發(fā)布時間：2020-03-29 06:06

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)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(jìn)行深部探測的重要技術(shù)手段,其探測深度與頻率成反比,因此為了增強(qiáng)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(shù)。本文從寬頻低噪聲磁感應(yīng)傳感技術(shù)研究出發(fā),結(jié)合時間差(Residence Times Difference,RTD)磁通門弱磁傳感技術(shù),基于二者傳感原理的相似性及磁測優(yōu)勢的互補(bǔ)性,首次提出了磁感應(yīng)-磁通門一體式磁力儀設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了寬頻(DC-10kHz)低噪聲的弱磁檢測目的。第一,建立了感應(yīng)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(dǎo)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(xué)模型,針對感應(yīng)式磁力儀的高源阻抗特點(diǎn),基于結(jié)型場效應(yīng)管(Junction Field Effect Transistor,JFET)設(shè)計(jì)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(xiàn)比重,進(jìn)而建立總噪聲模型,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建噪聲模型的準(zhǔn)確性。第二,提出了感應(yīng)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(fù)反饋的結(jié)構(gòu),抑制了感應(yīng)線圈諧振特性的影響,拓展了傳感器的高頻可用頻帶�；�于斬波調(diào)制放大技術(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)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(jié)構(gòu),在不損失磁芯性能的前提下,降低了傳感器的重量。針對實(shí)際應(yīng)用中對傳感器噪聲水平、體積及重量等指標(biāo)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(biāo)之間的關(guān)系。第三,采用有限元分析方法(Finite Element Method,FEM)優(yōu)化設(shè)計(jì)磁感應(yīng)-磁通門一體式磁力儀的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。首次提出了“啞鈴”狀一體式復(fù)合結(jié)構(gòu),感應(yīng)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(qiáng)度,從而提高了RTD磁通門的靈敏度。進(jìn)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(guān)系,最終得到最佳的磁感應(yīng)-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(yīng)-磁通門一體式寬頻低噪聲磁力儀性能指標(biāo)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(jié)構(gòu)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?dāng)_引入的誤差,研究了相應(yīng)的補(bǔ)償校正算法。推導(dǎo)了實(shí)際坐標(biāo)系與理想坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)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?dāng)_和二次場串?dāng)_的產(chǎn)生機(jī)理,并提出了磁場串?dāng)_校正方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,校正后磁場串?dāng)_降低到原來的1/100左右。
【圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)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(kuò)展經(jīng)，2006 年國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展020）》中，將能源資源勘探列為未來需重點(diǎn)發(fā)展的研究領(lǐng)域，、物力支持[2,3,5-7]。術(shù)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(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)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(dá)到兩千米，那么預(yù)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(yù)報(bào)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(biāo)更加優(yōu)異的磁傳感器。于太陽風(fēng)、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(shí)時監(jiān)測預(yù)報(bào)空間電磁波、粒子輻射等情況[34]。此外，空間磁間科學(xué)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(jìn)的寬頻磁場傳感器[32,35-41]，如
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2605572