磁反馈式宽频带传感器技术研究

在石油及深部金属矿产电磁勘探应用中，低噪声、高灵敏度、弱磁感应式传感器是关键部件之一，其性能直接决定着最终的测量结果。随着地下勘探范围的扩大，要求传感器的频带宽度大于6个数量级，此时需提高感应线圈谐振频率以保证线性相位，但会降低低频灵敏度。本课题利用磁反馈的方式，研究扩展传感器频带宽度的问题。其基本原理是将感应电压信号经初级放大后转换成电流信号反馈到绕在原感应线圈外部的反馈线圈上，形成磁反馈。利用该方式，在不影响信号质量的前提下，可以在扩展传感器频带时不需提高谐振频率。为实现对传感器噪声水平的测量，采用相关系数原理，将设计的三个指标相同的传感器同时置于静磁环境下测量，通过计算相关系数确定其噪声水平。本课题的研究目标是：传感器频带宽度为0.001Hz - 50KHz，输出灵敏度为0.1V/nT。研究成果可应用于大地电磁测深等频率域电磁法，也可应用于其它电磁探测。

为解决频率域电磁法中，微弱天然交变磁场的感应式测量问题，本项目主要研究磁反馈机理在宽频弱磁感应式传感器的应用，以及利用相关系数法获取传感器噪声水平。已经按要求完成0.001Hz-50kHz频带范围内正常工作的磁感应传感器，输出灵敏度达到0.92V/nT，噪声水平达到0.1pT/√Hz@1Hz。.项目在2010年一月启动后，首先进行了磁通反馈的理论研究工作，在确定合理的反馈系数后，利用有限元仿真软件，确定了磁芯的有效磁导率与其外形及长径比的关系以及有效磁导率与磁芯位置之间的函数关系，同时对感应线圈的电感、电容值进行了理论仿真，给出了感应线圈设计的最佳参数。在获取上述理论仿真结果后，2011年设计了传感器的敏感部件即感应线圈与磁芯，同时利用斩波放大技术实现了高精度低频放大，解决了普通放大电路带有1/f噪声的难题，对传感器敏感部件与放大器一起进行了联调，获取了二者之间的最佳匹配关系及噪声抑制能力。对传感器的灵敏度及噪声水平进行测试，并与德国产同类传感器MFS-06e进行性能对比，性能水平相当。2012年开始后，项目组在长春郊区天然磁场相对均匀的区域，进行了基于相关计算的噪声水平测试，通过分析被测信号的相关性及传感器个体噪声间的不相关性，获取传感器真实的噪声水平，实测结果获得的传感器噪声水平与理论计算值具有对应性，说明该方法在高灵敏度传感器噪声测试应用中的有效性。另外，对传感器结构稳定性及放大器温度稳定性进行了改进。目前已经初步实现了传感器的量产工作。.研制的宽频磁感应传感器在吉林白山、辽宁大台沟、吉林红旗岭及吉林长春净月潭分别进行了野外探测工作，同时在长春郊区与凤凰公司V5-2000进行大地电磁探测对比，均获取了较为理想的探测效果。另外，基于感应式测量原理，还延伸研制了空心线圈传感器。.目前在《仪器仪表学报》等杂志发表EI检索学术论文两篇，EI检索国际会议论文一篇，申请发明专利一项，已投稿SCI检索论文一篇，EI检索论文一篇。在本项目研究基础上，进一步获得了基金委面上资助项目《基于“磁滞复用”的超宽频（DC—10kHz）弱磁传感器技术研究》。本项目培养博士研究生两名，硕士研究生两名。.正是本基金项目的资助，使得项目组在宽频弱磁传感器研究与设计方面获得显著进展，并在野外勘探中取得应用，打破了该类传感器一直由国外技术垄断的局面。