超声电视成像测井仪的磁通门传感器设计

　　0　引言

　　在超声电视成像测井仪器中,磁通门传感器用于确定图像的方位。依据仪器的结构特点,设计了圆环形磁通门传感器探头。依据该仪器的磁定位只需反映地磁强度的周期变化的特殊需求,简化了检测电路,提高了高温环境下的稳定性和可靠性。针对不同线圈参数,给出电路的调试与刻度方法。实验结果表明:该传感器在高温环境下稳定工作,输出信号频率稳定,具有很高的实际应用价值。

   　超声电视成像测井仪器使用圆片压电陶瓷超声换能器对井壁进行360°扫描,利用井壁回波的幅度和时间对井壁表面进行成像。应用于裸眼井井壁成像时,可以了解井壁裂缝、孔洞和塌陷发育状况[1]。为了了解井壁成像的方位信息,要求以北→东→南→西→北的顺序显示1行图像,因此需检测地磁的北极点作为1行图像的起始点。磁通门传感器具有微型化、点磁测量、简单可靠等特点,已成为微弱磁场测量中应用最广泛的测量方法[2]。依据超声电视成像测井仪器的结构特点,设计了圆环形磁通门传感器探头和磁通门检测电路,在高温环境下具有稳定的性能。

　　1　磁通门原理

　　磁通门现象是变压器的伴生现象,服从法拉第电磁感应定律。在一根磁芯上缠绕激磁线圈和感应线圈,根据法拉第电池感应定律,在激磁磁场强度H为[3]

　　在S和W不变,磁芯远离饱和工作状态时,磁导率近似为常数,式(2)为理想的变压器效应数学模型。考虑到磁芯的非线性,磁芯磁导率随激磁磁场变化,实际的变压器效应数学模型为

　　式(6)表明:只要磁芯的磁导率随激磁磁场强度而变,感应电势中就会出现随环境磁场强度而变的偶次谐波,而偶次谐波的幅值则反映了环境磁场的强度。由于二次谐波的幅值最大,故通常选取二次谐波的电压幅度来量度环境磁场。

　　2　磁通门探头设计及线圈绕制方法

　　与变压器效应相比较,感应线圈输出的磁通门信号相当微弱,为去除干扰,实现精确测量,可设计成差分输出探头来消除磁通门探头变压器效应的感应电势。其方法是将2个单磁芯探头的平行激磁线圈反向串联,感应线圈同向串联,使得2个磁芯的变压器效应感应电势相互抵消,而与环境磁场有关的偶次谐波分量相叠加,从而提高探头的灵敏度。在此基础上,可进一步设计跑道形的磁通门探头,激磁线圈和感应线圈均绕制在直线跑道上,该结构具有最好的磁场检测效果[3]。在超声电视测井仪器中,由于仪器的形状以及内部结构的限制,探头结构难以加工出直线跑道,只能设计成圆环形,其形状和线圈绕制方法如图1所示,激磁线圈由2组参数相同的线圈反向串联,而感应线圈由2组线圈同向串联。虽然圆环形探头的方向性稍差,但该仪器可通过刻度的方法来弥补误差,因此圆环形结构能满足应用要求。