一种基于新型磁芯结构的感应式磁场传感器研究

Induction magnetometer is a kind of magnetic field sensor with wide bandwidth,high sensitivity and stable performance, which is widely used in the field of geophysical exploration and so on. In recent years, with the urgent need of high precision and three-dimensional electromagnetic exploration, the three-axis induction magnetometer used for 3D electromagnetic exploration has attracted more and more attention. This paper proposes a novel kind of Induction magnetometer of "Cube" structure using 12 ferrite magnetic rod core. The three-axis induction magnetometer is orthogonal symmetric with the same equivalent input magnetic noise level for each axis. It has the advantages of small size, high sensitivity and good integration, which is proper for TEM method and Frequency domain method exploration with wide application prospect. This project focuses on the optimization of the recipe and technological process of the core material; research on the apparent permeability of the "Cube" core structure and equivalent input magnetic noise and other performance indicators of the sensor; research on the crosstalk between different cores, sum up the law and the formation of effective compensation algorithm, eventually integrated a new kind of three-axis induction magnetometer with high sensitivity, small size and weight, which providing technical support for promoting the induction magnetometer to logging, space, marine and other special environment.

感应式磁场传感器是一种宽频带、高灵敏度、性能稳定的磁场传感器，广泛应用于地球物理勘探等领域。近年来，随着高精度和三维电磁勘探的迫切需求，用于三维电磁勘探的三轴感应式磁场传感器日益受到关注和重视。本课题设计了一款新型感应式磁场传感器，采用12根铁氧体磁芯，搭建“立方体”结构，实现三轴正交对称并且等效输入磁场噪声完全相同，可同时满足TEM方法探测和频率域方法探测的噪声要求，具有小型化、高灵敏度和集成度好等优点，应用前景广阔。本课题重点研究磁芯材料的配方和工艺流程；研究“立方体”磁芯结构的有效磁导率及传感器的等效输入磁场噪声等性能指标；研究传感器磁芯之间的串扰问题，总结规律并形成有效的补偿算法，最终集成高灵敏度、小型化、轻型化的三轴感应式磁场传感器，为推动感应式磁场传感器用于测井、空间、海洋等特殊环境提供技术支撑。

感应式磁场传感器是一种宽频带、高灵敏度、性能稳定的磁场传感器，广泛应用于地球物理勘探、空间探测、环境监测等领域。近年来，随着高精度和多维度电磁勘探的迫切需求，用于三维探测的三轴感应式磁场传感器日益受到关注和重视，研发小型化、高灵敏度、适应观测环境条件的三轴感应式磁场传感器是当前传感器研发的重要任务之一。.本项目研究了铁氧体软磁材料性能，研究了不同配方和工艺流程对铁氧体材料性能的影响。最终研发的铁氧体磁芯材料，具有高磁导率、低损耗、宽频率范围等特点，性能牢靠稳定，满足项目传感器应用需求。.本项目提出了一种Cube磁芯结构，通过12根磁芯搭建出磁芯立方体，实现三轴结构完全一致并正交对称。研发了基于Cube磁芯的三轴感应式磁场传感器样机，并进行相关测试实验，结果符合项目任务书要求，较好的完成了项目任务。.本项目研究并建立了Cube磁芯结构模型，深入研究Cube磁芯结构的三轴感应式磁场传感器同轴、轴间电磁干扰随频率、温度等参量的变化规律；基于同轴、轴间电磁干扰规律，提出了三轴磁场传感器优化设计及补偿方法。.综上，本项目以一种新型的Cube磁芯结构为基础，研究磁芯材料的性能提升和传感器整体电磁串扰的抵消，最终形成了一款优秀的小型化三轴感应式磁场传感器，在小体积（环柱体结构，外径≤100mm，内径≥40mm，长度≤100mm）低质量（<1kg）的条件下，实现了工作频率范围1Hz-200kHz，噪声水平<1 pT/√Hz@1 kHz，<40 fT/√Hz@>30kHz，较好地实现了项目申请时设定的研究目标，可同时满足TEM方法探测和频率域方法探测的噪声要求，有效的提高了横轴方向传感器的灵敏度，适用于石油\金属井探测、空间探测以及海洋探测等领域，具有广泛的应用前景。.在科技论文方面，项目组成员先后发表论文4篇，其中SCI论文3篇，以本项目为第一标注的有3篇。项目组成员共申请发明专利1项，受理（实审）1项。在人才培养方面，先后有3名研究生参与项目研究，均为博士生，均已毕业。