磁感应—磁通门一体式宽频低噪声传感技术研究

发布时间：2020-03-29 06:06

【摘要】：随着经济的高速发展,我国对能源资源的需求总量逐年攀升,浅层资源储藏量不断降低,深部探测已成为解决资源供需矛盾的不二选择。频率域电磁法是进行深部探测的重要技术手段,其探测深度与频率成反比,因此为了增强深部探测能力,必须研发宽频频率域电磁法勘探系统,尤其需要攻克宽频低噪声磁传感技术。本文从宽频低噪声磁感应传感技术研究出发,结合时间差(Residence Times Difference,RTD)磁通门弱磁传感技术,基于二者传感原理的相似性及磁测优势的互补性,首次提出了磁感应-磁通门一体式磁力仪设计,实现了宽频(DC-10kHz)低噪声的弱磁检测目的。第一,建立了感应式磁力仪参数模型,研制了低噪声前置放大电路。建立了磁芯磁导率、线圈电阻、电感、电容和体积重量等传感器参数的数学模型,针对感应式磁力仪的高源阻抗特点,基于结型场效应管(Junction Field Effect Transistor,JFET)设计了高输入阻抗、低噪声前置放大电路,分析了放大电路各噪声源的贡献比重,进而建立总噪声模型,并通过实验验证了所建噪声模型的准确性。第二,提出了感应式磁力仪的频带拓展及性能参数优化方法。传感器采用闭环磁通负反馈的结构,抑制了感应线圈谐振特性的影响,拓展了传感器的高频可用频带。基于斩波调制放大技术设计低噪声前置放大电路,抑制了电路低频1/f噪声的影响,降低了感应式磁力仪的低频噪声水平,拓展了低频可用频带。提出了空心磁芯结构,在不损失磁芯性能的前提下,降低了传感器的重量。针对实际应用中对传感器噪声水平、体积及重量等指标的要求,建立了传感器性能优化求解模型,基于罚函数算法求解最佳的参数配置,并分析各优化参数与优化目标之间的关系。第三,采用有限元分析方法(Finite Element Method,FEM)优化设计磁感应-磁通门一体式磁力仪的结构及参数。首次提出了“哑铃”状一体式复合结构,感应式磁力仪的空心磁芯将磁通汇聚到RTD磁通门的检测位置,提高了被测磁场的强度,从而提高了RTD磁通门的灵敏度。进一步分析了不同的磁芯材料、长度、外径、间距等参数与RTD磁通门磁力仪灵敏度之间的关系,最终得到最佳的磁感应-磁通门一体式磁力仪参数配置。第四,本文所研制的磁感应-磁通门一体式宽频低噪声磁力仪性能指标如下:传感器的带宽为DC-10kHz,包括低频及高频两种工作模式,两种模式可以同时工作,切换频率为0.2Hz。低频模式的灵敏度为0.38μs/nT,相比单体RTD磁通门结构提高了3.45倍,噪声水平为30pT/√Hz;高频模式的灵敏度为2mV/nT@1Hz,噪声水平为3pT/√Hz@1Hz。最后,针对磁场矢量总场测量时的非正交角度及磁场串扰引入的误差,研究了相应的补偿校正算法。推导了实际坐标系与理想坐标系之间的转换关系,并采用非线性算法求解非正交角度误差。采用有限元分析方法分析一次场串扰和二次场串扰的产生机理,并提出了磁场串扰校正方法。实验结果表明,校正后磁场串扰降低到原来的1/100左右。
【图文】：

资源勘探,深度对比,世界各国,能源资源

吉林大学博士学位论文展与能源资源不能自给的矛盾，保证能源资源安全、扩展经，2006 年国务院发布的《国家中长期科学和技术发展020）》中，将能源资源勘探列为未来需重点发展的研究领域，、物力支持[2,3,5-7]。术水平限制，我国已探明矿藏主要集中在第一深度空间（五百进水平勘探开采深度已达两千五百米至四千米，，如图 1.1 所示果我国的资源探测深度能够达到两千米，那么预期可探查的资规模上增长一倍[8]，深部探测已成为解决我国能源资源自给不[2,5-7,9]。

电磁观测,大地震,时频,日本

图 1.2 2011 年日本 8.9 级大地震电磁观测时频谱前世界各国都在积极建立本国地震前兆电磁监测体系，积累观测究地震前后低频电磁扰动的发生、发展和衰减的规律，从而探索磁扰动前兆预报地震三要素的方法[32,33]。而为了获得高质量的磁必须研发噪声、频带等性能指标更加优异的磁传感器。于太阳风、磁暴等太阳及行星际活动，以及地球内部（或表面）等自然现象和人为因素的影响，地球空间电磁波经常出现短时剧卫星、空间站等在轨航天器的安全，中国气象局已建立国家空间天心，实时监测预报空间电磁波、粒子辐射等情况[34]。此外，空间磁间科学研究的重要数据，近年来 DEMETER 卫星、Juno 木星探lombo 水星探测器等都搭载有先进的宽频磁场传感器[32,35-41]，如
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

【参考文献】