【摘要】：隨著科技的不斷進步和經濟的迅猛發(fā)展,水資源短缺問題日益突出。水資源的合理利用,地下水位變化的監(jiān)測、暗流對工程建設的影響,以及污染地水文地質的勘察治理,已經成為新時代的重要任務。通過探測淺地表水文地質可以直觀得到地下水的狀況,特別是在城市建設、農田灌溉等工農業(yè)方面,都離不開對淺地表水文地質參數(shù)的測量。核磁共振測井技術作為一種水文地質探測技術能夠直接對地下水孔隙度進行測量,與其他測井技術相比,具有速度快、分辨率高、反演解釋唯一等特性,還避免了由放射性元素探測所引發(fā)的地層污染、環(huán)境干擾以及給工作人員帶來的風險。目前核磁共振測井儀主要應用于油氣探測,但是其儀器本身體積大,不便移動,服務費用高,無法應用在水位監(jiān)測、樓宇道路地基等淺層地質的勘察。因此本文設計研發(fā)了一種小型化、易攜帶、且成本低的,主要應用于淺地表水文地質勘察的核磁共振測井儀的探頭和接收機的原理樣機。首先,根據(jù)測井需求,明確了核磁共振測井儀的探頭設計要求。探頭是整套核磁共振測井儀的核心,它的設計決定了測井的性能指標和儀器的發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)的各參數(shù)。對探頭結構的設計主要通過方案對比,并結合測井儀小型化、易組裝、成本低等特點實現(xiàn)。根據(jù)電磁場正問題的求解方法,利用有限元仿真軟件COMSOL對永磁體靜磁場進行了數(shù)值模擬,通過反復調整永磁體形狀和間距等參數(shù),在保證儀器性能指標的前提下,確定了探頭的結構,給出了當磁體直徑6cm、高2cm、間距為20cm時,理論上的靜磁場穩(wěn)定區(qū)域是一個長軸2a約為1.1cm,短軸2b接近1cm的“橢圓形”圓環(huán)。為降低骨架對靜磁場及射頻磁場產生的影響,需選用磁導率接近空氣的骨架材料,結合儀器實驗時天線發(fā)熱的問題,最終選用耐高溫的“塑料王”—聚四氟乙烯作為探頭骨架的材料,并利用畫圖軟件AutoCAD繪制了模型,制作了探頭骨架實物,完成了探頭組裝。其次,接收機采用了低噪聲設計原則。對電源電路的設計采用了方案對比、理論分析和實際噪聲測試的步驟。通過對放大電路噪聲的理論分析,前置放大電路選用多級放大級聯(lián)結構,選用了低噪聲芯片作為前置放大器。針對信號信噪比低、頻率高的特點,設計了Sallen-Key結構的八階帶通濾波放大電路,并利用Multisim進行了電路仿真。設計了零漂移放大電路,原理上避免了信號失真。最后,進行了屏蔽室內的探頭測試、接收機測試、以及總體的系統(tǒng)測試。對探頭的測試主要包括探頭徑向磁場測試和探測區(qū)圓環(huán)處磁場測試,根據(jù)實測數(shù)據(jù)給出了儀器的探測深度為距離探頭中心6~7cm,工作頻率為255kHz的結論;對接收機進行了本底噪聲測試,其等效輸入噪聲為7.99nV?Hz~(1/2),等效輸入噪聲密度為2.95μV;探頭與接收機的系統(tǒng)測試分別利用無噪聲和加入噪聲的核磁共振仿真信號,通過探頭天線感應、信號接收處理,對接收到的圖像和數(shù)據(jù)進行了觀測,結果表明,接收到磁共振信號具有理想仿真信號衰減的趨勢,波形平穩(wěn)且完整,系統(tǒng)對于噪聲有一定的濾除能力,實現(xiàn)了對淺地表核磁共振測井儀的探頭及接收機的設計。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P641.7
【圖文】：

CMR方案 MRIL方案 MREx方案（a）俯視圖（b）3D圖圖 2.4 幾種主流探頭永磁體結構對比從圖 2.4 中可以看出，無論是貼壁式還是居中式方案，幾種主流探頭方案都是采用長條徑向充磁，其優(yōu)點在于，長磁體磁化范圍較大，可對地層中尚未探測到范圍內的氫質子進行預極化處理，加快了測井的速度，同時，磁體越長，穩(wěn)定磁場區(qū)域越大，可激發(fā)共振區(qū)域也越大，能夠提供幅度更大的原始回波信號，提高探測信噪比。由于 MR Scanner 與MRIL 永磁體結構類似，屬于圓柱形徑向充磁，此處不予討論。

件 Comsol-Multiphysics、Ansys 等進行分析，其中 Comsol-Multiphysics 是多仿真方案的專用軟件，電磁場仿真建立在麥克斯韋方程基礎上，內部嵌有豐模塊，支持第三方 CAD 建模工具的導入，擁有多種網格劃分類別，計算精度有與 MATLAB 完美對接的功能，方便對仿真結果進行數(shù)據(jù)處理。所以本ol-Multiphysics 對探頭模型進行分析[40]。對探頭進行數(shù)值模擬步驟如下：模型建立永磁體進行三維磁場模擬，物理場選擇“磁場，無電流（mfnc）”，對其進析。繪制兩個圓柱體，并添加外部邊界模型。由于磁力線為光滑弧形，而方好地適應磁力線的分布和回路的走向，造成在邊界附近的磁力線偏離其實際場的增大，所以選定球形為邊界模型，同時球形邊界的直徑大小應為探頭5 倍，這一范圍內，探頭靜磁場已經衰減至與地磁場相當?shù)乃絒10]，仿真模型如

【參考文獻】

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本文編號：2723358