用于响应于第一磁场中的改变来补偿磁传感器的输出的磁补偿电路及方法技术

本发明专利技术揭示一种用于在存在大磁场时补偿磁场传感器以准许检测小磁场的解决方案。磁场传感器检测产生模拟信号的磁场，所述模拟信号接着由模/数转换器ADC编码成数字流。对所述数字流进行操作的控制器并入有额外传感器数据以形成补偿信号，所述补偿信号被发送到数/模转换器DAC。此补偿信号接着在进入所述ADC之前修改所述磁场传感器的输出。补偿是软件控制的，且因此可适于需要补偿的众多条件。除可容易调谐以外，所述补偿可动态地响应于改变的条件。本发明专利技术具有于其中在存在大的发射场时测量从地球散射的小场的航空电磁勘测的特定应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般来说涉及磁场的测量，且特定来说涉及用于在存在已知较强场时准确检测弱散射磁场的存在的方法及设备。特定来说，本专利技术的实施例涉及用于经改进地球物理电磁勘测的方法。
技术介绍
传感器上的已知但非所要磁场的效应的移除通常称作补偿，且有时被称为抵消。补偿可被视为具有两种相异形式。在第一形式(有时称为主动抵消)中，通过形成与第一磁场相反的第二磁场而在一空间体积内消除第一磁场。在第二种形式的补偿(有时称为被动抵消)中，通过将与传感器的输出相反的电压添加到所述传感器的所述输出而消除由传感器检测的磁场的效应。可存在想要从磁传感器移除大的磁场信号的数个理由。特定来说，通过移除大部分信号，借此降低由传感器测量的信号，可扩大传感器的有效动态范围，因此允许比原本可能的场的放大率及分辨率大的场的放大率及分辨率。额外原因可包含经改进线性及经减小转换速率相关的噪声。此外，如果补偿致使传感器附近的磁场减小，那么可存在由附近金属组件中的涡流感应及感应磁化导致的噪声的对应减小。出于本专利技术的目的，磁(H)传感器可为磁力计(如由SQUID、反馈线圈、磁通门、原子蒸气传感器或直接对磁场敏感的类似装置所例示)，或线圈、回路或类似电路元件(其借助法拉第(Faraday)定律对磁通量密度中的时间变化敏感)，或具有类似功能性的任何仪器。补偿方法已找到进入若干多样应用的方式，其中之一者为抑制所发射电磁能量。举例来说，在罗伯森(Robertson)的文档GB2438057A中，通过磁传感器进行的电磁辐射广播受到抑制。在另一实例中，帕申(Paschen)等人在US5,920,130A中揭示抑制发射线路噪声的方式。在第三实例中，福尔摩斯(Holmes)及斯卡泽罗(Scarzello)在US6,798,632B1中使用一组三个正交亥姆霍兹(Helmholtz)线圈来封围电装置，也来抑制所发射电力频率辐射。补偿方法也可用于控制一体积(如常见于含有磁共振成像或电子束装置的室)内的磁场噪声。在此些情形中，穿过亥姆霍兹线圈发送的电流围绕待屏蔽的体积。一般来说，补偿是通过将磁传感器放置于经屏蔽体积内而实现，接着使用来自所述经屏蔽体积的信号在线圈中产生电流且因此取消传感器处的场。此方法用于唐南(Dunnam)的文档US5465012A中，所述文档使用三组正交亥姆霍兹线圈来补偿线圈内部的均匀磁场，如同克罗普(Kropp)等人(其考虑到补偿梯度场的情形)在文档US2011/0144953中所使用。在美国文档2005/0195551中，布什贝克(Buschbeck)等人观察到在涉及粒子束的一些应用中，难以将传感器放置于其中场将被取消的体积中，且因此使用放置于两个点处的两个传感器来内插待消除的场值。吉尔宾(Gelbien)在美国文档5,952,734中揭示一种用于通过采用由伺服回路激励且受通量锁定电路及磁传感器控制的线圈来维持区域中的恒定磁通量的设备。布坎南(Buchannan)在美国文档2004/0006267中提出一种采用线圈及磁屏蔽室两者的补偿方法。沃劳尔(Wallauer)在EP2259081A1中提出一种运用磁阻传感器感测亥姆霍兹线圈内的场的磁场补偿方法。沃劳尔的专利技术将传入的磁场信号分割成互补的高频率分量及低频率分量，其中低频率分量通过模/数转换器(ADC)、数字滤波器，接着通过数/模转换器(DAC)，然后与高频率分量重新组合且传递到亥姆霍兹线圈。法利亚德(Farjadad)在美国文档2011/0292977中揭示用于测井应用的基于以太网的补偿电路，其中共模信号经输入到控制器以产生供应用于差分信号的补偿信号。本专利技术的目的为预先补偿差分信号以减小通信信道中的效应或噪声干扰或不平衡。在其中地球的导电性结构依据电磁(EM)场测量而推断的地球物理测量的领域中，补偿方法为常见的。此类补偿的普遍实例存在于主动源电磁勘探系统中。在主动EM系统中，发射器用周期性(稳定重复)时变电流激励回路或线圈。此电流形成通常被称为“初级”场的电磁场，其激励地球内的电流。这些地球电流形成由附接到EM系统的接收器检测的“散射”电磁场。在许多EM系统中，发射器及接收器按几何级数配置，使得初级场为大于散射场的数量级。在此类情形中，采用补偿方法来尽可能从传感器移除初级场，从而允许检测较小散射场为有利的。在许多主动源系统中，通过实现初级场与由抵消线圈形成的第二场之间的平衡来实施补偿。这样做，可在传感器处大致取消来自所述两个场的净场。与初级场的抵消的准确平衡是在线圈几何结构为固定时最佳实现的，这是因为此也使发射器与抵消线圈之间的互感及其到体积(其中场将被取消)的耦合固定。在线圈的几何结构固定的情况下，单个点处的准确补偿可通过将抵消线圈放置于具有发射器线圈的串联电路中且调整相应线圈的力矩使得磁场完全相对而实现。此方法在其中场并不由其它散射源显著干扰及其中线圈几何结构为刚性的情形中起到最好作用。所述方法在发射器及抵消线圈串联且因此具有相同电流波形(至少以远低于线圈电容显著影响负载阻抗的频率的频率)时尤其有效。达维迪奇(Davydychev)等人提供补偿的实例，其在美国文档2010/0026280中揭示一种用于调整发射器及接收器线圈的互感的具有抵消线圈及修整线圈两者的设备。包含修整线圈以准许抵消线圈的场为可调整的，因此改进可实现的空值的质量。另一实例参见于地面地球物理测量领域中，其中博斯纳(Bosnar)在美国文档2009/0295391A1揭示一种用于同时测量静磁场及地面的时变电磁(EM)响应两者的仪器。博斯纳使用刚性几何结构，其中在用于检测地球静磁场的磁力计处，使用亥姆霍兹型补偿线圈来取消时变初级电磁场。出于上文所述原因，通常在其中采用受控制源发射器回路的航空电磁(AEM)测量中需要补偿。在库兹明(Kuzmin)及莫里森(Morrison)的美国文档2010/0052685中提供采用补偿的AEM系统的实例，所述实例揭示商业化为VTEMAEM系统的灵活AEM设备。在VTEM系统中，同心发射器及抵消线圈以接收器为中心。抵消也用于其中采用刚性几何结构的AerotemAEM系统中，其中后一AEM系统中的补偿由于使用刚性线圈几何结构而往往比在前一系统中更有效。因此以额外重量(暗示较大的勘测费用)及大的框架(如果损坏那么运送及修复较昂贵)为代价获得AeroTem对VTEM的更稳定的抵消系统。用灵活几何结构准确补偿系统的方法将为优点。刚刚讨论的初级场抵消准许以比在缺失补偿的情况下原本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加性磁补偿电路，其包括：至少一个传感器封装，其输出第一数字信号；及控制器，其接收所述第一数字信号、计算数字补偿信号且接着将所述数字补偿信号发送到所述传感器封装，其中在所述传感器封装处包括：磁传感器，其通过感测磁场的分量形成第一模拟信号；加法器，其接收所述第一模拟信号并输出第二模拟信号；ADC，其将所述第二模拟信号转换成所述第一数字信号，及DAC，其将所述数字补偿信号转换成第三模拟信号以用于输入到所述加法器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.21 US 61/804,0971.一种加性磁补偿电路，其包括：至少一个传感器封装，其输出第一数字信号；
及控制器，其接收所述第一数字信号、计算数字补偿信号且接着
将所述数字补偿信号发送到所述传感器封装，其中在所述传感器封装处包括：
磁传感器，其通过感测磁场的分量形成第一模拟信号；
加法器，其接收所述第一模拟信号并输出第二模拟信号；
ADC，其将所述第二模拟信号转换成所述第一数字信号，及
DAC，其将所述数字补偿信号转换成第三模拟信号以用于输入到所述加法器。
2.一种反馈磁补偿电路，其包括：至少一个传感器封装，其输出第一数字信号；
及控制器，其接收所述第一数字信号、计算数字补偿信号且接着将所述数字补偿信号发
送到所述传感器封装，其中所述传感器封装包括：
磁传感器，其感测第一磁场与由反馈线圈形成的补偿磁场的和以形成第一模拟信
号；
反馈线圈，补偿电流流动穿过所述反馈线圈以在由所述磁传感器占据的体积内形成
所述补偿磁场，
ADC，其将所述第一模拟信号转换成所述第一数字信号；
DAC，其将所述数字补偿信号转换成第二模拟信号；及
电压/电流转换器，其接收所述第二模拟信号电压且用所述补偿电流激励所述反馈线
圈以形成所述补偿磁场。
3.一种磁补偿器，其包括待选自根据权利要求1所述的加性磁补偿电路的磁补偿
电路及根据权利要求2所述的反馈磁补偿电路，所述磁补偿器还包括形成所述磁场的数
字预测模型的计算机。
4.根据权利要求3所述的磁补偿器，其中所述补偿电路中的控制器导入所述第一
数字信号、所述磁场的所述数字预测模型，且将所述数字补偿信号输出到所述补偿电路。
5.根据权利要求3所述的磁补偿器，其进一步包括保持所述第一数字信号、所述
数字补偿信号及辅助传感器输入数据的存储媒体。
6.根据权利要求3所述的磁补偿器，其中所述磁场的所述数字预测模型是实时计
算的。
7.根据权利要求3所述的磁补偿器，其中所述磁场的所述数字预测模型是依据到
所述计算机的输入计算的，所述输入选自以下各项的群组：由所述磁补偿电路输出的第
一数字信号、由所述补偿电路中的所述控制器输出的数字补偿信号、AHRS装置输出、
全球定位装置输出、加速度计输出、倾斜仪输出、角速率换能器输出、电流监测器输出、
静场磁力计输出，计时器输出及其组合。
8.一种主动电磁勘探系统补偿器，其包括选自以下各项的群组的磁补偿器：根据
权利要求3到7所述的磁补偿器及其组合，其中电磁勘探系统中的发射器的电流波形由
电流/电压转换器测量以产生输出模拟信号，所述模拟信号由ADC数字化以用于输入到
所述磁补偿器的所述控制器。
9.根据权利要求8所述的主动电磁系统补偿器，其中所述磁补偿器补偿所述发射
器的初级磁场。
10.根据权利要求8所述的主动电磁系统补偿器，其中所述磁补偿器中的所述控制
器将波形信息发送到所述发射器。
11.一种经补偿EM接收器，其包括选自以下各项的群...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈登·福克斯·韦斯特，彼得·怀特·沃克，本杰明·戴维·波尔策，
申请(专利权)人：淡水河谷公司，
类型：发明
国别省市：巴西;BR