电磁法及仪器探讨

1、电磁法及电磁法仪探讨目录频率域及时间域电磁法频率域及时间域电磁法1国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状3瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题4频率域电磁法进展频率域电磁法进展2频率域系统零漂问题频率域系统零漂问题5频率域及时间域电磁法频率域及时间域电磁法时间域电磁法(TEM) 利用不接地回线或接地电源，向地下发送一次脉冲磁场，在一次场的间歇期间，用线圈观测由地下地质体产生的感应电磁场（二次场或瞬变场）随时间的衰减特性。通过观测该瞬变场在空间上的分布规律和随时间的变化规律来解决地质问题的电法勘探法。 断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减，衰减过程分早、中、晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰

2、减快，晚期相当于频率域中的低频成分，衰减慢。通过测量断电以后各个时段的二次场随时间的变化率便可得到不同深度的地电特性。频率域及时间域电磁法频率域及时间域电磁法（a）发射线圈产生一次磁场 （b）发射电流关断的地质体涡流（c）涡流产生的磁场 （d）涡流向下移动产生的“烟圈”TEM基本原理频率域及时间域电磁法频率域及时间域电磁法H0dtT/2H0dtT/2H02dtT/2d0几种常见激励场源波形 令脉冲序列的T（周期），双极性半正弦脉冲简化为半正弦波。令脉冲序列的d（脉冲持续时间），双极性矩形脉冲、双极性梯形波便简化为阶跃波和斜阶跃波，求得三种波形的复频域表达式。几种激励波形的频谱a：阶跃波；b：斜

3、阶跃波(后沿d=10ms)；c：半正弦波(d=2ms)频率域及时间域电磁法频率域及时间域电磁法 根据研究地电响应手段的差别，对于测量断电断电以后瞬态响应(二次电流)随时间变化的方法称为“时间域电法”，而把在供电期间供电期间研究大地稳态响应随频率的变化的方法，称之为“频率域电法”。频率域电磁法(FEM) 在时间域中，任何一种脉冲波可分为许多正弦或余弦的谐波成分。每个谐波成分都将对导电体激励起频率域规律的电磁响应，在不同时刻采样，把各个谐波激励起的二次场叠加，得到瞬变电磁场。TEM的测量结果相当于FEM中使用多频率观察的效果。频率域电磁法进展频率域电磁法进展 一套全频段的频率域电磁法仪，其覆盖的频

4、率范围应为250KHz-4*10-4秒，动态范围应大于130dB。 上世纪频率域电磁仪进展 90年代80年代末60年代年代50年代末年代末80年代初年代初频率域的大地电磁仪由单道系统发展为多台或网络系统，如GMS-06 和V5 2000。 频率域电磁法进展频率域电磁法进展频率域、时间域、直流电磁法仪组合成多功能电磁法仪。凤凰公司的V8和Zonge公司的GDP-32 21世纪以来，频率域电世纪以来，频率域电磁法向两个方向发展磁法向两个方向发展沿着专业道路向更高层次发展 Metronix公司最新推出的GMS-07频率域综合电磁法仪 频率域电磁法进展频率域电磁法进展频率域电法技术进展变频法奇次谐波法

5、双频激电法an 序列伪随机信号电磁法变频法变频法变频法有一个与生俱来的缺点，就是它至少必须在每一测点改变频率供电、测量两次，才能获得反映地下情况的百分频率效应( P. F.E) ,而不能两个频率同时测量,更不能多个频率同时测量. 效率；外部条件和干扰；精度；激励电流电磁测深要求测量从高到低一系列不同频率的地电响应,形成较为完整的测深曲线.频率域电磁法进展频率域电磁法进展奇次谐波法奇次谐波法奇次谐波法的缺点，一是矩形电流的各谐波能量分配极不均匀，无法克服谐波次数越高信号越微弱的缺点。二是它的频率分布为算术均匀而非对数均匀,极不合理.频率域电磁法进展频率域电磁法进展双频激电法双频激电法双频法将两个

6、幅度相等、一高一低频率不同的电流按一定的相位关系合成为双频电流，供入地下。频率域电磁法进展频率域电磁法进展an 序列伪随机信号电磁法序列伪随机信号电磁法用-1 ，0 和1 三个码元分别表示电流I = - I0 ，0 ，I0 ，将n个不同频率的电流组合为含有n 个主要频率成分的合成电流。振幅；频率分布；全频域覆盖国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状典型的TEM发射机性能对照表国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状1、加拿大加拿大Geonics公司公司PROTEM瞬变电磁仪瞬变电磁仪 发射机型号最大探测深度(m) 输入电压(V)输出电压(V)输出电流(A)TEM471501209V3TEM57-MK

7、2500110/22012V(6)1860或18028TEM6710002000220V/50Hz1815028加强型TEM672000220V/50Hz24028国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状2、加拿大加拿大凤凰公司发射机凤凰公司发射机 TXU-30(20kW,多功能) T-3(便携式多功能发射机) T-4A(2.8KW,瞬变电磁专用发射机) 国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状2、加拿大加拿大凤凰公司发射机凤凰公司发射机 发射机型号最大功率(kW)输入电压输出电压(V)输出电流(A)频率范围TXU-3025200240V,5060Hz530kW三相发电机2510000.5400.00

8、3910000HzT-32.250、60Hz单相发电机或12V电瓶300，60011000.059内部：32Hz16s(时域) 16.384kHz8s(频域)外部：直流16.384kHzT-4A2.812V电瓶38A10000Hz0.00005Hz国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状3、美国、美国Zonge公司发射机公司发射机(GDP-32多功能电法仪多功能电法仪) GGT-30大功率（30KVA）发射机 ZMG-3(3kW)发电机组 ZMG-10(10kW)发电机组 GGT-10大功率（10KVA）发射机 GGT-3大功率（3KVA）发射机 ZMG-30(30kW)发电机组 国内外仪器发展现

9、状国内外仪器发展现状3、美国、美国Zonge公司发射机公司发射机(GDP-32多功能电法仪多功能电法仪) 发射机型号最大输出功率(kW)输出电压(V) 输出电流(A)工作频率关断时间GGT-3030100045DC8kHz125usGGT-1010100030DC8kHz125usGGT-33100010DC8kHz125us发电机组最大输出功率(kW)输出电压(V)输出频率(Hz)重量(kg)尺寸(cm)ZMG-303011540043291*142*79ZMG-101011540020469*94*74ZMG-331154005251*71*51国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状4、德国

10、、德国Metronix公司公司GSM-07（频率域综合电磁法仪）（频率域综合电磁法仪） 主机ADU-07外观图 TXM-01发射机技术指标如下：发射机技术指标如下： 最大电流40A 最大电压560V 频带0.01Hz-10KHz 额定功率22KW 电源：380V，3相，50Hz 频出信号：方波或其它波形 由发射控制箱TXC-01控制发射机 由GPS控制发射频率和相位 主机ADU-07的频带宽达250KHzDC，覆盖了从地表至上地幔勘探中的全频段电磁波范围。 国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状5、重庆奔腾、重庆奔腾WDFZ WDFZ-10 WDFZ-5发射机型号工作电压最大发射功率输出电压(V

11、)输出电流(A)供电周期(s)WDFZ-1012V/8.5AH可充电电池10kW1200104、8、16、32、64、128、256WDFZ-512V/8.5AH可充电电池5kW120054、8、16、32、64、128、256国内外仪器发展现状国内外仪器发展现状高压功率电源数字式PWM稳流单元保护单元功率逆变单元隔离电源组6、小功率智能多频发射系统、小功率智能多频发射系统 人工场电磁法勘探中,作为信号场源的发射系统,必须具有稳定的时基稳定的时基、精确的同步机精确的同步机制制和较大的功率输出较大的功率输出。频率-波形合成单元控制部分瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题输出响应的畸变直接取决于激发场的关

12、断时间和接收探头的频率特性。由于发射电流的关断时间不为零(通常几十s 到几百s) ,接收装置所测量的瞬变电磁信号,在相当长的一段时间内,受到严重影响而发生畸变,将产生错误的结果。关断时间越短,激发场能量越大,早期幅值越大,早期信号受到关断时间影响越小,二次感应响应的有效时间窗越宽。相反,关断时间越长,感应段时间越长,早期信号被舍弃越多,浅层探测能力越弱。瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题由于探头本身存在过渡过程, ,以致输出并不完全是探头上的感应电压, ,实际接收的全程瞬变电磁响应均发生了畸变, ,而是包括了探头上分布电容电位的变化, ,即由一次感应电压对分布电容放电过程和二次感应电压对分布电容进行

13、充放电过程两部分。在不同谐振频率的情况下最小勘探深度瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题均匀半空间模型关断时间对视电阻率的影响均匀半空间模型线性关断与阶跃关断视电阻率比瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题瞬变电磁探测系统关断沿影响因素瞬变电磁探测系统关断沿影响因素 一是仪器系统；二是发射机负载线圈；三是发射电流的幅度。1、电流幅度对关断时间的影响忽略线圈间分布电容，当电流关断后,发射线圈中的发射电流的响近似按指数规律衰减。当线圈中的电流幅值接近噪声水平In 时,可认为全部关断。2、线圈匝数对关断时间的影响设单匝线圈的等效电感及等效电阻分别为L1 、R1 ,当线圈匝数为n 时, 总的等效电感L 和等效电阻R 为

14、L = n2L1 、R = nR1。当发射电流幅度为I0 不变化,而发射线圈匝数为n1 和n2 时( n2 n1 ) ,分别设为t1 、t2 为发射匝数n1 和n2 时的关断时间,则有:当线圈匝数增加( n1 - n2 ) 匝时,关断时间增加( n1 - n2 )(ln I0 - ln In ) 。瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题对比实验分析对比实验分析瞬变场畸变问题瞬变场畸变问题发射线圈的发射电流的限制因素：1、仪器系统本身的限制2、线圈的额定电流3、发射电流过大，线圈间的互感及耦合电容不能忽略4、关断时间多匝发射线圈的电感、电阻、关断沿时间及磁矩分别如下：对于电池供电的系统，如果发射电流保持不变，发射线圈尺寸一定时，增加线圈匝数对关断时间及磁矩并不有利。频率域系统零漂问题频率域系统零漂问题频率域航空电磁数据的零