浅地表水文地质参数核磁共振测井仪探头及接收机的原理样机研制

发布时间：2020-06-21 02:31

【摘要】：随着科技的不断进步和经济的迅猛发展,水资源短缺问题日益突出。水资源的合理利用,地下水位变化的监测、暗流对工程建设的影响,以及污染地水文地质的勘察治理,已经成为新时代的重要任务。通过探测浅地表水文地质可以直观得到地下水的状况,特别是在城市建设、农田灌溉等工农业方面,都离不开对浅地表水文地质参数的测量。核磁共振测井技术作为一种水文地质探测技术能够直接对地下水孔隙度进行测量,与其他测井技术相比,具有速度快、分辨率高、反演解释唯一等特性,还避免了由放射性元素探测所引发的地层污染、环境干扰以及给工作人员带来的风险。目前核磁共振测井仪主要应用于油气探测,但是其仪器本身体积大,不便移动,服务费用高,无法应用在水位监测、楼宇道路地基等浅层地质的勘察。因此本文设计研发了一种小型化、易携带、且成本低的,主要应用于浅地表水文地质勘察的核磁共振测井仪的探头和接收机的原理样机。首先,根据测井需求,明确了核磁共振测井仪的探头设计要求。探头是整套核磁共振测井仪的核心,它的设计决定了测井的性能指标和仪器的发射系统及接收系统的各参数。对探头结构的设计主要通过方案对比,并结合测井仪小型化、易组装、成本低等特点实现。根据电磁场正问题的求解方法,利用有限元仿真软件COMSOL对永磁体静磁场进行了数值模拟,通过反复调整永磁体形状和间距等参数,在保证仪器性能指标的前提下,确定了探头的结构,给出了当磁体直径6cm、高2cm、间距为20cm时,理论上的静磁场稳定区域是一个长轴2a约为1.1cm,短轴2b接近1cm的“椭圆形”圆环。为降低骨架对静磁场及射频磁场产生的影响,需选用磁导率接近空气的骨架材料,结合仪器实验时天线发热的问题,最终选用耐高温的“塑料王”—聚四氟乙烯作为探头骨架的材料,并利用画图软件AutoCAD绘制了模型,制作了探头骨架实物,完成了探头组装。其次,接收机采用了低噪声设计原则。对电源电路的设计采用了方案对比、理论分析和实际噪声测试的步骤。通过对放大电路噪声的理论分析,前置放大电路选用多级放大级联结构,选用了低噪声芯片作为前置放大器。针对信号信噪比低、频率高的特点,设计了Sallen-Key结构的八阶带通滤波放大电路,并利用Multisim进行了电路仿真。设计了零漂移放大电路,原理上避免了信号失真。最后,进行了屏蔽室内的探头测试、接收机测试、以及总体的系统测试。对探头的测试主要包括探头径向磁场测试和探测区圆环处磁场测试,根据实测数据给出了仪器的探测深度为距离探头中心6~7cm,工作频率为255kHz的结论;对接收机进行了本底噪声测试,其等效输入噪声为7.99nV?Hz~(1/2),等效输入噪声密度为2.95μV;探头与接收机的系统测试分别利用无噪声和加入噪声的核磁共振仿真信号,通过探头天线感应、信号接收处理,对接收到的图像和数据进行了观测,结果表明,接收到磁共振信号具有理想仿真信号衰减的趋势,波形平稳且完整,系统对于噪声有一定的滤除能力,实现了对浅地表核磁共振测井仪的探头及接收机的设计。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641.7
【图文】：

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CMR方案 MRIL方案 MREx方案（a）俯视图（b）3D图图 2.4 几种主流探头永磁体结构对比从图 2.4 中可以看出，无论是贴壁式还是居中式方案，几种主流探头方案都是采用长条径向充磁，其优点在于，长磁体磁化范围较大，可对地层中尚未探测到范围内的氢质子进行预极化处理，加快了测井的速度，同时，磁体越长，稳定磁场区域越大，可激发共振区域也越大，能够提供幅度更大的原始回波信号，提高探测信噪比。由于 MR Scanner 与MRIL 永磁体结构类似，属于圆柱形径向充磁，此处不予讨论。

示意图,仿真模型,示意图,磁力线

件 Comsol-Multiphysics、Ansys 等进行分析，其中 Comsol-Multiphysics 是多仿真方案的专用软件，电磁场仿真建立在麦克斯韦方程基础上，内部嵌有丰模块，支持第三方 CAD 建模工具的导入，拥有多种网格划分类别，计算精度有与 MATLAB 完美对接的功能，方便对仿真结果进行数据处理。所以本ol-Multiphysics 对探头模型进行分析[40]。对探头进行数值模拟步骤如下：模型建立永磁体进行三维磁场模拟，物理场选择“磁场，无电流（mfnc）”，对其进析。绘制两个圆柱体，并添加外部边界模型。由于磁力线为光滑弧形，而方好地适应磁力线的分布和回路的走向，造成在边界附近的磁力线偏离其实际场的增大，所以选定球形为边界模型，同时球形边界的直径大小应为探头5 倍，这一范围内，探头静磁场已经衰减至与地磁场相当的水平[10]，仿真模型如

【参考文献】