收线圈2的一次场方向垂直纸面相外，而通过外接收线圈1的磁场分为两部分，一部分是发射线圈3以内所有垂直纸面向外的一次场，另一部分是发射线圈3与外接收线圈1之间的环形区域的一次场，这部分一次场垂直纸面向内。
34.接着，通过同步电路，对外接收线圈1和内接收线圈2接收的信号进行同步，保证采样时刻对齐。
35.根据毕奥
‑
萨伐尔定律，任意一段电流元在空间中产生的磁感应强度等于：
[0036][0037]
进一步可以根据磁通量的计算式：
[0038]
φ＝nbs
[0039]
其中，n为线圈匝数，b为磁感应强度，s为投影面积。
[0040]
因此，通过调整外接收线圈1和内接收线圈2的匝数和面积可以改变通过其中的磁通量的大小。
[0041]
然后将经过时间同步的外接收线圈1与内接收线圈2的数据进行相减。
[0042]
以下存在三种情况：
[0043]
1)作为本实用新型的一种优选方式，若设计外接收线圈1与内接收线圈2的匝数相
同。
[0044]
则所述内、外接收线圈相减之后，相当于仅剩余两个区域的一次场：一部分是，外接收线圈1和发射线圈3之间环形区域的一次场，该场方向垂直纸面向内；另一部分为发射线圈3与内接收线圈2之间环形区域的一次场，该场方向垂直纸面向外。
[0045]
再通过调节外接收线圈1和内接收线圈2的半径，改变这两个环形区域的面积，使得两个区域的磁通量总和为零，即达到消除一次场的目的。
[0046]
2)作为本实用新型的另一种优选方式，若外接收线圈1匝数多于内接收线圈2的匝数。
[0047]
则所述内、外接线圈相减之后，内接收线圈2之内的区域两者接收的信号强度不想等，仍存在剩余一次场，且方向垂直纸面向外。相当于剩余两个区域的一次场，一部分是：外接收线圈1与发射线圈3之间环形区域的一次场，该场方向垂直纸面向内；另一部分是发射线圈3之内的磁场，该场方向垂直纸面向外。
[0048]
在通过调节外接收线圈1和内接收线圈的半径，使得上述两个区域的磁通量之和为零，即达到消除一次场的目的。
[0049]
3)作为本实用新型的第三张优选方式，若外接收线圈1匝数少于内接收线圈2的匝数。
[0050]
作为此方式，内接收线圈2匝数较多，因此在内接收线圈2之内的圆形区域，通过内接收线圈2的磁通量多于外接收线圈1的磁通量。则所述内、外接收线圈相减之后，相当于从外接收线圈1的信号中减去内接收线圈2的区域中的磁通量之后，还多减去了一部分垂直纸面向外的磁通量。
[0051]
再通过调节外接收线圈1和内接收线圈2的半径，使得所述内、外接收线圈的信号相减为零。即达到消除一次场的目的。
[0052]
实施例2
[0053]
如图2所示，为本实用新型的一种方形发射线圈与方形接收线圈的弱磁通瞬变电磁探测装置。
[0054]
其结构为：方形外接收线圈1、方形内接收线圈2、方形发射线圈3、发射机4以及接收机5。
[0055]
其中外接收线圈1和内接收线圈2分别独立与接收机5相连；
[0056]
发射线圈3与发射机4相连；
[0057]
所述外接收线圈1、内接收线圈2与发射线圈3，三者处于同一平面，彼此不重叠且不相交。
[0058]
本实例工作原理与实例1所述完全相同，本实例体现本实用新型对线圈几何形状不做要求，外接收线圈1、内接收线圈2与发射线圈3可以为任意的几何形状。
[0059]
实施例3
[0060]
如图3和图4所示，为本实用新型的探测装置与传统中心回线装置的信号对比，图3是传统中心回线装置的接收信号，图4是本实用新型提供的探测装置的实际测量信号。
[0061]
其中中心回线装置采用2(m)*2(m)*5(匝)的发射线圈，接收线圈采用1(m)*1(m)*6(匝)。发射电流6a，外部供电24v，发射频率125h。
[0062]
本实用新型提出的探测装置采用半径0.5m的圆形发射线圈，线圈匝数为26匝，外
接收线圈为圆形接收线圈，半径为0.6m，内接收线圈采用圆形接收线圈，半径为0.4m，内、外接收线圈的匝数均为20匝，发射主机与中心回线装置采用同一套发射机以及发射参数。
[0063]
在持续期，接收到的是发射线圈产生的一次场，根据图3和图4的对比可以看出，本实用新型提出的一种单发双收的探测装置，一次场的幅值更低。并且，在关断期间，中心回线装置的响应震荡严重，而本实用新型提供的一种单发双收探测装置信号稳定，关断期间的响应稳定，衰减期数据质量较高。
[0064]
应当说明的是，本技术领域的技术人员在本实用新型的所述实质范围之内所做的变化、改进、添加、删减或替换等操作，均应属于本实用新型所保护的范围。