Датчики для измерений параметров электромагнитного поля (ЭМП)
Неотъемлемой частью любой измерительной аппаратуры являются
датчики поля. Ниже рассматриваются основные типы датчиков
электромагнитного поля, применяемых в электроразведке.
Датчиком или первичным измерительным преобразователем
называется устройство, преобразующее значение измеряемой компоненты
ЭМП в выходной сигнал, удобный для передачи и регистрации, и
функционально связанный с информативным параметром входного сигнала.
В качестве выходного чаще всего используется напряжение, значительно
реже частота, длительность импульса, ток и т.д.
В качестве датчиков для регистрации вариаций магнитного поля на
высоких частотах применяются индукционные датчики (ИД), для
регистрации вариаций магнитного поля на низких частотах - кварцевые
магнитометры (ММ). Заземленные электрические диполи (МN) или
емкостные датчики используются для регистрации вариаций электрического
поля. При работе на очень больших частотах (от нескольких десятков МГц и
выше) необходимо применять антенны.
Индукционный датчик представляет собой многовитковую
катушку с ферритовым сердечником. Переменное магнитное поле
индуцирует в катушке ЭДС. На рис.4 показан индукционный датчик
вариаций магнитного поля. Следует обратить внимание, что ЭДС на выходе
датчика пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Поэтому
при подаче в градуировочную петлю прямоугольного сигнала, ЭДС на
выходе датчика имеет вид, показанный на рис.4 справа. Таким образом,
индукционный датчик сам является фильтром ФВЧ и работает только на
относительно высоких частотах.
Чувствительной частью магнитометра является магнит с зеркалом,
вращающийся на кварцевой нити. Световой поток отражается от зеркала и
попадает на призму под углом, зависящим от интенсивности магнитного
поля. После преломления в призме световой поток попадает на фотодиоды.
Таким образом, разность потенциалов на фотодиодах зависит от
интенсивности магнитного поля (рис. 5). Такая конструкция магнитометров
является инерционной, поэтому они работают на относительно низких
частотах.
Общие характеристики измерительных устройств.
Прежде чем переходить к рассмотрению характеристик конкретной
аппаратуры, рассмотрим некоторые общие характеристики измерительных
устройств.
Основные характеристики измерителей следующие:
• форма регистрируемого сигнала;
• применяемый тип датчиков поля (регистрируемые компоненты
электромагнитного поля);
• количество каналов;
• входное сопротивление усилителей;
• чувствительность по каналам;
• динамический диапазон;
• регистрируемый диапазон частот (или временные параметры);
• наличие встроенных аналоговых фильтров;
• для цифровой аппаратуры - период опроса (частота дискретизации);
• наличие встроенных носителей информации и их емкость;
• возможность автоматизированной обработки данных;
• источник питания.
Чувствительность аппаратуры - это минимальное значение измеряемой
величины, которое можно выделить на фоне собственных шумов
аппаратуры. На практике, говоря о чувствительности прибора, зачастую
подразумевают его цену деления. В цифровой аппаратуре
чувствительностью удобно называть значение единицы АЦП в физических
единицах.
Динамический диапазон - соотношение максимального к
минимальному измеряемому сигналу. Измеряется в ДБ= 20lg Max/Min.
Более удобно измерять этот параметр в значениях максимальной и
минимальной амплитуды регистрируемого поля. В цифровой аппаратуре
этот параметр может измеряться в единицах АЦП (разрядность АЦП).
Параметр важен для того, чтобы предотвратить зашкаливание аппаратуры
(выход за пределы динамического диапазона).
Для расширения динамического диапазона применяются следующие
методы:
компенсация постоянной составляющей (балансировка) - при измерении
переменных величин, на вход измерителя подаются сигнал равный по
амплитуде постоянной составляющей, но противоположный по
полярности;
уменьшение коэффициента усиления аппаратуры (аттенюатор) - во
входную цепь измерителя подключаются сопротивления делящие
входной сигнал, при этом, динамический диапазон смещается вверх в
области максимальных значений, но при этом уменьшается
чувствительность;
измерение сигнала с применением стробирования - когда
чувствительность автоматически изменяется в разные промежутки
времени, соответственно изменяется и динамический диапазон;
введение в измерительный процесс ступеней компенсации (достигнутая
величина запоминается и компенсируется).
Основные характеристики полевого измерительного комплекса на базе
станции ЦЭС-М.
Станция предназначена для регистрации компонент электромагнитного
поля Земли в цифровом виде по 8 каналам с последующей записью данных
на жесткий диск бортового компьютера.
Основные характеристики станции, определяющие возможности ее
использования для различных электроразведочных методов следующие:
Выносной усилитель:
• коэффициент усиления - 200,
• частотный диапазон - от 0 до 100 Гц,
• входное сопротивление - 100 КОм (сопротивление датчиков должно
быть существенно ниже входного сопротивления усилителя).
Модуль ЦЭС-М:
• число каналов - 8,
• возможные периоды опроса (1.25, 2.5, 20, 80, 160, 320 мс),
• число полос ФНЧ - 6 (1, 3, 5, 10, 20, 400 Гц),
• число полос ФВЧ - 2 (0.1, 0.01 Гц ),
• возможное усиление канала - 1,4,16,64.
• разрядность АЦП - 16 бит (65536 единиц станции).
Блок-схема аппаратурной части комплекса.
Блок-схема аппаратурной части комплекса (в дальнейшем - станция) приведена. Станция состоит из двух основных блоков: модуля ЦЭС-М
обеспечивающего всю аналоговую обработку и бортового компьютера
(любая совместимая с РС ПЭВМ стандартной конфигурации). Таким
образом, обеспечивается возможность непрерывной регистрации сигналов с
записью прямо на диск ПЭВМ с последующей обработкой информации в
полевых условиях и управление всеми режимами работы станции по
командам с ПЭВМ.
В качестве датчиков поля при применении станции для метода МТЗ
используются индукционные датчики (ИД) при регистрации вариаций
магнитного поля на высоких частотах, кварцевые магнитометры (ММ) при
регистрации вариаций магнитного поля на низких частотах, заземленные
электрические диполи (MN) для регистрации вариаций электрического поля.
Регламентные работы.
Перед началом любых полевых геофизических исследований
необходимо провести аппаратурные регламентные работы. Эти работы
включают в себя определение амплитудно-частотных характеристик
аппаратуры, определение цены деления аппаратуры в единицах измеряемого
поля, определение полярности каждого канала.
Дело в том, что элементная база любой электронной аппаратуры может
изменять свои характеристики со временем или в зависимости от влияния
внешних факторов. Одна из главных задач современной геофизики заключается в повышении точности измеряемых параметров. Поэтому необходим постоянный контроль за состоянием применяемой аппаратуры.
Все эти данные используются на этапе обработки информации и
определяют качество проводимых геофизических исследований. Полученные в результате регламентных работ данные должны периодически
контролироваться в течение полевого сезона.
Камеральные работы