張 嵩 劉得軍 李 輝 馬中華 楊 帆

(中國(guó)石油大學(xué)地球物理與信息學(xué)院，北京 102249)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，密布于城市各個(gè)角落的地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)打漏管線情況，進(jìn)而造成漏水、漏氣、停電等事故。因此，開展地下管線的相關(guān)探測(cè)理論研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通常情況下，地下埋藏物與周圍介質(zhì)在電性、密度、磁性、阻抗和導(dǎo)熱性等方面均存在差異。因此，人們可以利用導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率、介電常數(shù)和密度等物理參數(shù)，選擇不同的地球物理方法進(jìn)行地下管線探測(cè)。目前，探測(cè)地下管線的方法大致包括電磁法、地震波法、探地雷達(dá)法、紅外熱成像法等［1－4］。但這些方法往往具有探測(cè)條件要求較高、抗干擾能力較差以及設(shè)備操作不方便等缺點(diǎn)。因此，介紹了一種利用各向異性磁阻傳感器來辨別埋藏物質(zhì)的方法。磁阻傳感器是利用薄膜合金遇到磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁阻值變化的性質(zhì)，將薄膜合金以惠斯登電橋的方式連接，當(dāng)電橋遇到不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電壓輸出，將磁性信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。該方法具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度高、受地形地貌影響小、抗干擾能力強(qiáng)、無需向地層主動(dòng)發(fā)射脈沖信號(hào)等特點(diǎn)。因此，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。

1 探測(cè)原理

1.1 地磁探測(cè)基本原理

地球本身是一個(gè)巨大的磁體，它在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)即地球磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，在地面上平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.000 05 T，即0.5 Gs。由于地磁場(chǎng)的作用，含有鐵磁性物質(zhì)的物體會(huì)產(chǎn)生感生磁場(chǎng)(擾動(dòng)磁場(chǎng))Bi干擾周圍空間的地磁場(chǎng)分布，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)異常信號(hào)Ba。通過測(cè)試和處理磁異信號(hào)可以得到反映磁性目標(biāo)的探測(cè)信息，這就是基于磁異信號(hào)的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的物理基礎(chǔ)［5－8］。

在物理學(xué)中，能夠直觀反映磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)弱和方向的物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過研究鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生磁異常信號(hào)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就可以得到反映地磁場(chǎng)異常的探測(cè)信息。顯然，磁異常信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度與地磁場(chǎng)和擾動(dòng)磁場(chǎng)兩個(gè)場(chǎng)量有關(guān)，它們的關(guān)系可表示為:

式中:Ba為磁異信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量;Bi為擾動(dòng)場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量;Be為地磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。顯然，對(duì)埋藏于地下的磁異常物的探測(cè)，就是通過一定方法將磁異常信號(hào)從近似均勻的地磁場(chǎng)背景中辨別提取出來。

1.2 磁阻傳感器基本原理

各向異性磁阻傳感器由薄膜合金(透磁合金)制成，利用載流磁性材料在外部磁場(chǎng)存在時(shí)電阻特性將會(huì)改變的基本原理進(jìn)行磁場(chǎng)變化的測(cè)量。當(dāng)傳感器接通以后，假設(shè)沒有任何外部磁場(chǎng)，薄膜合金會(huì)有一個(gè)平行于電流方向的內(nèi)部磁化矢量。如果加一個(gè)平行于薄膜合金平面，但又垂直于電流方向的外磁場(chǎng)H，則薄膜合金內(nèi)部磁化向量會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α。磁場(chǎng)作用效果如圖1所示。

圖1 磁場(chǎng)作用效果圖Fig.1 The effected under magnetic field

最終，薄膜合金的電阻R就會(huì)因角度變化而變化，并且與α形成如下函數(shù)關(guān)系:

式中:R0和ΔR0為材料參數(shù)。

由式(2)可以看出，磁疇由于受到H方向磁場(chǎng)作用重新排列，這個(gè)過程被稱為定向磁化，H方向被稱為難磁化軸或敏感軸，與難磁化軸垂直的方向稱為易磁化軸或非敏感軸［9］。從這個(gè)二次方程中可以很明顯地看出，電阻/磁場(chǎng)特性是非線性的，且每一個(gè)R并不與唯一的H值成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在傳感器內(nèi)部的四條薄膜合金以惠斯登電橋的形式蜿蜒排列，當(dāng)外加電源供電后，薄膜合金會(huì)在外加磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電阻值的變化，導(dǎo)致電橋的兩輸出端輸出差分電壓信號(hào)。

1.3 磁阻傳感器的翻轉(zhuǎn)特性

磁阻傳感器的翻轉(zhuǎn)特性曲線如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)特性曲線Fig.2 The flip property curves

圖2中:Vo為傳感器輸出電壓;Hy為平行于敏感軸方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)Hy增大時(shí)，輸出電壓也隨之增大;當(dāng)Hy增大到一定程度時(shí)，輸出電壓會(huì)逐漸衰減，直至趨于平穩(wěn)。

薄膜合金內(nèi)部的磁疇沿非敏感軸(易磁化軸)有正負(fù)兩個(gè)穩(wěn)定排列方向。在磁阻傳感器出廠時(shí)，由于受校準(zhǔn)磁場(chǎng)的作用，薄膜合金內(nèi)部磁疇已經(jīng)按非敏感軸的正穩(wěn)定方向規(guī)律排列，但當(dāng)使用過程中遇到外部施加與內(nèi)部磁疇排列方向相反、場(chǎng)強(qiáng)很大的磁場(chǎng)時(shí)，外加磁場(chǎng)有可能改變內(nèi)部薄膜合金磁疇排列方式，即沿負(fù)穩(wěn)定方向排列。因此，傳感器性質(zhì)發(fā)生顛倒，傳感器的輸出曲線由正穩(wěn)定方向反轉(zhuǎn)到負(fù)穩(wěn)定方向。通常來說，傳感器輸出特性曲線只會(huì)在正、負(fù)兩個(gè)穩(wěn)定方向之間產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。

2 應(yīng)用實(shí)例及分析

2.1 地表裸露金屬物探測(cè)

地表金屬物探測(cè)波形如圖3所示。

圖3 地表金屬物探測(cè)波形Fig.3 Detection waveforms of metal object on ground surface

由圖3可知，經(jīng)放大鏡濾波后，在均勻地磁場(chǎng)作用下的磁阻傳感器的輸出在－0.007 5 V附近;當(dāng)靠近螺絲刀后輸出電壓產(chǎn)生明顯變化，輸出幅值跳變到0.002 5～0.007 5 V范圍內(nèi);當(dāng)傳感器遠(yuǎn)離螺絲刀后輸出電壓恢復(fù)到－0.0075 V附近。

2.2 地下金屬埋藏物探測(cè)

將同一根螺絲刀埋藏在地面以下25 cm處，具體方位未知。用傳感器在某一區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)在絕大部分土壤表面?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲭妷簽椋?.012 V，但在某一位置上方傳感器電壓發(fā)生微弱變化，傳感器的輸出電壓由－0.012 V跳變到－0.006～－0.008 V范圍內(nèi)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)螺絲刀確實(shí)埋在該處。與在地表的實(shí)驗(yàn)相比，傳感器信號(hào)輸出較為微弱，但通過一定的信號(hào)放大濾波處理后仍能準(zhǔn)確地判斷出金屬物位置。地下金屬構(gòu)探測(cè)波形如圖4所示。

圖4 地下金屬物探測(cè)波形Fig.4 Exploring waveforms of the underground metal object

2.3 地下未知管線探測(cè)

利用各向異性磁阻傳感器對(duì)大慶油田某井場(chǎng)附近疑似存在地下管線，但對(duì)管線走向及埋藏深度都未知的區(qū)域進(jìn)行了探測(cè)實(shí)驗(yàn)。地下未知管線探測(cè)波形如圖5所示。

圖5 地下未知管線探測(cè)波形Fig.5 Exploring waveforms of unknown underground pipeline

從圖5中可以看出，存在一處磁場(chǎng)強(qiáng)度異常區(qū)域，即波形凸起區(qū)域，傳感器輸出電壓由均勻土壤區(qū)域的－0.01 V升高到 +0.045 V附近，變化幅度達(dá)到0.055 V，顯然該處存在明顯磁異常。因此，可以判定該處存在一根金屬管線。經(jīng)檢驗(yàn)，確定地下1.5 m處埋藏有一根直徑約1 m的金屬管。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析可知，均勻大地土壤的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差不大，能夠使傳感器產(chǎn)生約－0.01 V的輸出電壓。Hmc1001型傳感器具有較強(qiáng)的敏感性，能夠分辨出螺絲刀等較為細(xì)小的鐵磁性物質(zhì)。此外，由于鐵磁性物質(zhì)大小不同會(huì)導(dǎo)致傳感器的輸出有明顯差異［12］，較粗較大的鐵磁性物質(zhì)的電壓輸出很大，很容易被傳感器辨別出來。對(duì)于埋藏在地表下的鐵磁性物質(zhì)，埋藏深度對(duì)探測(cè)的影響很大，隨著埋藏深度的加大探測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度衰減明顯。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results

3 結(jié)束語

以霍尼韋爾Hmc1001為代表的一系列各向異性磁阻傳感器不僅具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)和操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，還集成有置位/復(fù)位電流帶、偏置電流帶等功能端;可以有效減小剩磁干擾、溫度漂移和非線性誤差等問題，在現(xiàn)代地磁探測(cè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于各向異性磁阻傳感器在各種磁異信號(hào)的檢測(cè)中具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較好地滿足了地磁異常檢測(cè)的要求，因此，各向異性磁阻傳感器對(duì)地下管線及不明物等的探測(cè)是行之有效的。

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