一种航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器

1.本实用新型涉及航空电磁测量技术领域，特别是涉及一种航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器。


背景技术：

2.航空电磁测量技术包括时间域航空电磁测量技术和频率域电磁测量技术，时域航空电磁测量技术比频率域电磁测量技术有着先天的优势，其探测深度更大、数据信息量更丰富，时域航空电磁法逐渐成为航空电磁法中最具应用潜力和最重要的方法技术。
3.时间域航空电磁测量技术又称为航空瞬变电磁法，是利用机载线圈发射脉冲电磁波，通过接收线圈测量二次感应电磁场的航空物探方法。
4.现有的接收信号传感器存在有一些问题，频率成份太窄，大大降低了探测的效率。因此，设计一种航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器是十分有必要的。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器，有效增加了感应线圈的匝数，改善了低频段灵敏度，提升了加工工艺的可行性。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.一种航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器，包括：六面体、线圈安装基筒及线圈，所述六面体的内部中空，所述六面体的六个面对应所述线圈安装基筒设置有基筒安装件，所述线圈安装基筒设置有六个，两两一组，分别设置在所述六面体的六个面的基筒安装件上，所述线圈通过中心抽头绕线方式串联在所述线圈安装基筒上。
8.可选的，所述六面体的边长为220mm。
9.可选的，所述线圈安装基筒为饼状骨架结构，所述线圈安装基筒的直径为210mm，长度为40mm。
10.可选的，所述线圈安装基筒上均匀设置有1mm隔板，用于提高带宽。
11.可选的，所述线圈为单层线圈，由绕线通过中心抽头绕线方式绕制在线圈安装基筒上而成，所述绕线为线径1mm、4pin的ffc柔性扁平铜线。
12.可选的，所述六面体及线圈安装基筒的材质为pvc无磁性材质。
13.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器，该传感器采用六面体骨架的基本结构形式，在六面体上安装有三对线圈安装基筒，在线圈安装基筒上设置有线圈，组成三分量感应线圈传感器，能够确保每个分量性能的相同性和分量间的正交性；该传感器选用多个单层线圈串联构成，采用分段结构能够大大减小线圈的分布电容，并且减小电感，提高总的谐振频率；该传感器选用间距1mm、4pin的ffc柔性扁平铜线绕制线圈，在相邻铜线间设置1mm隔板，用于提高带宽；该传感器舍弃了原线圈安装基筒的筒状骨架结构，采用饼状骨架结构，可以在有限空间内，获得尽可能大的线圈直径，从而提高灵敏度。
附图说明
14.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本实用新型实施例航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器结构示意图；
16.图2为线圈宽高比与电感量及接收面积的关系示意图；
17.图3为面积电感量比与绕线宽度高度比的关系示意图；
18.图4为格框宽度和噪声门限及电感量的关系示意图；
19.图5为前置放大器电路图；
20.图6为灵敏度测试装置示意图；
21.图7为噪声谱测试装置布置示意图；
22.图8为六面体结构示意图。
23.附图标记：1、六面体；2、线圈安装基筒；3、线圈安装件。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.本实用新型的目的是提供一种航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器，有效增加了感应线圈的匝数，改善了低频段灵敏度，提升了加工工艺的可行性。
26.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
27.如图1及图8所示，本实用新型实施例提供的航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器，包括：六面体1、线圈安装基筒2及线圈，所述六面体1的内部中空，所述六面体1的六个面对应所述线圈安装基筒2设置有基筒安装件3，所述线圈安装基筒2设置有六个，两两一组，分别设置在所述六面体1的六个面的基筒安装件3上，所述线圈通过中心抽头绕线方式串联在所述线圈安装基筒2上。
28.如图2及图3所示，感应式空心线圈传感器的绕线方式有多种，一般的绕线方式有：分段绕线、中心抽头、两侧抽头同侧引线、两侧抽头异侧引线。在不同绕线方式、相同匝数与等效面积情况下，电感值大致相同，但是分布电容会由于各种绕线方式发生较大的变化。考虑到制作方法的简便性，选择中心抽头绕线方式，为了提高接收灵敏度，要求接收线圈的面积尽可能大，并且线圈的电感尽可能小，以提高接收带宽，这就要求线圈的面积电感比ksl尽可能大。根据ksl计算结果可知，当绕线窗口宽高比kwh为1时，ksl得到极小值，当kwh取极小值(即每层为单匝线圈)，ksl取得极大值。因此，选用由多个单层线圈来构建接收线圈的绕线方案，采用分段结构可以大大减小线圈的分布电容，并且电路的总电感也有所减小，这样总的谐振频率便可显著提高。
29.所述六面体1的边长为220mm。
30.平面线圈之间的间隔对灵敏度、带宽及噪声水平有一定的影响，图4表示规定线圈尺寸条件下不同格框宽度线圈对应的噪声门限和电感量，其中，导线a线径1mm，导线b线径0.8mm。
31.如图4所示，计算结果表明：
32.(1)格框越宽，线圈的绕制匝数越少，灵敏度越低，噪声门限越高。
33.(2)格框越窄，线圈的绕制匝数越多，电感量越大，带宽越低。因此，带宽和信噪比及灵敏度是矛盾的关系，综合考虑加工工艺的可行性，本项目将平面线圈间的格框宽度设计为1mm。为了达到平面线圈的绕线要求，本设计采用间距1mm、4pin的ffc柔性扁平铜线绕制线圈。
34.所述线圈安装基筒2上均匀设置有1mm隔板，用于提高带宽。
35.其中，所述线圈为单层线圈，由绕线通过中心抽头绕线方式绕制而成，所述绕线为线径1mm、4pin的ffc柔性扁平铜线；所述相邻的绕线间设置有1mm隔板，用于提高带宽。
36.绕制单个线圈时，左手拿铜线的起始端，大拇指抵住线端头，右手顺线，逐步层叠绕制在线圈骨架上。随着线圈层数堆高，滴注凝胶固定，直到达到所需圈数，截断铜线。将铜线首尾两端错位顺次焊接，此时可得多个平面线圈串接的完整电感线圈。依次由低到高再由高到低，绕满整个线圈骨架。沿模拟电流方向，将上一格框的一端与下一格框的一端焊接，最后得到两个抽头的单个线圈。六面体的两个相对面线圈为一组，将相对线圈的中心抽头引出线两端与地线连接，串联在所述线圈安装基筒上。
37.所述线圈安装基筒2为饼状骨架结构，所述线圈安装基筒的直径为210mm，长度为40mm。
38.所述六面体1及线圈安装基筒2的材质为pvc无磁性材质。
39.所述航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器沿用六面体骨架的基本结构形式，每个分量由两组感应线圈组成，在六面体上安装三对线圈，组成三分量感应线圈传感器，所述三分量感应线圈传感器包括六面体以及设置在六面体六个面上的线圈安装基筒，所述六面体的边长为220mm，所述线圈安装基筒的直径为210mm，长度为40mm，确保了每个分量性能的相同性及分量间的正交性；
40.制作而成的三分量感应线圈传感器舍弃了原线圈筒状骨架结构，采用饼状骨架结构，可以在有限空间内，获得尽可能大的线圈直径，从而提高灵敏度，增加了线圈安装基筒分格数量，由原来的六格增加至十几格，可有效降低分布电容，提高频带宽度。
41.该航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器配置有配套的前置放大电路，为ca-451f4放大器，不仅保证了输入电压噪声密度2.5nv/√hz，而且保证了
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100电压增益。在保持基本低噪声的情况下，通过采用负反馈技术的降噪电路，实现了突出的直流特性(2μv/℃)和频率特性(dc至10mhz)。该放大器在高信号源阻抗(100k)条件下可提供低噪声特性。采用drv134音频平衡线路驱动器，使放大器的输出信号由单端转为差分，以便输出信号有充足的驱动能力，其中，电路图如图5所示。
42.对该航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器进行参数实验，将该航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器设置在屏蔽室内，并将其置于亥姆霍兹线圈中，通过信号发生器激发出标定磁场，通过台式万用表测量亥姆霍兹线圈中的电流数值，由此计算激励线圈的匀强磁场大小，通过示波器测试航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器输出的电压信号幅值，通过
下列公式计算灵敏度的大小：
[0043][0044]
式中，vout为该航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器的输出电压值，i为姆霍兹线圈中的电流数值，k为亥姆霍兹线圈产生匀强磁场的转换系数(例如：0.0543ut/ma)；
[0045]
利用动态信号分析仪agilent-35670a对航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器的本底噪声进行测试，其中测试时的实验布置图如图6所示，实验中设定本底噪声的扫描范围为25hz～35khz，信号叠加50次，本底噪声以均方根值形式表达。
[0046]
通过上述实验，得到航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器的线圈灵敏度及本底噪声数据如表1所示；
[0047]
表1线圈灵敏度及本底噪声数据
[0048][0049][0050]
本实用新型提供的航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器本底噪声分别保持在:
11.7、10.7、10.6(单位：nv/√hz@1khz)，灵敏度在其谐振频率处为4.3、6.5、6.4(单位：mv/nt)，改善了灵敏度和背景噪声。
[0051]
本实用新型提供的航空瞬变电磁三分量空心线圈传感器，该传感器采用六面体骨架的基本结构形式，在六面体上安装有三对线圈安装基筒，在线圈安装基筒上设置有线圈，组成三分量感应线圈传感器，能够确保每个分量性能的相同性和分量间的正交性；该传感器选用多个单层线圈串联构成，采用分段结构能够大大减小线圈的分布电容，并且减小电感，提高总的谐振频率；该传感器选用间距1mm、4pin的ffc柔性扁平铜线绕制线圈，在相邻铜线间设置1mm隔板，用于提高带宽；该传感器舍弃了原线圈安装基筒的筒状骨架结构，采用饼状骨架结构，可以在有限空间内，获得尽可能大的线圈直径，从而提高灵敏度。
[0052]
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。