張林，陸春昌

（1.重慶地質(zhì)儀器廠 400033；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 400037）

隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)高速發(fā)展，國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源的需求越來(lái)越大。近年來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)礦產(chǎn)資源的勘查與開發(fā)，與之相配套的物探儀器也得到了飛速發(fā)展，特別是電子技術(shù)的運(yùn)用，使我們的物探儀器向集成化，數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。

三分量井中磁力儀是鉆孔物探中以單孔就可以實(shí)現(xiàn)方位測(cè)量的一種有效方法，通過(guò)測(cè)井能取得地面磁法無(wú)法探測(cè)到的信息資料，能解決更為復(fù)雜的深部地質(zhì)問(wèn)題。它能解決普查勘探磁鐵礦或含磁性物的多金屬礦床，發(fā)現(xiàn)井旁盲磁性礦，預(yù)報(bào)井底盲礦，確定礦體形狀、產(chǎn)狀、規(guī)模以及指導(dǎo)鉆井等。在現(xiàn)有的井中磁力儀是將磁敏元器件安裝在活動(dòng)框架上，當(dāng)磁力儀傾斜后，在重力作用下，靠機(jī)械系統(tǒng)來(lái)保持測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)系，這種磁力儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高、可靠性低，而且只能進(jìn)行井下定位點(diǎn)測(cè)。由于靠機(jī)械系統(tǒng)來(lái)測(cè)量，各支點(diǎn)間會(huì)存在摩擦力。摩擦力是固然存在的，沒(méi)辦法進(jìn)行消除，直接影響到測(cè)量精度，導(dǎo)致測(cè)量精度不高，而且每次測(cè)量前需要進(jìn)行校核、標(biāo)定。這對(duì)工程人員來(lái)說(shuō)非常麻煩，進(jìn)而影響勞動(dòng)生產(chǎn)率。

由重慶地質(zhì)儀器廠自主研發(fā)和設(shè)計(jì)的新一代三分量井中磁力儀，采用了全新的思路，完全舍棄了機(jī)械定位系統(tǒng)，將傳感器集成在一塊線路板上，依靠軟件來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的自由度，進(jìn)行自動(dòng)誤差補(bǔ)償，最后通過(guò)坐標(biāo)變換將測(cè)量值轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系上。從而極大地提高了儀器的可靠性和精度，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)測(cè)量，自動(dòng)保存，然后通過(guò)地面儀器可以直接進(jìn)行讀數(shù)。

井中磁力儀傳感器采用正交三軸磁通門傳感器。利用在交變磁場(chǎng)飽和激勵(lì)下，磁芯由于被測(cè)磁場(chǎng)的作用而使感應(yīng)輸出電壓發(fā)生“非對(duì)稱性”變化來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)。傳感器由探頭磁芯、激勵(lì)線圖、感應(yīng)線圈、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)、交流放大、檢波、反饋補(bǔ)償及積分輸出電路等組成，其工作原理見(jiàn)圖1。在高溫?zé)o磁不銹鋼長(zhǎng)環(huán)型骨架探頭磁芯兩臂上分別繞制坡莫合金帶若干圈，并把它們串在一起形成激勵(lì)線圈，激勵(lì)方波由自激多諧振蕩器提供，電流為脈沖波。這種方法能在大大減小功耗的同時(shí)降低巴克豪生效應(yīng)引起的磁噪聲，提高傳感器的分辨率。感應(yīng)線圈則是繞制在長(zhǎng)環(huán)型骨架上，把激勵(lì)線圈包在內(nèi)部。即相當(dāng)在感應(yīng)線圈內(nèi)部放置繞有激勵(lì)線圈的鐵芯，鐵芯在脈沖電流的激勵(lì)下不斷在正負(fù)方向上飽和。外磁場(chǎng)為零時(shí)，感應(yīng)線圈輸出的平均電壓為零，當(dāng)外磁場(chǎng)不為零時(shí)，感應(yīng)線圈的輸出電壓經(jīng)檢波后與外磁場(chǎng)成正比，從而實(shí)現(xiàn)了從磁場(chǎng)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。雖然坡莫合金矯頑力小但不可避免的存在磁滯現(xiàn)象，而且具有一定的非線性，通過(guò)對(duì)磁通門傳感器采用過(guò)飽和激勵(lì)（激勵(lì)電流大于坡莫合金矯頑力100倍）可消除磁滯現(xiàn)象對(duì)零偏的影響。采用深度負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)及D／A數(shù)字反饋新技術(shù)可消除非線性影響，并最大限度提高傳感器的靈敏度。

圖1 傳感器工作原理如圖

在一個(gè)絕緣無(wú)磁性的立方體（圖2）上垂直加工三個(gè)孔分別安裝三個(gè)方向上的磁通門探頭。立方體的六個(gè)面必須互相垂直，同時(shí)在立方體相應(yīng)的位置加工出埋線槽，所有走線都埋在埋線槽內(nèi)，以防止探頭引線因碰撞損壞而斷開，提高傳感器的可靠性，同時(shí)在立方體上加工線路方孔，可將電路板放入方孔內(nèi)用環(huán)氧粘牢并與探頭架形成整體。為了方便安裝，立方體上也需加工相應(yīng)的安裝孔。把做好的正交三軸磁通門探頭安裝在特制的支架上（圖3）。傳感器標(biāo)定調(diào)試時(shí)，以此支架為基準(zhǔn)。同時(shí)安裝傳感器時(shí)同樣也以此支架為基準(zhǔn)，這樣就可保證探管準(zhǔn)確無(wú)誤，不用重新標(biāo)定調(diào)試了。

通過(guò)精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工來(lái)保證磁通門探頭的三軸正交度的同時(shí)，還可使用軟件來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。

探頭外管和接頭全部采用無(wú)磁銅合金，在加工外管和接頭前都需要進(jìn)行無(wú)磁測(cè)量，以防止磁對(duì)傳感器的干擾。探頭能承受20MnPa水壓，能滿足各種測(cè)井的需求。

圖2 磁通門立方體

圖3 傳感器支架外型圖

本儀器由井中探頭、地面采集儀、絞車（根據(jù)具體不同測(cè)井要求，有300、1000、2000m測(cè)井絞車）等組成，通過(guò)絞車控制器調(diào)節(jié)測(cè)井的速度與深度。