地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (10): 3760-3771   PDF    
高灵敏度感应式磁传感器测试研究
王勇, 佴磊, 牛建军, 张晓培, 杜立志     
吉林大学建设工程学院, 长春 130026
摘要:本文着重对研制的感应式磁传感器的本底噪声和灵敏度特性进行测试研究,在平行噪声测试方法(NPI)基础上设计了针对本研究的磁传感器噪声测试方法,测试结果表明:MC-30的噪声水平1 Hz时为0.3 pT/,10 Hz时为0.03 pT/,100 Hz时为10 fT/,1 kHz时为3 fT/,灵敏度为215 mV/nT;MC-50的噪声水平0.01 Hz时为10 pT/,1 Hz时为0.05 pT/,10 Hz时为10 fT/,100 Hz时为0.5 fT/,灵敏度为1359 mV/nT.除此之外,通过野外试验对比及工程应用验证了MC-30和MC-50具备良好的测量精度及野外工作性能,能够满足实际电磁勘探任务的需要.
关键词: 感应式磁场传感器      噪声      灵敏度      测试     
Experimental study on high-sensitivity induction magnetometer
WANG Yong, NAI Lei, NIU JianJun, ZHANG XiaoPei, DU LiZhi     
Construction Engineering College of Jilin University, Changchun 130026, China
Abstract: In this paper, the noise floor and sensitivity characteristics of the induction magnetometer are studied. Based on the parallel noise test method (NPI), the induction magnetometer noise test method for this study is designed. Test results show that the MC-30 noise level is 0.3 nT/@1 Hz, 0.03 pT/@10 Hz, 10 fT/@100 Hz, 3 fT/@1 kHz, sensitivity is 215 mV/nT@1 Hz, and the MC-50 noise level is 10 pT/@0.01 Hz, 0.05 pT/@1 Hz, 10 fT/@10 Hz, 0.5 fT/@100 Hz, sensitivity is 1359 mV/nT@1 Hz. Through comparison of field tests and engineering applications, it is verified that MC-30 and MC-50 have good measurement accuracy and field work capability and can meet the needs of actual electromagnetic exploration tasks.
Keywords: Induction magnetometer    Noise    Sensitivity    Test    
0 引言

近年来,我国在水文地质、油气资源、地热资源、金属矿产、地球深部等勘探领域取得了令人瞩目的成绩.国内自主研发的电磁勘探设备也取得了长足进步,但应用于大地电磁、可控源音频大地电磁、瞬变电磁的感应式磁传感器主要还是依赖于进口(何继善, 1997, 2010; 滕吉文, 2010; 汤井田和何继善, 2005; 黄大年等, 2012; 董树文等, 2012; Liu et al., 2019).目前,国际上广泛使用的是加拿大Pheonix公司的磁传感器AMTC-30、MTC-50等,美国Zonge公司的ANT-6等,德国Metronix公司的MFS-06e等.其中,AMTC-30噪声水平1 Hz时为4 pT/,灵敏度为100 mV/nT,MTC-50噪声水平1 Hz时为0.01 nT/,灵敏度为50 mV/nT;ANT-6噪声水平为1 Hz时为250 fT/,灵敏度为250 mV/nT;MFS-06e噪声水平0.01 Hz时为0.01 nT/,1 Hz时为0.1 pT/,灵敏度200 mV/nT(f≪4 Hz)和800 mV/nT(f≫4 Hz).缺少具有自主知识产权的宽频带高灵敏度磁传感器已经严重影响制约着我国深部资源的开发利用(巨汉基等, 2010).从国内发展现状来看,最早由原河北省地质学院和上海地质仪器厂研制的只能接收9个频点的感应式磁传感器,灵敏度10 mV/nT(沈幼文等, 1982);20世纪80年代由原航空工业部国营延光机械厂研制的CGY-1A型感应式磁传感器,灵敏度为0.28 mV/nT(耿胜利, 1986);21世纪初由西安庆安航空电气公司研制的MC-01传感器(耿胜利和赵庆安, 2002),高频灵敏度100 mV/nT,低频灵敏度980 mV/nT;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制的IGGE-30型和IGGE-80型感应式磁传感器,其中IGGE-30型噪声水平1 kHz时为5 fT/,IGGE-80型噪声水平10 Hz时为40 fT/;中国科学院电子学研究所与中国科学院地质与地球物理研究所研制的感应式磁传感器,噪声水平0.1 Hz时为1.5 pT/,1 Hz时为0.15 pT/,10 Hz时为0.03 pT/(朱万华等, 2013),表 1列出了国内外主要的感应式磁传感器的性能指标.

表 1 主要感应式磁传感器的指标 Table 1 Indicators of main induction magnetometers

从整体研究现状来看,我国在感应式磁传感器研制及生产应用方面取得了很大的发展,也逐步赶上国外先进磁传感器水平.在国家863计划重大项目“深部矿产资源探测技术”专项课题“高灵敏度、宽频带电磁传感器技术”资助下,开展了针对宽频带高灵敏度磁传感器的一系列研制测试工作,并取得阶段性成果.由于在实际探测中接收的是天然交变电磁场,这就要求电磁传感器不但具有较高的灵敏度,同时要求传感器的本底噪声水平远远低于天然源产生的磁场强度,这样接收到的磁场信号才能具有较高的信噪比(Lenz and Edelstein, 2006; 李彩华, 2014; 朱万华, 2015).针对感应式磁传感器的噪声测试有加拿大Phoenix公司的白噪声和并行噪声测试方法(NPI), 地磁场有效信号与噪声测量处理方法(Nichols et al., 1988),相关系数法噪声测试(高晋占, 2004).本文主要对MC-30、MC-50感应式磁传感器的本底噪声及灵敏度特性进行了相关研究,并结合野外试验对比与实际应用来验证磁传感器的性能,结果表明MC-30和MC-50能够满足实际电磁勘探的任务需要.

1 感应式磁传感器介绍及测试环境

本文研制的感应式磁传感器采用线圈感应式设计,传感器的基本组成部分有高导磁率铁镍合金(1J85)加工成的磁芯、多匝感应线圈组、标定线圈、磁反馈补偿线圈及低噪声放大器和外壳等.其中磁芯部分是经过各种配比和热处理工艺提炼出来的,具有高初始磁导率、矫顽力、高稳定性的铁镍合金体.为了保证有较高的有效磁导率,磁芯由7根Φ4×720 mm的冷拉棒材组成芯材,其长径比为25.多匝感应线圈分20组,每组由内径15 mm、外径42 mm、宽度18 mm的线圈骨架上用漆包线绕制而成(牛建军等, 2015).MC-30感应式磁传感器设计频带范围为0.01 Hz~10 kHz,重量为4.5 kg,长90 cm,直径6 cm,温度范围为-40~60 ℃; MC-50感应式磁传感器设计频带范围为0.0001~360 Hz,重量为6.0 kg,长105 cm,直径6 cm,温度范围为-40~60 ℃.

测试环境在特制的试验舱内进行,用以屏蔽较强的50 Hz工频及其他电磁信号干扰,见图 1a.试验舱的关键设备主要由屏蔽层、交变电磁场发生器、水浴槽、传感器舱、标定仪器等部件组成,见图 1b;数据采集装置见图 1c.利用试验舱内部的交变电磁场发生器产生的可控交变电磁场及标定仪器,根据不同磁传感器的特点分频段连续测试,用以测试感应式磁传感器在舱内的性能指标.

图 1 感应式磁传感器测试装置 Fig. 1 Test instrument for induction magnetometer
2 噪声测试

目前,感应式磁传感器噪声分析方法,通常是根据感应式传感器的设计结构和原理,通过感应线圈的热噪声、磁芯损耗噪声以及前置放大器的噪声的理论分析和数值模拟,从而获得整个感应式磁传感器的噪声指标.利用该方法获得的噪声指标不能代表整个传感器的本底噪声,其测试指标比实际噪声小,只能作为设计参考值使用.鉴于此,本文在参考加拿大Phoenix公司的NPI测试方法基础上,提出了一种高灵敏度感应式电磁传感器本底噪声的检测方法,以评价此类型传感器的噪声指标.

高灵敏度感应式电磁传感器的本底噪声来源于前置放大器、感应线圈及磁芯,其中前置放大器主要有热噪声、1/f噪声和散粒噪声等,感应线圈噪声主要是由于感应线圈电阻产生的热噪声,磁芯噪声主要是磁芯损耗噪声等(朱万华等, 2013).因此,感应式传感器本底噪声实质是这些噪声的综合,从频域上看,本底噪声在整个频段具有均匀的功率谱密度,属于高斯分布的白噪声.为了研究白噪声信号差分运算与求和运算前后对噪声能量的影响,分别创建了两个均值为0方差为1的高斯白噪声信号f1(t)f2(t),其信号与功率谱图见图 2.

图 2 信号及功率谱图 Fig. 2 Signal and power spectrum (a) f1(t); (b) f2(t).

其中,f1(t)信号的能量为1.0149,f2(t)信号的能量为0.9716.将f1(t)f2(t)两个信号按照公式(1)(2)分别进行差分运算和求和运算:

(1)

(2)

差分运算的信号sub(t)和求和运算的信号add(t)及功率谱图见图 3.

图 3 信号及功率谱图 Fig. 3 Signal and power spectrum (a) sub(t); (b) add(t).

其中,经过差分运算得到的sub(t)信号的能量为1.952,经过求和运算得到的add(t)信号的能量为2.208.为了模拟干扰信号对白噪声信号能量的影响,在白噪声信号f1(t)f2(t)中加载一个正弦信号,分别计为f11(t)f22(t),其信号与功率谱图见图 4.

图 4 信号及功率谱图 Fig. 4 Signal and power spectrum (a) f11(t); (b) f22(t).

其中,f11(t)信号的能量为51.3219,f22(t)信号的能量51.0212.将f11(t)f22(t)两个信号按照公式(3)(4)分别进行差分运算和求和运算:

(3)

(4)

差分运算的信号sub1(t)和求和运算的信号add1(t)及功率谱图见图 5.

图 5 信号及功率谱图 Fig. 5 Signal and power spectrum (a) sub1(t); (b) add1(t).

其中,经过差分运算得到的sub1(t)信号的能量为1.952,经过求和运算得到的add1(t)信号的能量为51.0212.

通过上述计算结果分析可知,利用两个信号的差分技术可以有效的抵消掉耦合的相同信号,而差分后信号的噪声能量等于耦合前两个信号的能量之和.如果采用两个幅频和相频特性相同的电磁传感器,可以采用差分技术来有效的克服外界背景的干扰,从而分析出电磁传感器的本底噪声指标.

采用上述方法来评价MC-30和MC-50磁传感器的本底噪声指标,选择两枚幅频和相频特性相一致的MC-50探头(编号为:5807,5808),在同一地点,同步测试.经过数据采集处理,得到两枚探头实测的噪声数据,见图 6.

图 6 MC-50磁传感器噪声测试结果 Fig. 6 Testing result of MC-50 magnetic sensor noise

图 6可以看出,MC-50磁传感器在差分之前,两个磁传感器的功率密度谱图在0.0005~100 Hz频带范围内一致性较好.经过差分计算,最终得出MC-50磁传感器的测量不同频率下的本底噪声值,见图 7.

图 7 MC-50磁传感器噪声差分结果 Fig. 7 Difference result of MC-50 magnetic sensor noise

图 6图 7可以看出,其差分信号在该频带范围内与原信号在幅值上有大幅度降低,说明通过差分运算可以在一定程度上很好的抵消掉外界干扰,在未受其他干扰的条件下,其得出的结果可作为磁传感器的本底噪声.经过本次测试试验,得到MC-50的噪声水平为0.01 Hz时为10 pT/,1 Hz时为0.05 pT/,10 Hz时为10 fT/,100 Hz时为0.5 fT/.

针对MC-30的本底噪声测试,选择两枚幅频和相频特性相一致的MC-30探头(编号为:4502,4503),在同一地点,同步测试,得到两个探头实测的噪声数据,见图 8.

图 8 MC-30磁传感器噪声测试结果 Fig. 8 Testing result of MC-30 magnetic sensor noise

图 8可以看出,MC-30磁传感器在差分之前,两个磁传感器的功率密度谱图在0.05~1000 Hz频带范围内一致性较好.经过差分计算,最终得出MC-30磁传感器的测量不同频率下的本底噪声值,见图 9.

图 9 MC-30磁传感器噪声差分结果 Fig. 9 Difference result of MC-30 magnetic sensor noise

图 9可以看出,通过差分运算可以在一定程度上很好的抵消掉外界干扰,在未受其他干扰的条件下,其得出的结果可作为磁传感器的本底噪声.经过本次测试试验,得到MC-30的噪声水平1 Hz时为0.3 pT/,10 Hz时为0.03 pT/,100 Hz时为10 fT/,1 kHz时为3 fT/.

3 灵敏度测试

磁传感器的感应电压正比于磁场强度和频率.当磁场强度弱、频率低时,对应的感应电压也低.在高频段存在趋肤效应,使得磁芯有效面积变小,降低了传感器的灵敏度.因此,为了提高测量弱磁信号的精度,就需要磁传感器具备高灵敏度特性.其中,单位磁感应强度磁芯线圈的感应电压是考核磁传感器灵敏度的主要指标,该指标与线圈的匝数、磁芯有效导磁率、有效面积成正比.在满足上述设计要求的前提下,本文设计采用激励线圈产生标准磁场,实现小功率即可产生适合于感应式磁传感器所用的磁场强度.向激励线圈输入调制方波信号(见图 10a所示,该调制频率信号为采样间隔0.1 s,采样点数2048;图 10b为该信号频谱),测出传感器对应的输出信号,可得到特定磁场强度下的灵敏度特性曲线.

图 10 调制方波信号 Fig. 10 Sample of modulated square wave signal

利用上述方法测得MC-50磁传感器的灵敏度和相频特性曲线,见图 11.

图 11 实测MC-50灵敏度和相频特性曲线 Fig. 11 Characteristic of observed MC-50 Sensitivity and Phase-frequency data

从灵敏度特性曲线可以看出,MC-50磁传感器的灵敏度值接近于1359 mV/nT.采用相同方法对MC-30磁传感器进行了灵敏度测试研究,得到MC-30的灵敏度和相频特性曲线,见图 12.

图 12 实测MC-30灵敏度和相频特性曲线 Fig. 12 Characteristic of observed MC-30 Sensitivity and Phase-frequency data

从灵敏度特性曲线可以看出,MC-30磁传感器的灵敏度值接近于215 mV/nT.

4 野外试验对比

为了验证MC-30、MC-50高灵敏度磁传感器的野外工作性能,分别与AMTC-30、MTC-50进行了CSAMT、MT对比试验.其中,CSAMT对比试验工作区位于长春郊区新立城,选择了同发射源地点、同接收点条件下进行,试验数据对比结果见图 13.

图 13 实测CSAMT数据对比(MC-30与AMTC-30) Fig. 13 Comparison of CSAMT observed data (MC-30 and AMTC-30)

通过MC-30高灵敏度电磁传感器野外CSAMT试验对比,可以看出,在高频带范围内MC-30与AMTC-30实测数据曲线总体一致性较好,效果理想;而低频段MC-30的整体稳定性及抗干扰能力较为理想.

MT对比试验工作区位于黑龙江省南部至吉林省中部地区,经过数据处理得到试验数据对比结果,并选取具有代表性的测点73号和75号进行分析对比,分别对应于图 14图 15,图中蓝色代表YX方向数据,红色代表XY方向数据.

图 14 实测73号测点的MT数据对比 Fig. 14 Comparison of 73# observed MT data
图 15 实测75号测点的MT数据对比 Fig. 15 Comparison of 75# observed MT data

为了定量评价MC-50探头与MTC-50探头的差异性大小,以MTC-50为基准来计算均方相对误差,计算后的平均均方相对误差为5.32%,见表 2.从视电阻率和相位比较可以看出,使用MC-50磁传感器可以获得理想的数据.

表 2 均方相对误差 Table 2 Mean-square relative error
5 应用

实际工程勘探区位于吉林省昌邑区孤店子镇大荒地村,见图 16.工区处于伊舒盆地,伊舒盆地是吉林省境内第三系地堑式断陷盆地,属于郯庐断裂带的北延部分,呈北东45°至55°方向狭长展布,具有高热流、高地温、高地温梯度等特征,勘查区位于孤店子斜坡带.

图 16 测区测线及部分仪器设备示意图 Fig. 16 Sketch map of regional survey line and some equipment

勘探目的为初步查明研究区内的基底起伏及隐伏断裂的空间展布;确定勘查区的地层结构、推断深层地下水的储层埋藏深度及其可能富集区(带),为确定地热开采井位提供依据.根据实际情况,采用了CSAMT、AMT两种方法对测区进行了勘探.CSAMT测点点距50 m,线距100 m,在沿路随机干扰大的地方点距为25 m,Ex电道方向位为正北,最大收发距7.17 km,最小收发距6.47 km,AB距1.57 km;MT法点距50 m,电道极距50 m,仪器置于电道中间,磁道分别布设在第一和第三象限.

分别对不同方法的采集数据进行了采集过程的实时监控、数据的管理与预处理分析评价以及最终优化反演计算,处理结果选择具有代表性的测线1-1′(见图 17),以及选择CSAMT数据形成-1000 m、-1200 m、-1400 m、-1500 m四个等深度地电断面作为横向剖面解释数据(见图 18).其中,测线1-1′的处理结果包括CSAMT反演电阻率断面图、AMT反演电阻率断面图、综合地电解释图.

图 17 1-1′测线地电断面解释图 (a) CSAMT电阻率剖面;(b) AMT电阻率剖面;(c)综合地电解释图. Fig. 17 Interpretation diagram of geoelectric section of Line 1-1′ (a) CSAMT resistivity profile; (b) AMT resistivity profile; (c) Comprehensive geoelectric interpretation diagram.
图 18 CSAMT等深度横向地电剖面图 Fig. 18 Equi-depth transverse geoelectric profiles of CSAMT

勘探结果表明:存在一条隐伏断层,主要发育在-1200 m至-1600 m范围内.F1为NE向的正断层,倾向NW;位于下部的缸窑组地层为主要热储层,热储层埋藏深度为1200~1600 m,厚度为200~400 m.

6 结论

本文主要对MC-30和MC-50磁传感器的本底噪声及灵敏度特性进行了相关测试试验研究,用以高效准确的检验磁传感器的性能,并提出适用于实际工作需要的噪声及灵敏度测试方法,得出以下主要结论:

(1) 幅频和相频特性一致性是决定本底噪声指标测试数据准确的关键,本底噪声应符合高斯分布的白噪声,应选择环境电磁噪声相对较小的地方确保采集数据不饱和.

(2) 对于幅频和相频特性一致的高灵敏度电磁传感器而言,外界环境噪声在传感器内部的响应是一致的,而其本身的本底噪声则呈现出随机特性.通过对两个传感器输出信号的差分运算,可以有效的将外界干扰信号抵消而保留被测试传感器的本底噪声信号,从而计算出被测试传感器的本底噪声指标,测得了MC-30和MC-50磁传感器的噪声水平,其数值达到了国际同类产品的水平,具备良好的抗干扰能力.

(3) MC-30和MC-50灵敏度分别达到215 mV/nT和1359 mV/nT,满足实际大地电磁勘探的需求.

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