瞬变电磁传感器和瞬变电磁信号获取方法

摘要

本发明提供了一种瞬变电磁传感器和瞬变电磁信号获取方法；该瞬变电磁传感器包括依次连接的空心线圈、放大器和输出接口；该瞬变电磁传感器能够放置于三脚架上，该三脚架用于调平空心线圈；空心线圈用于获取大地的磁场响应信号并得到感应电动势；放大器对该感应电动势进行放大；输出接口用于将放大后的感应电动势发送至外部设备。本发明中的瞬变电磁传感器使用空心线圈，可避免有磁芯线圈易于磁芯饱和的问题，且空心线圈的横截面积较大，保证了空心线圈具有较大的接收面积。同时，该瞬变电磁传感器的设计尺寸可保证该传感器能够安装在三脚架上，以便于进行野外作业和提高瞬变电磁法测量的便捷性。

说明书

技术领域

本发明涉及感应线圈技术领域，尤其是涉及一种瞬变电磁传感器和瞬变电磁信号获取方法。

背景技术

瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain Electromagnetic Methods，简称TEM)，它是一种利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈、磁探头或接地电极观测二次涡流场的方法。根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，可对含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等进行探测。瞬变电磁法在提高探测深度和在高阻地区寻找低阻地质体方面具有广泛的应用。

相关技术中，瞬变电磁法使用的感应式传感器主要可分为两种，一种是带磁芯的棒状传感器，另一种是空心线圈传感器。虽然瞬变电磁用棒状感应式传感器可以装配在三脚架上野外作业，但是由于存在高导磁磁芯，在较小发射线框使用时磁芯容易饱和，影响测量数据的可靠性；对于空心线圈传感器，虽然其直径一般大于50厘米，接收面积较大且能够避免磁芯饱和问题，但是由于其体积偏大，无法使用三脚架调平，野外使用困难，特别是在地形陡峭的山区使用极其不便。因此，目标瞬变电磁法使用的感应式传感器均存在测量不便的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瞬变电磁传感器和瞬变电磁信号获取方法，以提高瞬变电磁法测量的便捷性。

第一方面，本发明提供了一种瞬变电磁传感器；该瞬变电磁传感器包括依次连接的空心线圈、放大器和输出接口；该瞬变电磁传感器能够放置于预设的三脚架上，该三脚架用于调平该空心线圈；该空心线圈用于获取大地的磁场响应信号，并根据该磁场响应信号得到感应电动势；该放大器对该感应电动势进行放大，得到放大后的感应电动势；该输出接口用于将该放大后的感应电动势发送至外部设备。

在可选的实施方式中，上述传感器还包括第一外壳；该第一外壳包围在该空心线圈的外部；该第一外壳用于保护该空心线圈。

在可选的实施方式中，上述传感器还包括调平水泡；该调平水泡嵌入在该第一外壳上，且该调平水泡位于该第一外壳的上方；该调平水泡用于指示该空心线圈是否调平。

在可选的实施方式中，上述传感器还包括与该放大器连接的电池；该电池用于为该放大器供电。

在可选的实施方式中，上述传感器还包括第二外壳；该第二外壳用于包围该放大器和该电池。

在可选的实施方式中，上述放大器设置于该电池的上方；该输出接口嵌入在该第二外壳上，且该输出接口位于第二外壳的下方。

在可选的实施方式中，上述第一外壳通过预设的法兰盘与第二外壳连接为一个整体；或者，上述第一外壳与第二外壳粘连为一个整体。

在可选的实施方式中，上述第一外壳的直径为25厘米；第二外壳的直径为7.5厘米；第二外壳能够加持在该三脚架上。

第二方面，本发明实施例提供一种瞬变电磁信号获取方法，该方法应用于前述实施方式任一项所述的瞬变电磁传感器；该瞬变电磁传感器能够放置于预设的三脚架上；该瞬变电磁传感器包括依次连接的空心线圈、放大器和输出接口；该方法包括：该瞬变电磁传感器放置于三脚架上，且该空心线圈通过三脚架调平后，通过空心线圈获取大地的磁场响应信号，并根据磁场响应信号得到感应电动势；通过该放大器对该感应电动势进行放大，得到放大后的感应电动势；通过该输出接口将放大后的感应电动势发送至外部设备。

在可选的实施方式中，上述通过空心线圈获取大地的磁场响应信号，并根据磁场响应信号得到感应电动势的步骤，包括：通过下述算式，将该磁场响应信号转化为感应电动势：

e＝-jωNSB

其中，e表示空心线圈两端的感应电动势；B表示磁场响应信号；ω表示大地的磁场的角频率；N表示空心线圈的匝数；S表示空心线圈所围成的截面的横截面积。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明提供了一种瞬变电磁传感器和瞬变电磁信号获取方法；该瞬变电磁传感器包括依次连接的空心线圈、放大器和输出接口；该瞬变电磁传感器能够放置于预设的三脚架上，该三脚架用于调平该空心线圈；空心线圈用于获取大地的磁场响应信号，并根据该磁场响应信号得到感应电动势；放大器对该感应电动势进行放大，得到放大后的感应电动势；输出接口用于将放大后的感应电动势发送至外部设备。本发明中的瞬变电磁传感器使用空心线圈，可避免有磁芯线圈易于磁芯饱和的问题，且空心线圈的横截面积较大，保证了空心线圈具有较大的接收面积。同时，该瞬变电磁传感器的设计尺寸可保证该传感器能够安装在三脚架上，以便于进行野外作业和提高瞬变电磁法测量的便捷性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有的带磁芯的棒状传感器的示意图；

图2为现有的空心线圈传感器的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种瞬变电磁传感器的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种瞬变电磁传感器的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种瞬变电磁传感器与三脚架的装配示意图；

图6为本发明实施例提供的一种瞬变电磁信号获取方法的流程图。

图标：101-空心线圈；102-放大器；103-输出接口；201-调平水泡；202-第一外壳；203-第二外壳；204-法兰盘；205-电池；50-三脚架；51-瞬变电磁传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

瞬变电磁法通常是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。

上述瞬变电磁法的基本工作方法为：首先在地面或空中设置发射线圈，该发射线圈能够发射一定波形的电流，从而该发射线圈周围空间将产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。该衰减过程一般分为早、中和晚期，其中，早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，存在衰减快、趋肤深度小的特点；而晚期的电磁场成分则相当于频率域中的低频成分，存在衰减慢，趋肤深度大的特点。在实际应用中，通过测量、计算供电间歇期各个时间段的二次场随时间变化规律(衰减曲线)，可以推断地下异常地质体的电性差异和空间分布形态。瞬变电磁法是低阻异常填图和金属矿、煤田、地下水勘查较为实用可靠的物探方法之一。现有瞬变电磁法野外工作装置包括发射机、接收机和接收传感器。发射机在发射线框中重复发射占空比为50％的方波，在发射间歇期记录大地的响应过程，从而对地下磁场进行探测。

相关技术中，瞬变电磁法使用的感应式传感器主要可分为两种。一种是带磁芯的棒状传感器，如图1所示，可以使用三脚架调平；一种是空心线圈传感器，如图2所示，直径较大，一般直径大于50厘米，不能使用三脚架调平，野外使用不方便。而且，对于瞬变电磁用棒状感应式传感器由于存在高导磁磁芯，在较小发射线框使用时磁芯容易饱和，影响测量；对于现有的瞬变电磁用空心线圈传感器由于体积偏大，无法使用三脚架调平，野外使用困难，特别是在地形陡峭的山区使用及其不便。因此，目前瞬变电磁法使用的感应式传感器均存在测量不便的问题。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种瞬变电磁传感器和瞬变电磁信号获取方法，该技术可以应用于各种感应线圈技术领域的场景中。

为了便于对本发明实施例进行理解，首先对本发明实施例提供的一种瞬变电磁传感器进行详细介绍，如图3所示，该瞬变电磁传感器包括依次连接的空心线圈101、放大器102和输出接口103；瞬变电磁传感器能够放置于预设的三脚架上，该三脚架用于调平空心线圈101。

上述空心线圈101用于获取大地的磁场响应信号，并根据磁场响应信号得到感应电动势；放大器102用于对感应电动势进行放大，得到放大后的感应电动势；输出接口103用于将放大后的感应电动势发送至外部设备。

具体地，上述空心线圈101包括空心骨架与线圈两部分。其中，空心骨架通常是指中心是没有任何东西，线圈通常是指导线一根一根绕起来，绕成圆形、矩形等任何形状，且导线彼此互相绝缘，导线可以是铜、铁、铝等金属材料。通常空心线圈101所围成的形状具有较大的横截面积，更方便于接收外界信号。

上述空心线圈101可以获取外界的信号，通常空心线圈101所围成的横截面积越大，能得到更加全面、准确的外界信号。空心线圈101将从外界获取的磁场响应信号转换为感应电动势，从而判断大地内部的构造。

上述放大器102通常仪用放大器、滤波器组成，该放大器102能够对输入的信号的电压进行放大。该放大器102是前置放大器。通常前置放大器具有较高的电压增益，可以将小信号放大为标准信号上。

上述输出接口103通常是航空插头型接口，可以将空心线圈101感应出的信息发送至外部设备。该外部设备可以是专用的地球物理接收设备。

上述瞬变电磁传感器上部设置有空心线圈101，传感器下部设置有放大器102和输出接口103。该传感器上宽下窄，既能够保证空心线圈101具有较大的接收面积，也能够保证该传感器能够安装在预设的三脚架上以便于野外作业。在进行实地勘探时，需要首先把瞬变电磁传感器放置于三脚架上，利用三脚架调平水泡201，从而将瞬变电磁传感器内部的空心线圈101调平，从而保证空心线圈101接收到的磁场信号为竖直的磁场响应信号。

本实施例提供了一种瞬变电磁传感器，该传感器包括依次连接的空心线圈、放大器和输出接口；该瞬变电磁传感器能够放置于预设的三脚架上，该三脚架用于调平该空心线圈；空心线圈获取大地的磁场响应信号，并根据该磁场响应信号得到感应电动势；放大器对该感应电动势进行放大，得到放大后的感应电动势；输出接口将放大后的感应电动势发送至外部设备。本发明中的瞬变电磁传感器使用空心线圈，可避免有磁芯线圈易于磁芯饱和的问题，且空心线圈的横截面积较大，保证了空心线圈具有较大的接收面积。同时，设计尺寸保证该传感器能够安装在三脚架上，以便于进行野外作业和提高瞬变电磁法测量的便捷性。

本发明实施例还提供了另一种瞬变电磁传感器，如图4所示，该瞬变电磁传感器包括依次连接的空心线圈101、放大器102和输出接口103。

进一步地，上述瞬变电磁传感器还包括第一外壳202；该第一外壳202包围在空心线圈101的外部；第一外壳202用于保护空心线圈101。

在具体实现时，上述空心线圈101可以围绕成是圆形、矩形等形状；该第一外壳202可以根据空心线圈101围绕成的形状，确定自身形状，例如，可以设置成圆柱体形、正方体行、长方体形等形状。

进一步地，上述瞬变电磁传感器还包括调平水泡201；该调平水泡201嵌入在第一外壳202上，且调平水泡201位于第一外壳202的上方；该调平水泡201用于指示空心线圈101是否调平。

上述调平水泡201一般有框式水平气泡、条式水平气泡，框式水平气泡与条式水平气泡主要用于检验各种机床及其他设备的平直度，安装的水平位置和垂直位置的正确性，并可检验微小倾角。条形水平气泡适用于平面水平作业。在具体操作时，首先将传感器放置于三脚架上，通过调节三脚架使得传感器中的调平水泡201处于平衡位置，从而保证空心线圈101是水平的，最终保证空心线圈101接收到的是竖直的磁场响应信号。

进一步地，上述瞬变电磁传感器还包括与放大器102连接的电池205；该电池205用于为放大器102供电。本实施例中的放大器102为前置放大器。该电池可以是电池组并联或者串联而成，也可以是单个电池。该电池205可以是锂电池也可以是蓄电池等。

进一步地，上述瞬变电磁传感器还包括第二外壳203；该第二外壳203用于包围放大器102和电池205。

在具体实现时，该第二外壳203也可以设置成圆柱体形、正方体形、长方体形等形状。且第二外壳203的横截面积小于第一外壳202的横截面积，从而能够保证传感器的第二外壳203能够稳定安放在三脚架上，以便于野外作业。

在具体实现时，上述放大器102设置于电池205的上方；输出接口103嵌入在第二外壳203上，且输出接口103位于第二外壳203的下方。

在一些实施例中，上述第一外壳202通过预设的法兰盘204与第二外壳203连接为一个整体。法兰盘204通常是指在一个类似盘状的非金属体的周边开上几个固定用的孔用于连接其它东西。法兰盘204是一种盘状零件，一般是成对使用的。在需要连接两个物体的端头处，各安装一片法兰盘204，两片法兰盘204之间加上密封垫，然后用螺栓紧固，从而将两个物体连接为一个整体。

在另一些实施例中，上述第一外壳202与第二外壳203也可以粘连为一个整体。比如，用预设胶水将二者粘连为一个整体。

进一步地，上述第一外壳202的直径为25厘米；第二外壳203的直径为7.5厘米；第二外壳203能够加持在三脚架上。如图4所示，第一外壳202的直径明显大于第二外壳203的直径。

在具体实现时，现有的空心线圈101直径较大，一般直径大于50厘米，不能使用三脚架调平，野外使用非常不方便。本发明的将空心线圈101的直径缩小至25厘米，接收线圈(即空心线圈101)的直径太大，则不便于野外作业，直径太小会影响传感器的灵敏度，实验证明本发明结构中所设置的直径既能够保证一定的接收面积，保证传感器的灵敏度，又能够适用于野外作业。

上述瞬变电磁传感器上宽下窄的设计，能够保证第二外壳能够加持在三脚架上，从而实现对瞬变电磁场的传感；而且本申请中的瞬变电磁传感器设置在三脚架上便于进行野外作业，可提高瞬变电磁法测量的便捷性。

针对于上述瞬变电磁传感器的实施例，本实施例还提供了一种瞬变电磁传感装置，如图5所示，该装置包括三脚架50和瞬变电磁传感器51。

在具体实现时，首先将瞬变电磁传感器51装配于三脚架50的卡槽内并利用三脚架50将瞬变电磁传感器51调平，然后再对大地的磁场进行探测。

上述三脚架50用于调平瞬变电磁传感器51中的空心线圈；该瞬变电磁传感器51能够将接收到的大地的磁场响应信号转化为感应电动势并对感应电动势进行放大，最后将该放大后的感应电动势传输至外部设备。

本发明实施例提供的一种瞬变电磁传感装置，其实现原理及产生的技术效果和前述瞬变电磁传感器实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

针对于上述瞬变电磁传感器的实施例，和瞬变电磁传感装置的实施例，本实施例提供了一种瞬变电磁信号获取方法，该方法应用于上述瞬变电磁传感器装置；如图6所示，该瞬变电磁信号获取方法包括如下步骤：

步骤S602，通过空心线圈获取大地的磁场响应信号，并根据磁场响应信号得到感应电动势。

在具体实现时，首先将传感器放置于预设的三脚架上，然后根据传感器上方的调平水泡对三脚架进行调节，以保证传感器中的空心线圈接收到竖直方向的磁场响应信号，接下来该空心线圈将磁场响应信号转化为感应电动势，具体公式为：

e＝-jωNSB (1)

其中，e表示空心线圈两端的感应电动势；B表示磁场响应信号；ω表示大地的磁场的角频率；N表示空心线圈的匝数；S表示空心线圈所围成的截面的横截面积。

此外，空心线圈的初始灵敏度为：

e/B＝-jωNS (2)

其中，e/B表示空心线圈的初始灵敏度，初始灵敏度定义为不含放大器放大倍数的数值。

通常，把磁场传感器的有效面积S’来衡量瞬变磁场传感器的灵敏度高低，公式为：

S’＝S

其中，S

通过式(3)可知，为使传感器得到具有可能大的灵敏度，可以增大空心线圈的匝数N，可以提高空心线圈所围成的截面的横截面积S，也可以提高放大器的放大倍数K。但是，增大空心线圈的匝数N会导致电感量、分布电容变大，最终导致传感器带宽变窄；提高放大器的放大倍数K电路容易产生振荡，限制频带宽度，同时也不能改善传感器的信噪比。综上，比较可行的方法就是在合理范围内提高空心线圈所围成的截面的横截面积S。

步骤S604，通过放大器对感应电动势进行放大，得到放大后的感应电动势。

步骤S606，通过输出接口将放大后的感应电动势发送至外部设备。

具体地，上述放大后的感应电动势即瞬变电磁信号。

本实施例所提供的瞬变电磁信号获取方法避免了有磁芯线圈的磁芯易饱和问题，且线圈频带宽、动态范围大；另外，接收线圈(即空心线圈)部分直径较大，有利于提高线圈的接收面积，提高传感器灵敏度。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。