專利名稱：基于瞬變電磁法的探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電磁探測技術(shù)，特別涉及一種時(shí)間域電磁法(Time domainelectromagnetic method)也稱為瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,簡寫為TEM)探測技術(shù)。
背景技術(shù)：
瞬變電磁法(TEM)是一種電磁探測技術(shù)，主要用于金屬探測和礦物資源探測，瞬變電磁法在金屬管道狀態(tài)(如平均厚度、腐蝕程度、滲漏等)評(píng)估中運(yùn)用較為廣泛。TEM利用發(fā)射天線中電流的瞬間變化產(chǎn)生脈沖電磁波(稱為一次電磁場，或一次場)，在一次電磁場的激勵(lì)下，被測物體內(nèi)部由于電磁感應(yīng)將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流又在周圍空間激發(fā)二次電磁場(簡稱為二次場)，此二次場與被測導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)和參數(shù)相關(guān)，如管徑、材質(zhì)、管壁厚度、管內(nèi)輸送的介質(zhì)等，這種脈沖瞬變響應(yīng)具有時(shí)間上的可分性，這是實(shí)現(xiàn)管道狀態(tài)檢測的TEM技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上利用接收天線接收該二次電磁 場，分析并研究其與時(shí)間的變化關(guān)系，就可以對(duì)目標(biāo)管線的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行定量和定性評(píng)估?，F(xiàn)有技術(shù)用于產(chǎn)生一次電磁場的發(fā)射天線，通常采用一個(gè)矩形或環(huán)形線圈(一般為平面線圈，結(jié)構(gòu)參見圖I、圖2和圖3)，通過控制流過線圈的電流產(chǎn)生突變，激發(fā)一次場覆蓋區(qū)域的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生二次電磁場輻射。以正方形線圈構(gòu)成的發(fā)射天線為例，其產(chǎn)生的一次場覆蓋范圍近似為邊長=L+2h的正方形，其中，L為發(fā)射天線邊長，h為探測深度。由于發(fā)射天線輸出能量與L相關(guān)，為了得到一定的激發(fā)能量，L取值不能太小?？梢钥闯?，這種發(fā)射天線產(chǎn)生的一次場覆蓋范圍是發(fā)散的，隨著探測深度的增加，電磁場覆蓋范圍增加，電磁場覆蓋管段范圍擴(kuò)大。對(duì)于并行、交叉或靠近的管道，或者被測管道附近存在其他金屬物體，由于他們產(chǎn)生的二次電磁場相互干擾，導(dǎo)致檢測精度降低，甚至無法分辨有用信號(hào)和干擾信號(hào)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種利用發(fā)射天線陣列實(shí)現(xiàn)空間電磁場分布向設(shè)定區(qū)域匯聚的基于瞬變電磁法的探測裝置。本實(shí)用新型解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，基于瞬變電磁法的探測裝置，包括用于產(chǎn)生瞬變電磁場的發(fā)射天線和用于接收所述瞬變電磁場激發(fā)的二次電磁場的接收天線，其特征在于，所述發(fā)射天線由至少2個(gè)線圈構(gòu)成的線圈陣列組成，所述線圈陣列產(chǎn)生的電磁場向設(shè)定區(qū)域匯聚。根據(jù)TEM的原理，發(fā)射天線產(chǎn)生的一次場覆蓋范圍愈小，測量的精度愈高。因此，本實(shí)用新型結(jié)合磁約束方法與瞬變電磁法，將瞬變電磁法一次場發(fā)射天線由單一線圈改為多個(gè)線圈組成的線圈陣列，通過調(diào)整陣列中各個(gè)線圈的相關(guān)參數(shù)，使其產(chǎn)生的電磁場矢量疊加后匯聚到設(shè)定區(qū)域，大大改善了發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場的發(fā)散性，使一次場的覆蓋范圍受到了約束。本實(shí)用新型利用磁約束方法提高了發(fā)射天線的匯聚性能，進(jìn)行探測時(shí)能有效避免周圍金屬介質(zhì)的干擾，能夠有效克服并排管道對(duì)檢測結(jié)果的影響，勘測深度可以提高，能夠更精確的測量出小范圍內(nèi)管道參數(shù)，如管段平均厚度、直徑、腐蝕情況等。發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場，與線圈中流過的電流大小、相位(包括電流方向)有夫，通過控制陣列中各個(gè)線圈的電流大小及其相位可以達(dá)到控制合成電磁場矢量方向和大小的目的，從而使線圈陣列產(chǎn)生的電磁場向設(shè)定區(qū)域匯聚。陣列中各線圈的形狀及其相對(duì)位置都與線圈陣列的合成電磁場矢量的大小、方向及場的分布有關(guān)系，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各線圈的形狀和/或相對(duì)位置，可以使線圈陣列產(chǎn)生的電磁場向設(shè)定區(qū)域匯聚。優(yōu)選的，所述線圈陣列由2個(gè)線圈構(gòu)成。由2個(gè)線圈構(gòu)成的陣列結(jié)構(gòu)最簡單，其合成電磁場矢量容易控制，分析計(jì)算也比較簡単。特別是工程上容易實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)際意義。具體的，所述2個(gè)線圈分別位于2個(gè)平行的平面內(nèi)，其在所述平面垂直方向的投影相接或至少有部分重疊。該方案利用2個(gè)位于平行平面的線圈配置調(diào)整空間電磁場的分布，通過調(diào)整2個(gè)線圈之間垂直距離、重疊部分大小和形狀等，可以控制合成電磁場在空間的匯聚方向和位置。2個(gè)線圈在其平面垂直方向的投影可以相接或有部分重疊，相接可以理解為重疊部分為0的情況。一般而言，對(duì)于重疊配置在兩個(gè)平行平面內(nèi)的線圈，合成電磁場主要集中在2個(gè)線圈重疊部分所覆蓋的區(qū)域，即該線圈陣列產(chǎn)生的電磁場向重疊部分所覆蓋的區(qū)域匯聚。進(jìn)ー步的，在2個(gè)線圈重疊部分配置有第三線圈，所述第三線圈所在平面與所述2個(gè)線圈所在平面平行。在2個(gè)線圈重疊部分配置第三線圈，可以通過調(diào)整第三線圈的形狀、大小、配置位置、驅(qū)動(dòng)電流等，進(jìn)ー步控制合成電磁場的空間匯聚，縮小一次場覆蓋范圍，提高匯聚性能。具體的，所述2個(gè)線圈結(jié)構(gòu)相同或不同。通過調(diào)整2個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)，也可以控制合成電磁場的匯聚性能。線圈結(jié)構(gòu)主要包括形狀、大小、匝數(shù)等參數(shù)。更具體的，所述線圈為矩形線圈或圓形線圈或三角形線圈。矩形線圈、圓形線圈或三角形線圈是形狀比較簡單的線圈結(jié)構(gòu)，便于エ業(yè)化生成和應(yīng)用。推薦的，所述三角形線圈為等腰三角形線圈或等邊三角形線圈。等腰三角形線圈或等邊三角形線圈在繞制線圈匝數(shù)相同的情況下，可以節(jié)省線材。而且試驗(yàn)中，采用2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的等邊三角形線圈構(gòu)成的陣列，電磁場匯聚特性能改善明顯，合成矢量調(diào)整也比較方便。更進(jìn)一歩的，所述等腰三角形線圈或等邊三角形線圈相接的兩條邊或重疊部分的兩條邊平行。試驗(yàn)證明，這種配置方式，是采用等腰三角形線圈或等邊三角形線圈較佳的配置方式，具有匯聚性能好，調(diào)整方便的特點(diǎn)。特別的，所述兩條邊為等腰三角形線圈或等邊三角形線圈的底邊。這種線圈配置方式，特別適合2個(gè)等腰三角形線圈的配置，可以提高電磁場空間分布的匯聚性能。本實(shí)用新型的有益效果是，利用線圈陣列組成發(fā)射天線，能夠根據(jù)需要通過調(diào)整陣列中各個(gè)線圈的空間配置，如相對(duì)位置、距離，各個(gè)線圈的電流大小、相位等，使一次場約束在設(shè)定范圍，探測時(shí)能有效避免周圍環(huán)境金屬介質(zhì)的干擾，特別有利于解決并排管道檢測的實(shí)際問題，能夠擴(kuò)大探測深度，更精確的測量出小范圍內(nèi)管道平均厚度，提高腐蝕探測、金屬探測、礦產(chǎn)探測的精度和準(zhǔn)確性。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)矩形發(fā)射天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形發(fā)射天線結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖I和圖2中P-P剖面的放大示意圖；圖4是實(shí)施例I的線圈陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6是實(shí)施例2的線圈陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖6的俯視圖；圖8是實(shí)施例3的線圈陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是圖8的俯視圖；圖10是實(shí)施例4的線圈陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是圖10的俯視圖；圖12是實(shí)施例5的線圈陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是圖12的俯視圖；圖14是電磁場分布仿真圖。其中，10——導(dǎo)線；11——絕緣介質(zhì)；1——第一線圈；2——第二線圈；3——第三線圈；A—第一線圈和第二線圈重疊部分覆蓋的空間區(qū)域；B—第一線圈、第二線圈和第三線圈重疊部分覆蓋的空間區(qū)域；a—一第三線圈與第一線圈之間的距離；L——第一線圈與第二線圈之間的距離；d——第一線圈和第二線圈重疊部分長度；11、12和13分別為第一線圈、第二線圈和第三線圈的驅(qū)動(dòng)電流。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本實(shí)用新型的技術(shù)方案?，F(xiàn)有技術(shù)發(fā)射天線采用的線圈結(jié)構(gòu)如圖I、圖2和圖3所示。從剖面圖圖3中可以看出，圖I、圖2分別是19匝的矩形和環(huán)形線圈。這種發(fā)射天線產(chǎn)生的一次場是發(fā)散的，圖14a給出了邊長50cm的正方形線圈，順時(shí)針方向通入IA的驅(qū)動(dòng)電流，在距離線圈平面IOOcm處的電磁場分布仿真圖。本實(shí)用新型根據(jù)TEM的原理，對(duì)發(fā)射天線產(chǎn)生的一次場進(jìn)行約束，將瞬變電磁法一次場發(fā)射天線由單一線圈改為由多個(gè)線圈組成的線圈陣列，這些構(gòu)成陣列的線圈稱為子線圈。本實(shí)用新型的發(fā)射天線陣列，可以通過調(diào)整陣列中各個(gè)子線圈的空間位置、形狀、大小、驅(qū)動(dòng)電流(包括電流大小、相位)，使其產(chǎn)生的電磁場矢量疊加后匯聚到設(shè)定區(qū)域。本實(shí)用新型大大改善了單一發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場的發(fā)散性，使一次場的覆蓋范圍受到了約束。本實(shí)用新型利用磁約束方法提高了發(fā)射天線的匯聚性能，進(jìn)行探測時(shí)能有效避免周圍金屬介質(zhì)的干擾，有效克服并排管道對(duì)檢測結(jié)果的影響，勘測深度可以提高，能夠更精確的測量出小范圍內(nèi)管道參數(shù)，如管段平均厚度、直徑、腐蝕情況等。下面的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的線圈陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，需要說明的是，下述實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型，其并不能窮盡本實(shí)用新型的線圈陣列結(jié)構(gòu)，更不應(yīng)將其理解為對(duì)本實(shí)用新型的限定。實(shí)施例I本例基于瞬變電磁法的探測裝置，包括用于產(chǎn)生瞬變電磁場的發(fā)射天線和用于接收所述瞬變電磁場激發(fā)的二次電磁場的接收天線。本例發(fā)射天線由2個(gè)邊長為60cm的線圈構(gòu)成的陣列組成，如圖4和圖5所示。2個(gè)線圈分別位于兩個(gè)平行的平面內(nèi)，兩個(gè)平行平面之間的距離為L，第一線圈I在第二線圈2所在平面的投影有部分重疊，重疊部分長度為d。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)射天線陣列，2個(gè)線圈重疊區(qū)域A是合成電磁場匯聚的區(qū)域，圖14b給出了 L = 3cm, d = 6cm,驅(qū)動(dòng)電流為1A,電流方向如圖4所示的線圈陣列,在距離第二線圈2所在平面IOOcm處的電磁場仿真圖。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)射天線陣列，可以通過控制各個(gè)子線圈的電流大小、相位以及距離L、長度d的值，可以調(diào)整線圈陣列合成電磁場的匯聚區(qū)域，滿足不同探測系統(tǒng)的需要。實(shí)施例2圖6和圖7示出了本例發(fā)射天線陣列結(jié)構(gòu)。這實(shí)際上就是實(shí)施例I中，d = 0的情況。這是2個(gè)子線圈相接的情況，該發(fā)射天線陣列可以通過調(diào)整2個(gè)子線圈電流、距離L控制合成電磁場的匯聚區(qū)域。實(shí)施例3本例發(fā)射天線陣列在2個(gè)線圈重疊部分配置有第三線圈3，參見圖8和圖9。子線圈3所在平面與該2個(gè)線圈所在平面平行。圖14c給出了在距離第二線圈2所在平面IOOcm處的電磁場分布仿真圖。仿真條件為線圈I和線圈2均為邊長60cm的正方形，按圖8所示方向輸入驅(qū)動(dòng)電流IA ;第三線圈3為60X42cm的矩形線圈，按圖8所示方向輸入驅(qū)動(dòng)電流IA ;L = a = 3cm, d = 6cm。比較圖14b和圖14c可以看出，配置第三線圈3使電磁場分布由橢圓形趨近圓形，通過調(diào)整本例線圈陣列中的各種參數(shù)，如a、L、d、Il、I2、I3等可以控制電磁場的匯聚方向、位置和電磁場分布形狀。該實(shí)施例電磁場可以向3個(gè)線圈重疊部分覆蓋的區(qū)域B集中。實(shí)施例4本例第一線圈I和第二線圈2是2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的等邊三角形線圈，其邊長為80cm，分別位于兩個(gè)相距L的平行平面內(nèi)，配置關(guān)系如圖10和圖11所示。本例線圈陣列電磁場覆蓋的區(qū)域也是主要集中在第一線圈I和第二線圈2重疊覆蓋的區(qū)域A，通過調(diào)整圖中的參數(shù)L、d、II、12可以控制電磁場匯聚方向、位置和分布形狀等。圖14d給出了在距離第二線圈2所在平面IOOcm處本例線圈陣列合成電磁場分布仿真圖。仿真條件為第一線圈I和第二線圈 2 邊長為 80cm ；I1 = 1A, 12 = IA 方向如圖 10 所示；L = 3cm, d = 13. 856cm。本例線圈陣列中，等邊三角形的邊長可以根據(jù)需求選取合適的邊長，所需能量越大，邊長越大。L的取值為分段的兩個(gè)區(qū)間[0，3]和[10，..]，第一線圈I和第二線圈2重疊部分的兩條邊el和e2平行。兩個(gè)等邊三角形線圈在兩平行平面內(nèi)平行移動(dòng)，重疊長度d的取值符合d =邊長XratioX I. 732,其中,ratio取值范圍為[0,1. 2]。ratio = 0時(shí)d=0,此時(shí)兩個(gè)等邊三角形線圈兩底邊相接；ratio < 0. 6, d小于等邊三角形的高,等邊三角形兩底邊距離較近，此時(shí)對(duì)合成電磁場的影響因素主要集中在兩條底邊el和e2上；ratio>0.6，d大于三角形的高，兩個(gè)等邊三角形頂點(diǎn)較接近，此時(shí)對(duì)電磁場分布的影響因素主要為第一線圈I和第二線圈2重疊的區(qū)域A的大小和形狀。根據(jù)第一線圈I和第二線圈2的驅(qū)動(dòng)電流方向不同，本例線圈陣列驅(qū)動(dòng)電流有多種組合狀態(tài)。下面給出幾種不同驅(qū)動(dòng)電流組合狀態(tài)的試驗(yàn)情況I、第一線圈I為順時(shí)針方向電流，第二線圈2為反時(shí)針方向電流。ratio取[0.1，
0.2]或[I. I, I. 2]范圍的值時(shí),合成電磁場匯聚改善明顯，當(dāng)ratio = 0. 2時(shí)電磁場形狀是橫向尺寸大于縱向尺寸。2、第一線圈I和第二線圈2均為順時(shí) 針方向電流。ratio取[0. 2，I. 2]范圍的值時(shí)合成電磁場匯聚改善明顯，合成電磁場在遠(yuǎn)場處中心凹陷。3、第一線圈I和第二線圈2均為反時(shí)針方向電流。ratio取[0. 3，0. 7]范圍的值時(shí)，合成電磁場匯聚改善明顯，合成電磁場在遠(yuǎn)場處中心凹陷。4、第一線圈I為反時(shí)針方向電流，第二線圈2為順時(shí)針方向電流(即圖10所示電流方向)；ratio取[0,0. 9]范圍的值,合成電磁場匯聚改善明顯,ratio = 0. 5時(shí)電磁場分布近似為縱向橢圓形，其他取值電磁場分布近似為橫向橢圓形。圖14e為該電流組合狀態(tài)下，ratio = 0.1,L = 3cm,在距離第二線圈2所在平面IOOcm處的電磁場分布仿真圖,此時(shí)兩個(gè)等邊三角形線圈重疊長度d = 80X0. 1X1. 732 = 13. 856cm。這種驅(qū)動(dòng)電流組合狀態(tài)，合成電磁場匯聚效果優(yōu)于其它電流組合狀態(tài)。上訴4種電流組合狀態(tài)中,ratio最大取值I. 2,但是當(dāng)ratio > I. 2時(shí)，電磁場分布雖然出現(xiàn)多個(gè)聚焦點(diǎn)，但其主要聚焦點(diǎn)聚焦效果在ratio取值不同時(shí)，聚焦效果同樣有所改善。實(shí)施例5本例線圈陣列是在實(shí)施例4的線圈陣列基礎(chǔ)上增加第三線圈3構(gòu)成的，第三線圈3采用直徑60cm的環(huán)形線圈，其所在平面與第一線圈I所在平面平行且距離為a，本例三個(gè)線圈配置關(guān)系如圖12和圖13所示。本例d取值也滿足d=邊長XratioXl. 732，在第一線圈I驅(qū)動(dòng)電流為順時(shí)針方向電流，第二線圈2驅(qū)動(dòng)電流為反時(shí)針方向電流的組合狀態(tài)下，ratio取[0. 1,0. 2]或[I. I, I. 2]范圍的值時(shí),合成電磁場匯聚改善明顯，當(dāng)ratio = 0. 2時(shí)電磁場分布形狀橫向尺寸大于縱向尺寸。ratio = 0. I時(shí),第三線圈3中注入IA的順時(shí)針方向電流,合成電磁場聚焦性能和
能量大小均有改善。ratio = I. I時(shí)，第三線圈3中注入IA的逆時(shí)針方向電流，合成電磁場聚焦性能幾乎沒有變化，但是能量大小有所增加。圖14f為這種電流組合狀態(tài)，L = a = 3cm, d =80X0. 1X1. 732 = 13. 856cm的合成電磁場仿真圖。
權(quán)利要求1.基于瞬變電磁法的探測裝置，包括用于產(chǎn)生瞬變電磁場的發(fā)射天線和用于接收所述瞬變電磁場激發(fā)的二次電磁場的接收天線，其特征在于，所述發(fā)射天線由至少2個(gè)線圈構(gòu)成的線圈陣列組成，所述線圈陣列產(chǎn)生的電磁場向設(shè)定區(qū)域匯聚。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，所述線圈陣列由2個(gè)線圈構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，所述2個(gè)線圈分別位于2個(gè)平行的平面內(nèi)，其在所述平面垂直方向的投影相接或至少有部分重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，在所述2個(gè)線圈重疊部分配置有第三線圈，所述第三線圈所在平面與所述2個(gè)線圈所在平面平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，所述2個(gè)線圈結(jié)構(gòu)相同或不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，所述線圈為矩形線圈或圓形線圈或三角形線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，所述三角形線圈為等腰三角形線圈或等邊三角形線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在于，所述等腰三角形線圈或等邊三角形線圈相接的兩條邊或重疊部分的兩條邊平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于瞬變電磁法的探測裝置，其特征在干，所述兩條邊為等腰三角形線圈或等邊三角形線圈的底邊。
專利摘要本實(shí)用新型涉及TEM探測技術(shù)。本實(shí)用新型公開了一種基于瞬變電磁法的探測裝置，其裝置結(jié)構(gòu)包括用于產(chǎn)生瞬變電磁場的發(fā)射天線和用于接收所述瞬變電磁場激發(fā)的二次電磁場的接收天線，所述發(fā)射天線由至少2個(gè)線圈構(gòu)成的線圈陣列組成，所述線圈陣列產(chǎn)生的電磁場向設(shè)定區(qū)域匯聚。本實(shí)用新型將瞬變電磁法一次場發(fā)射天線由單一線圈改為多個(gè)線圈組成的線圈陣列，通過調(diào)整陣列中各個(gè)線圈的相關(guān)參數(shù)，使其產(chǎn)生的電磁場矢量疊加后匯聚到設(shè)定區(qū)域，大大改善了發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場的發(fā)散性，使一次場的覆蓋范圍受到了約束，提高了發(fā)射天線的匯聚性能。本實(shí)用新型主要用于電磁探測領(lǐng)域，如探礦、地下管道檢測、金屬探測等。
文檔編號(hào)G01V3/10GK202522710SQ20122011480
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者劉冀成 申請(qǐng)人:劉冀成