發(fā)布時間：2020-03-29 06:06

【摘要】：隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展,我國對能源資源的需求總量逐年攀升,淺層資源儲藏量不斷降低,深部探測已成為解決資源供需矛盾的不二選擇。頻率域電磁法是進行深部探測的重要技術手段,其探測深度與頻率成反比,因此為了增強深部探測能力,必須研發(fā)寬頻頻率域電磁法勘探系統(tǒng),尤其需要攻克寬頻低噪聲磁傳感技術。本文從寬頻低噪聲磁感應傳感技術研究出發(fā),結合時間差(Residence Times Difference,RTD)磁通門弱磁傳感技術,基于二者傳感原理的相似性及磁測優(yōu)勢的互補性,首次提出了磁感應-磁通門一體式磁力儀設計,實現(xiàn)了寬頻(DC-10kHz)低噪聲的弱磁檢測目的。第一,建立了感應式磁力儀參數(shù)模型,研制了低噪聲前置放大電路。建立了磁芯磁導率、線圈電阻、電感、電容和體積重量等傳感器參數(shù)的數(shù)學模型,針對感應式磁力儀的高源阻抗特點,基于結型場效應管(Junction Field Effect Transistor,JFET)設計了高輸入阻抗、低噪聲前置放大電路,分析了放大電路各噪聲源的貢獻比重,進而建立總噪聲模型,并通過實驗驗證了所建噪聲模型的準確性。第二,提出了感應式磁力儀的頻帶拓展及性能參數(shù)優(yōu)化方法。傳感器采用閉環(huán)磁通負反饋的結構,抑制了感應線圈諧振特性的影響,拓展了傳感器的高頻可用頻帶�；跀夭ㄕ{(diào)制放大技術設計低噪聲前置放大電路,抑制了電路低頻1/f噪聲的影響,降低了感應式磁力儀的低頻噪聲水平,拓展了低頻可用頻帶。提出了空心磁芯結構,在不損失磁芯性能的前提下,降低了傳感器的重量。針對實際應用中對傳感器噪聲水平、體積及重量等指標的要求,建立了傳感器性能優(yōu)化求解模型,基于罰函數(shù)算法求解最佳的參數(shù)配置,并分析各優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標之間的關系。第三,采用有限元分析方法(Finite Element Method,FEM)優(yōu)化設計磁感應-磁通門一體式磁力儀的結構及參數(shù)。首次提出了“啞鈴”狀一體式復合結構,感應式磁力儀的空心磁芯將磁通匯聚到RTD磁通門的檢測位置,提高了被測磁場的強度,從而提高了RTD磁通門的靈敏度。進一步分析了不同的磁芯材料、長度、外徑、間距等參數(shù)與RTD磁通門磁力儀靈敏度之間的關系,最終得到最佳的磁感應-磁通門一體式磁力儀參數(shù)配置。第四,本文所研制的磁感應-磁通門一體式寬頻低噪聲磁力儀性能指標如下:傳感器的帶寬為DC-10kHz,包括低頻及高頻兩種工作模式,兩種模式可以同時工作,切換頻率為0.2Hz。低頻模式的靈敏度為0.38μs/nT,相比單體RTD磁通門結構提高了3.45倍,噪聲水平為30pT/√Hz;高頻模式的靈敏度為2mV/nT@1Hz,噪聲水平為3pT/√Hz@1Hz。最后,針對磁場矢量總場測量時的非正交角度及磁場串擾引入的誤差,研究了相應的補償校正算法。推導了實際坐標系與理想坐標系之間的轉換關系,并采用非線性算法求解非正交角度誤差。采用有限元分析方法分析一次場串擾和二次場串擾的產(chǎn)生機理,并提出了磁場串擾校正方法。實驗結果表明,校正后磁場串擾降低到原來的1/100左右。
【圖文】：

吉林大學博士學位論文展與能源資源不能自給的矛盾，保證能源資源安全、擴展經(jīng)，2006 年國務院發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展020）》中，將能源資源勘探列為未來需重點發(fā)展的研究領域，、物力支持[2,3,5-7]。術水平限制，我國已探明礦藏主要集中在第一深度空間（五百進水平勘探開采深度已達兩千五百米至四千米，，如圖 1.1 所示果我國的資源探測深度能夠達到兩千米，那么預期可探查的資規(guī)模上增長一倍[8]，深部探測已成為解決我國能源資源自給不[2,5-7,9]。

圖 1.2 2011 年日本 8.9 級大地震電磁觀測時頻譜前世界各國都在積極建立本國地震前兆電磁監(jiān)測體系，積累觀測究地震前后低頻電磁擾動的發(fā)生、發(fā)展和衰減的規(guī)律，從而探索磁擾動前兆預報地震三要素的方法[32,33]。而為了獲得高質(zhì)量的磁必須研發(fā)噪聲、頻帶等性能指標更加優(yōu)異的磁傳感器。于太陽風、磁暴等太陽及行星際活動，以及地球內(nèi)部（或表面）等自然現(xiàn)象和人為因素的影響，地球空間電磁波經(jīng)常出現(xiàn)短時劇衛(wèi)星、空間站等在軌航天器的安全，中國氣象局已建立國家空間天心，實時監(jiān)測預報空間電磁波、粒子輻射等情況[34]。此外，空間磁間科學研究的重要數(shù)據(jù)，近年來 DEMETER 衛(wèi)星、Juno 木星探lombo 水星探測器等都搭載有先進的寬頻磁場傳感器[32,35-41]，如
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP212

【參考文獻】

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本文編號：2605572