长周期大地电磁三轴磁通门传感器的研究

摘要

长周期大地电磁测深法是获取地球深部信息的重要手段之一，国内开展长周期大地电磁勘探工作主要依赖进口设备，有些设备甚至限制出口中国，其中低噪声、低温漂的三轴磁通门传感器是长周期大地电磁测深仪的核心部件，技术难度大，国内目前还无可应用的成熟产品。受国家高技术研究发展计划（863计划）重大项目课题“长周期分布式大地电磁观测系统（编号:2014AA06A612）”的资助，论文对三轴磁通门传感器开展了研究。
　　磁通门传感器是典型的饱和式磁传感器，负责测量恒定磁场或者缓慢变化的磁场，其工作原理简单、所占空间小、温度稳定性好，具有较强的应用需求。课题的关键技术指标是噪声水平，本论文以此为研究目标设计的闭环式磁通门传感器包括磁通门探头和磁通门电路两部分。首先调研了目前常见的磁通门探头结构，提出了三轴一体化且具有独立反馈线圈的探头设计方案。通过建立双磁芯探头的数学模型，采用量纲分析法研究方波电压激磁下的磁通门信号特点;通过分析磁芯材料的电磁特性，选择合适的磁芯材料;对激励环节进行数学仿真，得出激励环节的各物理量波形，并与实测波形对比分析;实测检测线圈的电性参数，并联电容使二次谐波分量处于谐振状态;假设双磁芯中的一磁芯上余有磁场，进而导致磁通门信号中的二次谐波分量幅值时变，证明了反馈磁场均匀性会影响磁通门的稳定性，提出一种紧凑球面型反馈线圈结构，并研究了最佳参数确定方法来设计反馈线圈加工参数。磁通门电路由激励电路和三轴的信号处理电路组成。激励电路中选用LDO线性稳压源保证方波的幅值稳定性，采用单片机C8051F330设计方波产生器来实现方波的频率可调并具高稳定性，搭建全桥驱动电路提高供给激励线圈的激励电流。采用二次谐波法设计信号处理电路，由前置运放、带通滤波、相敏检波、平滑滤波、积分器以及反馈回路组成，前置运放和带通滤波实现放大二次谐波信号，主要滤除基频和三倍频噪声;重点分析各谐波分量经过相敏检波和后一级平滑滤波后对最终直流输出的影响。
　　最后对制作的三轴磁通门传感器原理样机进行测试，三轴的磁场测量范围为±78000nT，三轴的频率响应范围为DC-10Hz，三轴的噪声水平最低值小于20pT/√Hz@1Hz，结果表明，采用紧凑球面型反馈线圈的三轴磁通门传感器能有效降低噪声。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究情况

1．2．2 国内研究情况

1．3 主要研究内容和章节安排

第2章 长周期大地电磁三轴磁通门传感器

2．1 三轴磁通门传感器

2．2 需求分析及设计方案

2．3 本章小结

第3章 磁通门探头的研究与设计

3．1 探头的数学模型分析

3．2 磁芯材料性能分析与选择

3．3 激励环节的仿真与调试

3．4 检测线圈的调试

3．5 反馈线圈参数设计与调试

3．5．1 反馈磁场均匀性对闭环式磁通门传感器的影响

3．5．2 紧凑球面型反馈线圈的轴线上磁场分布

3．5．3 紧凑球面型反馈线圈的最佳参数确定

3．6 本章小结

第4章 磁通门电路的研究与设计

4．1 电路的总体设计

4．2 激励电路

4．2．1 方波产生器电路

4．2．2 全桥驱动电路

4．3 信号处理电路

4．3．1 前置运放电路

4．3．2 带通滤波电路

4．3．3 相敏检波电路

4．3．4 平滑滤波器电路

4．3．5 积分器电路

4．3．6 反馈回路

4．4 本章小结

第5章 三轴磁通门传感器的性能测试

5．1 灵敏度及磁场测量范围测试

5．2 频率响应测试

5．3 内部噪声测试

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果