CN111290029B - 非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置及制作方法，涉及地球物理勘探电磁法探测领域，装置包括瞬变电磁系统主机、发射线圈、Bucking补偿线圈、接收线圈及可移动装载平台，发射线圈、接收线圈及Bucking补偿线圈同中心轴不共面；Bucking补偿线圈与发射线圈串联，Bucking补偿线圈绕制方向与发射线圈绕制方向相反，Bucking补偿线圈位于接收线圈上方；接收线圈设置在发射线圈与Bucking补偿线圈之间，本发明解决了当前瞬变电磁小尺寸中心回线探测装置存在探测盲区、一次场耦合干扰以及探测效率低的技术问题。

Description

非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置及制作方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探电磁法探测领域，特别是涉及一种应用于城市地下地质探测的非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置及制作方法。

背景技术

随着城市人口聚集，城镇土地资源利用率越发紧张，地下空间开发利用以及与地下空间相关的安全运营已成为我国大中型城市亟待解决的重要课题。要实现安全、高效的利用地下空间，就必须先探测地下空间的地质构造。地面瞬变电磁法作为一种重要的地球物理勘探方法，与浅层地震、探地雷达等方法相比，在城市地下空间探测中具有探测深度大、工作方式便捷等优点。瞬变电磁中心回线装置由于具有对地下异常感应幅度大、横向分辨率高等优点，是适用于城市地下空间的首选回线装置，然而受到城市道路测量环境限制，需要采用瞬变电磁小尺寸探测线圈。此时接收线圈与发射线圈相对较近，受一次场干扰较为严重，必须采取措施进行补偿。

传统航空瞬变电磁法中，针对中心回线装置引入了Bucking补偿线圈，即在接收线圈与发射线圈所在面之间加入反向发射线圈，从而使得接收线圈处一次场耦合效应减弱，防止接收放大器饱和，且由于在高空中，Bucking补偿线圈引发的近区效应可以忽略不计。然而这种方法应用于地面小尺寸探测线圈时，不可避免地会带来近区效应，即由于Bucking补偿线圈的引入，使得靠近接收线圈的地层几乎没有二次场响应，从而带来理论上的探测盲区。对于城市道路环境而言，浅层地质往往含有管道、电缆等异常体，需要较高的浅层探测分辨率，且传统瞬变电磁人工移动式探测的探测效率低。因此，研究具有浅层无盲区、低一次场耦合和高探测效率的瞬变电磁探测技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供了一种非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置及制作方法，通过引入可移动装载平台，优化探测线圈相对位置，解决了当前瞬变电磁小尺寸中心回线探测线圈存在探测盲区、一次场耦合干扰以及探测效率低的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提出了一种非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置，其特征在于，包括：瞬变电磁系统主机、发射线圈、Bucking补偿线圈、接收线圈以及可移动装载平台，所述瞬变电磁系统主机设置在可移动装载平台上，瞬变电磁系统主机分别与发射线圈和接收线圈相连，瞬变电磁系统主机用于向发射线圈通以脉冲电流信号，同时接收接收线圈向其反馈的一次场感应电压信息；所述发射线圈固定在可移动装载平台的台面上，发射线圈位于接收线圈及Bucking补偿线圈下方，发射线圈、接收线圈及Bucking补偿线圈同中心轴不共面；所述Bucking补偿线圈与发射线圈串联，Bucking补偿线圈绕制方向与发射线圈绕制方向相反，Bucking补偿线圈位于接收线圈上方，Bucking补偿线圈通过绝缘支架固定在可移动装载平台上；所述接收线圈设置在发射线圈与Bucking补偿线圈之间，接收线圈通过绝缘支架固定在可移动装载平台上；所述可移动装载平台为绝缘平台。

进一步，所述发射线圈采用铜质漆包线绕制成多匝方形回线，发射线圈的边长尺寸小于城市道路宽度。

进一步，所述Bucking补偿线圈采用铜质漆包线绕制成单匝方形回线，所述Bucking补偿线圈边长在发射线圈边长的0.2～0.3倍间取值。

进一步，所述接收线圈采用铜质漆包线绕制成多匝方形回线，接收线圈边长小于等于发射线圈边长的0.3倍。

所述的非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置，其特征在于：绕制所述发射线圈时，预留一段用于反向绕制Bucking补偿线圈，发射线圈与Bucking补偿线圈(3)连接段采用双绞线形式绕制。

本发明还提出了一种制作上述非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将铜质漆包线顺时针绕制成边长a，匝数为N_a的方形线圈，并留出一定铜线余量，得到发射线圈，将发射线圈放置于可移动装载平台中心，可移动装载平台距离地面高度为h₀；

S2.将发射线圈剩余铜质漆包线在距离发射线圈正上方h处，同轴反向绕制成边长b，匝数为N_b的方形线圈，得到Bucking补偿线圈；

S3.将接收线圈绕制为边长c，匝数为N_c的方形线圈，将其同轴固定于发射线圈与Bucking补偿线圈之间，接收线圈与发射线圈的距离为h_ac米，接收线圈与Bucking补偿线圈的距离为h_bc米，h＝h_ac+h_bc；

其中，所述的Bucking补偿线圈与发射线圈的距离h由如下方式得到：

根据引入Bucking补偿线圈后其与发射线圈共同对地面同轴位置点的垂直方向磁场强度与仅有发射线圈时该点的垂直方向磁场强度的比值大于0.9时来确定，满足下式：

B_a(h₀)-B_b(h₀+h)≥0.9B_a(h₀)

其中B_a(h₀)为发射线圈沿中心轴方向的地面位置所在点的垂直方向磁场强度，h₀为发射线圈与地面的垂直距离，为已知量；B_b(h₀+h)为Bucking补偿线圈沿中心轴方向的地面位置所在点的垂直方向磁场强度；

再根据毕奥萨伐尔定律，对于边长为2r的方形载流线圈中心轴线上d处的磁场强度B_z(d)满足：

式中I为方形线圈电流大小，d为沿中心轴线上点距离方形线圈平面中心点的距离，μ₀为真空磁导率；将发射线圈与Bucking补偿线圈的尺寸距离参数代入该公式，即可确定Bucking补偿线圈与发射线圈的距离h；

其中，所述的接收线圈与发射线圈的距离h_ac，以及接收线圈与Bucking补偿线圈的距离h_bc值的确定方法包括以下步骤：

①利用诺依曼公式计算边长尺寸为a，匝数为N_a的发射线圈对边长尺寸为c，匝数为N_c接收线圈的互感系数M_ac

式中x_a、y_a对应发射线圈上的积分点横纵坐标；x_c、y_c对应接收线圈上的积分点横纵坐标；f(x_a,x_c)与f(y_a,y_c)为线元积分系数，满足下式：

②同理计算边长尺寸为b，匝数为N_b的Bucking补偿线圈对接收线圈的互感系数M_bc为

式中x_b、y_b对应发射线圈上的积分点横纵坐标；x_c、y_c对应接收线圈上的积分点横纵坐标；

③利用h＝h_ac+h_bc已知条件，通过上述积分公式即可求得当M_ac＝M_bc时，所述的接收线圈与发射线圈的距离h_ac及接收线圈与Bucking补偿线圈的距离h_bc，此时得到的参数能够使得接收线圈处于一次场零耦合状态。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置及制作方法，首先根据设计要求，确定发射线圈、Bucking补偿线圈以及接收线圈的尺寸，根据毕奥萨伐尔定律求得可忽略近区效应的Bucking补偿线圈位置，利用线圈间的互感系数计算最佳接收线圈所在位置，在实际操作中，通过上下微调接收线圈的位置，可以弥补尺寸设计不精确带来的误差，使得接收线圈较容易处于一次场零耦合位置。本发明能够在实现减小接收线圈一次场耦合干扰的同时，使得补偿线圈带来的近区效应可忽略，探测线圈总体向下发射磁矩损失小，由于非共面的设计，接收线圈零耦合状态相对更好调节，此外拖曳式可移动装载平台的设计使得现场探测效率更高，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置的制作流程图；

图3为本发明实施例中非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置的测试流程图。

图中：1-瞬变电磁系统主机；2-发射线圈；3-Bucking补偿线圈；4-接收线圈；5-可移动装载平台；6-塑料台柱；7-双绞线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置的结构示意图，该装置包括瞬变电磁系统主机1、发射线圈2、Bucking补偿线圈3、接收线圈4以及可移动装载平台5。

所述瞬变电磁系统主机1集成了瞬变电磁的发射系统与接收系统，具有人机交互界面，可以设置发射电流、发射频率、发射波形以及接收采样率，同时瞬变电磁系统主机1具有大容量存储空间，用于存储采集数据；瞬变电磁系统主机1分别与发射线圈2和接收线圈4相连，瞬变电磁系统主机1用于向发射线圈2通以脉冲电流信号，同时接收接收线圈4向其反馈的一次场感应电压信息。

所述发射线圈2采用铜质漆包线绕制成多匝方形回线，发射线圈2固定于可移动装载平台5的台面上，位于接收线圈4与Bucking补偿线圈3下方，同时其与接收线圈4及Bucking补偿线圈3同中心轴不共面，发射线圈2的边长尺寸小于城市道路宽度(小于2.3m)，本实施例选取发射线圈2边长尺寸为2m。

所述Bucking补偿线圈3采用铜质漆包线绕制成单匝方形回线，Bucking补偿线圈3与发射线圈2串联，Bucking补偿线圈3绕制方向与发射线圈2绕制方向相反，Bucking补偿线圈3位于接收线圈4上方，Bucking补偿线圈3通过塑料台柱6固定在可移动装载平台5上；Bucking补偿线圈3边长尺寸在发射线圈2边长尺寸的0.2～0.3倍间取值，本实施例选取Bucking补偿线圈3边长尺寸为0.56m。

所述接收线圈4采用铜质漆包线绕制成多匝方形回线，放置于发射线圈2与Bucking补偿线圈3之间，通过塑料台柱6固定，为使得接收线圈4处在相对均匀区，接收线圈4的边长尺寸一般不超过发射线圈2边长尺寸的0.3倍，本实施例选取接收线圈4边长尺寸0.3m。

所述可移动装载平台5是可移动式绝缘的塑料装载平台，用于装载整个瞬变电磁系统，可移动装载平台5的平台面上用于固定瞬变电磁系统主机1与发射线圈2，通过可移动装载平台5上的塑料台柱6固定Bucking补偿线圈3及接收线圈4。

所述Bucking补偿线圈3一般是在绕制发射线圈2时，多留出一段，用于反向绕制非共面Bucking补偿线圈3，发射线圈2与Bucking补偿线圈3连接段采用双绞线7形式绕制。

参见图2示出了装置制作流程图，包括如下步骤：

S1.将发射线圈2放置于可移动装载平台5中心，移动可移动装载平台5距离地面高度为h₀＝0.3m，将铜质漆包线顺时针绕制成边长尺寸a＝2m，匝数为N_a＝4的方形线圈，并留出一定铜线余量；

S2.将发射线圈2剩余铜线在距离发射线圈2正上方h处，同轴反向绕制单匝且边长尺寸为b＝0.56m的Bucking补偿线圈3；

S3.同样的将接收线圈4绕制为边长尺寸为c＝0.56m，匝数为N_c＝128的方形线圈，将其同轴固定于发射线圈2与Bucking补偿线圈3之间，接收线圈4与发射线圈2的距离为h_ac米，接收线圈4与Bucking补偿线圈3的距离为h_bc米，h＝h_ac+h_bc；

其中，所述的Bucking补偿线圈3与发射线圈2的距离h由如下方式得到：

根据引入Bucking补偿线圈3后其与发射线圈2共同对地面同轴位置点的垂直方向磁场强度与仅有发射线圈2时该点的垂直方向磁场强度的比值大于0.9时来确定，满足下式：

B_a(h₀)-B_b(h₀+h)≥0.9B_a(h₀)

其中B_a(h₀)为发射线圈2沿中心轴方向的地面位置所在点的垂直方向磁场强度，h₀为发射线圈2与地面的垂直距离，为已知量；B_b(h₀+h)为Bucking补偿线圈3沿中心轴方向的地面位置所在点的垂直方向磁场强度；

再根据毕奥萨伐尔定律，对于边长为2r的方形载流线圈中心轴线上d处的磁场强度B_z(d)满足：

式中I为方形线圈电流大小，d为沿中心轴线上点距离方形线圈平面中心点的距离，μ₀为真空磁导率；将发射线圈2与Bucking补偿线圈3的尺寸距离参数代入该公式，即可确定Bucking补偿线圈3与发射线圈2的距离，本实施例中求得Bucking补偿线圈3与发射线圈2的距离h＝0.3m；

所述的接收线圈4与发射线圈2的距离h_ac及接收线圈4与Bucking补偿线圈3的距离h_bc值的确定方法包括以下步骤：

①利用诺依曼公式计算边长尺寸为a，匝数为N_a的发射线圈2对边长尺寸为c，匝数为N_c接收线圈4的互感系数M_ac

式中x_a、y_a对应发射线圈2上的积分点横纵坐标；x_c、y_c对应接收线圈4上的积分点横纵坐标；f(x_a,x_c)与f(y_a,y_c)为线元积分系数，满足下式：

②同理计算边长尺寸为b，匝数为N_b的Bucking补偿线圈3对接收线圈4的互感系数M_bc为

式中x_b、y_b对应发射线圈2上的积分点横纵坐标；x_c、y_c对应接收线圈4上的积分点横纵坐标；

③利用h＝h_ac+h_bc已知条件，通过上述积分公式即可求得当M_ac＝M_bc时，所述的接收线圈4与发射线圈2的距离h_ac及接收线圈4与Bucking补偿线圈3的距离h_bc，本实施例求得h_ac＝0.24m，h_bc＝0.06m；

S4.当互感系数相等时，由于发射线圈2与Bucking补偿线圈3是串联结构，电流大小相同，方向相反，此时，接收线圈2所在面的总磁通量为零。

在实际求得接收线圈4理论所在位置后，由于难免会有线圈人工绕制等因素带来的误差，因此在理论位置值附近对接收线圈4进行轻微挪动调整，并通过示波器观察接收线圈4所接收的二次涡流场信号状态调整至最佳位置，最后进行固定。

参见图3示出了制作完成后，对非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置进行测试的测试流程图，包括以下几个步骤：

S1.将发射线圈2、Bucking补偿线圈3、接收线圈4及瞬变电磁系统主机1在可移动装载平台5上装配固定好后，将发射线圈2、Bucking补偿线圈3及接收线圈4输入输出口通过引线与瞬变电磁系统主机1接口相连接，发射线圈2、Bucking补偿线圈3和接收线圈4构成探测线圈；

S2.根据现场情况，布置非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置，选定测点与测线，通过瞬变电磁系统主机1设置瞬变电磁发射参数与数据采集参数，进行全程数据采集；

S3.拖动可移动装载平台5沿着测线对测点依次测量，记录测量数据直至测量结束；

S4.将测量数据进行数据预处理后，利用视电阻率算法进行成像。

利用上述参数将非共面Bucking补偿的瞬变电磁装置结构在商用有限元软件ANSYS Electronics中进行建模仿真，设置发射电流为10A，关断时间为3微秒，均匀半空间情况下探究接收线圈4的一次场感应电压大小，仿真结果表明在传统共面Bucking补偿设计中，一次场感应电压为3V，在本实施例非共面Bucking补偿结构设计下，一次场感应电压仅为30mV，更有效的抑制了一次场耦合干扰。

Claims (1)

1.一种非共面Bucking补偿的拖曳式电磁装置，其特征在于，包括：瞬变电磁系统主机(1)、发射线圈(2)、Bucking补偿线圈(3)、接收线圈(4)以及可移动装载平台(5)，所述瞬变电磁系统主机(1)设置在可移动装载平台(5)上，瞬变电磁系统主机(1)分别与发射线圈(2)和接收线圈(4)相连，瞬变电磁系统主机(1)用于向发射线圈(2)通以脉冲电流信号，同时接收接收线圈(4)向其反馈的一次场感应电压信息；所述发射线圈(2)固定在可移动装载平台(5)的台面上，发射线圈(2)位于接收线圈(4)及Bucking补偿线圈(3)下方，发射线圈(2)、接收线圈(4)及Bucking补偿线圈(3)同中心轴不共面；所述Bucking补偿线圈(3)与发射线圈(2)串联，Bucking补偿线圈(3)绕制方向与发射线圈(2)绕制方向相反，Bucking补偿线圈(3)位于接收线圈(4)上方，Bucking补偿线圈(3)通过绝缘支架固定在可移动装载平台(5)上；所述接收线圈(4)设置在发射线圈(2)与Bucking补偿线圈(3)之间，接收线圈(4)通过绝缘支架固定在可移动装载平台(5)上；所述可移动装载平台(5)为绝缘平台；

将铜质漆包线顺时针绕制成边长a，匝数为N_a的方形线圈，并留出一定铜线余量，得到发射线圈(2)，将发射线圈(2)放置于可移动装载平台(5)中心，可移动装载平台(5)距离地面高度为h₀；

将发射线圈(2)剩余铜质漆包线在距离发射线圈(2)正上方h处，同轴反向绕制成边长b，匝数为N_b的方形线圈，得到Bucking补偿线圈(3)；

将接收线圈(4)绕制为边长c，匝数为N_c的方形线圈，将其同轴固定于发射线圈(2)与Bucking补偿线圈(3)之间，接收线圈(4)与发射线圈(2)的距离为h_ac米，接收线圈(4)与Bucking补偿线圈(3)的距离为h_bc米，h＝h_ac+h_bc；

其中，所述的Bucking补偿线圈(3)与发射线圈(2)的距离h由如下方式得到：

根据引入Bucking补偿线圈(3)后其与发射线圈(2)共同对地面同轴位置点的垂直方向磁场强度与仅有发射线圈(2)时该点的垂直方向磁场强度的比值大于0.9时来确定，满足下式：

B_a(h₀)-B_b(h₀+h)≥0.9B_a(h₀)

其中B_a(h₀)为发射线圈(2)沿中心轴方向的地面位置所在点的垂直方向磁场强度，h₀为发射线圈(2)与地面的垂直距离，为已知量；B_b(h₀+h)为Bucking补偿线圈(3)沿中心轴方向的地面位置所在点的垂直方向磁场强度；

再根据毕奥萨伐尔定律，对于边长为2r的方形载流线圈中心轴线上d处的磁场强度B_z(d)满足：

式中I为方形线圈电流大小，d为沿方形线圈中心轴线上点距离方形线圈平面中心点的距离，μ₀为真空磁导率；将发射线圈(2)与Bucking补偿线圈(3)的尺寸距离参数代入该公式，即可确定Bucking补偿线圈(3)与发射线圈(2)的距离h；

其中，所述的接收线圈(4)与发射线圈(2)的距离h_ac及接收线圈(4)与Bucking补偿线圈(3)的距离h_bc值的确定方法包括以下步骤：

①利用诺依曼公式计算边长尺寸为a，匝数为N_a的发射线圈(2)对边长尺寸为c，匝数为N_c接收线圈(4)的互感系数M_ac

式中x_a、y_a对应发射线圈(2)上的积分点横纵坐标；x_c、y_c对应接收线圈(4)上的积分点横纵坐标；f(x_a,x_c)与f(y_a,y_c)为线元积分系数，满足下式：

②同理计算边长尺寸为b，匝数为N_b的Bucking补偿线圈(3)对接收线圈(4)的互感系数M_bc为

式中x_b、y_b对应发射线圈(2)上的积分点横纵坐标；x_c、y_c对应接收线圈(4)上的积分点横纵坐标；

③利用h＝h_ac+h_bc已知条件，通过上述积分公式即可求得当M_ac＝M_bc时，所述的接收线圈(4)与发射线圈(2)的距离h_ac及接收线圈(4)与Bucking补偿线圈(3)的距离h_bc，此时得到的参数能够使得接收线圈(4)处于一次场零耦合状态；

所述发射线圈(2)采用铜质漆包线绕制成多匝方形回线，发射线圈(2)的边长尺寸小于城市道路宽度；

所述Bucking补偿线圈(3)采用铜质漆包线绕制成单匝方形回线，所述Bucking补偿线圈(3)边长在发射线圈(2)边长的0.2～0.3倍间取值；

所述接收线圈(4)采用铜质漆包线绕制成多匝方形回线，接收线圈(4)边长小于等于发射线圈(2)边长的0.3倍；

绕制所述发射线圈(2)时，预留一段用于反向绕制Bucking补偿线圈(3)，发射线圈(2)与Bucking补偿线圈(3)连接段采用双绞线形式绕制。

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