一种适用于井下的总场磁测装置及温度漂移抑制方法
阅读说明：本技术 一种适用于井下的总场磁测装置及温度漂移抑制方法 (Total field magnetic measurement device suitable for underground and temperature drift suppression method ) 是由 王言章 张�杰 王超 周志坚 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种适用于井下的总场磁测装置及温度漂移抑制方法,在玻璃片组件后设有全向结构固定双气室及附件装置,激光器通过光纤与光纤耦合头相连,入射依次经过偏振片、玻璃片组件、全向结构固定双气室及附件装置,全向结构固定双气室及附件装置通过光电信号处理A和光电信号处理B后与MCU控制器相连。本发明可以提高仪器的使用寿命、增加磁测参数、避免磁测盲区以及能抑制磁测数据温度漂移。(The invention provides a total field magnetic measurement device suitable for underground and a temperature drift suppression method. The invention can prolong the service life of the instrument, increase magnetic measurement parameters, avoid magnetic measurement blind areas and inhibit the temperature drift of magnetic measurement data.)
技术领域
本发明涉及井下激光氦光泵磁测装置，尤其涉及一种适用于井下的总场磁测装置及温度漂移抑制方法。
背景技术
在地震前会出现异常现象，地磁场的异常与地震的发生有较好的相关性和规律性，可以利用地磁场的异常变化现象来预报地震，因此地磁场的长期监测对于地震的监测与预测有重要意义，但地面环境较为复杂且存在较大的磁干扰，磁力仪对监测的磁异常无法判断是地震引起的磁异常还是磁干扰，因此井下磁场的长期监测意义重大。井中磁力仪要求灵敏度高，能够响应弱磁异常和基线漂移低，能够在井中高温环境下长期稳定工作。
激光氦光泵磁力仪是一种灵敏度极高、能够探测磁异常的总场磁测设备，拥有很大应用潜力和广泛应用前景的技术,越来越多地应用在地质勘探、地球物理勘探、矿藏勘探、军事磁探测、卫星磁测等领域中，尤其是在地质、军事及空间探测领域，其中在卫星磁测领域中，卫星磁测数据作为高分辨率地磁图绘制得主要数据源之一，存在特殊温度环境中检测高精度及长寿命设备的要求。同样，在井下环境中，复杂的环境为氦光泵磁力仪的使用带来了困难。首先，井下环境温度较高，1000米的井深温度能够高达70℃，长期磁测时磁测设备中的敏感单元氦吸收室存在寿命短的问题,在卫星磁测也会遇到类似的问题；其次，根据《氦光泵磁力仪信号的分析及检测》可知光泵磁力仪主要通过检测基波信号的电压零点来锁定磁共振点，但长期处在高温环境中，电路中的电子器件以及磁测系统都会受到高温的影响，磁测数据存在温漂的问题；最后根据F.D.Colegrove理论可知，当传感器光轴方向和磁场方向夹角为90°时，Mz型氦光泵磁力存在死区将无法正常测量磁场，而井下由于结构的特殊性，无法通过调整探头角度避免死区，当传感器光轴方向和磁场方向平行时，Mz型磁力仪输出信号最大。
针对第三个问题，现有的氦光泵磁测装置采用3个正交氦灯作为泵浦光的方法消除了死区，但仪器功耗增加；采用3个正交氦吸收室作为泵浦光敏感单元的方法消除了死区，仪器尺寸增加且光路复杂；在两个垂直平面内采用四个单元可以消除死区，但存在实现复杂，性能单一和灵敏度非最优的问题。
针对第一个和第二个问题，暂时由于还未有将光泵磁力仪放入井下长期观测的先例，因此并未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于井下的总场磁测装置。本发明的另一目的是提供一种适用于井下的总场磁测装置的温度漂移抑制方法。
本发明提供的技术方案是：一种适用于井下的总场磁测装置，激光器、光纤、光纤耦合头、偏振片、玻璃片组件、光电信号处理A、光电信号处理B、MCU控制器和航空插头，其中，在所述玻璃片组件后设有全向结构固定双气室及附件装置，激光器通过光纤与光纤耦合头相连，入射光信号依次经过偏振片、玻璃片组件、全向结构固定双气室及附件装置、光电信号处理A、光电信号处理B，全向结构固定双气室及附件装置通过光电信号处理A、光电信号处理B与MCU控制器相连。
优选，所述光电信号处理A中依次连接有透镜、平衡探测器、信号调节电路A、信号选择模块、减法电路A、数据采集器A，所述光电信号处理B中依次连接有9透镜、平衡探测器、信号调节电路B、减法电路B和数据采集器B，其中，光电信号处理A和光电信号处理B共用透镜、平衡探测器。
进一步优选，所述全向结构固定双气室及附件装置包括：反射镜及分束镜组、氦吸收室A、射频线圈A、反射镜组A、氦吸收室B、射频线圈B和反射镜组B。
进一步优选，所述控制器控制电子开关使减法电路A和减法电路B的同相端均接地时，且一路工作，一路不工作，即两路交替工作。
进一步优选，所述的全向结构固定双气室及附件在原点处有反射镜及分束镜组将入射光分成两束相等光强的圆偏振光，一束圆偏振光的光轴在YZ平面内，另一束圆偏振光的光轴在XZ平面内，MCU控制器分别控制旋转装置A使反射镜及分束镜组、氦吸收室A、射频线圈A、反射镜组A和旋转装置B使氦吸收室B、射频线圈B和反射镜组B绕原点分别旋转，直至出现最大基波信号，此时氦光泵磁测装置灵敏度最优。
一种适用于井下的总场磁测装置的温度漂移抑制方法，包括以下步骤：
1)先在给定磁场方向下，通过控制旋转装置A和旋转装置B使磁测装置灵敏度最优；
2)在不同温度条件下对A、B两路进行调试，调整电路参数和微调光学镜片角度，使数据采集器A和数据采集器B的输出信号大小及相位完全一致；
3)将磁场方向改变，保证两路磁场大小一致，通过MCU控制器控制旋转装置A和旋转装置B使磁测灵敏度提高，调整旋转控制参数，使数据采集器A和数据采集器B在最优灵敏度时的输出信号大小及相位完全一致；
4)将参考气室的射频场频率固定在共振区外一点C处，另一路射频磁场扫频，得到数据采集器A的采集结果SA作为与温度有关的基线值和数据采集器B的采集结果SB作为与温度有关的基波信号；
5)将数据采集器A和数据采集器B的采集结果相减：S＝SB-SA即可消除温度漂移对磁测结果的影响。
优选，所述步骤2)中调整电路参数包括电路的偏置、放大倍数和电路相位。
通过在YZ和XZ平面内放置参数相同的两个磁测单元，且其光路和组件在YZ和XZ平面内可通过旋转装置旋转，结构简单，易于实现，且能够避免装置出现死区同时保证灵敏度最优。通过MCU控制器控制两路减法电路的同相输入信号，可以切换设备工作模式。在无磁异常时，两个气室交替独立工作，能够提高设备使用寿命和降低磁测装置的功耗。在交替工作时，可以通过选择参考气室信号作为差分减法电路的同相端，能够抑制磁测数据的温度漂移，避免磁测数据的错误解释。当有来自地震带来的磁异常时，可以工作在磁梯度测量模式，使磁测信息更加丰富，有助于对磁测数据的分析和解释。
与现有激光氦光泵磁测装置相比，提高了仪器的使用寿命，增加测量了参数，避免了传感器盲区问题，还能有效抑制磁测数据漂移的问题，使其能够适用于井下特殊环境。
附图说明
图1为本发明提供的结构图；
图2为本发明提供的全向结构固定双气室及附件结构图；
图3为高温环境前后，磁测数据温漂变化对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种适用于井下的总场磁测装置及温度漂移抑制方法，包括：激光器1、光纤2、光纤耦合头3、偏振片4、玻璃片组件5、光电信号处理A27、光电信号处理B28、MCU控制器13和航空插头14，其中，在所述玻璃片组件5后设有全向结构固定双气室及附件装置6，激光器1通过光纤2与光纤耦合头3相连，入射光信号依次经过偏振片4、玻璃片组件5、全向结构固定双气室及附件装置6、光电信号处理A27、光电信号处理B28，全向结构固定双气室及附件装置6通过光电信号处理A27、光电信号处理B28与MCU控制器13相连。
所述光电信号处理A27中依次连接有透镜7、平衡探测器8、信号调节电路A9、信号选择模块10、减法电路A11、数据采集器A12，所述光电信号处理B28中依次连接有透镜7、平衡探测器8、信号调节电路B15、减法电路B16和数据采集器B17，其中，光电信号处理A27和光电信号处理B28共用透镜7、平衡探测器8。
本发明的磁测装置是由稳频后的激光器1经光纤2进入到光纤耦合头3，入射到透镜4和圆偏振片5后变成圆偏振片，全向结构固定双气室及附件6透射光信号经透镜后汇聚到平衡光电探测器8上转换成电信号，经包括放大、带通滤波、相敏检波以及低通滤波的信号调理电路9和15分别得到2个对应气室的基波信号SA和SB。然后SA经过由信号选择模块10和减法电路A11组成的参考气室差分部分被数据采集A12传输到MCU控制器13里进行反馈以及磁场的计算，同样，SB经过由信号选择模块10和减法电路B16组成的参考气室差分部分被数据采集B17传输到MCU控制器13里进行反馈到全向结构固定双气室及附件6直至锁定后进行磁场的计算。
如图2所示，所述全向结构固定双气室及附件装置6包括：反射镜及分束镜组18、氦吸收室A19、射频线圈A20、反射镜组A21、氦吸收室B22、射频线圈B23和反射镜组B24。所述的全向结构固定双气室及附件6在原点处有反射镜及分束镜组18将入射光分成两束相等光强的圆偏振光，一束圆偏振光的光轴位于YZ平面，在YZ平面内圆偏振光透过氦吸收室A19，经反射镜组A21出射到透镜7上，射频线圈A20连接到氦吸收室A19上，提供一个射频磁场引起磁共振。另一束圆偏振光的光轴位于XZ平面内，在XZ平面内圆偏振光透过氦吸收室B22，经反射镜组B24出射到透镜7上，射频线圈B23连接到氦吸收室B22上，提供一个射频磁场引起磁共振。
参考气室差分信号选择模块10是由MCU控制器13通过电子开关控制的，当控制器13控制电子开关使减法电路A11和减法电路B16的同相端均接地时，且一路工作，一路不工作，即两路交替工作时，能提高设备使用寿命。
一种适用于井下的总场磁测装置的温度漂移抑制方法，包括以下步骤：
1)先在给定磁场方向下，通过控制旋转装置A和旋转装置B使磁测装置灵敏度最优；
2)在不同温度条件下对A、B两路进行调试，调整电路的偏置、放大倍数、电路相位和微调光学镜片角度，使数据采集器A和数据采集器B的输出信号大小及相位完全一致；
3)将磁场方向改变，保证两路磁场大小一致，通过MCU控制器控制旋转装置A和旋转装置B使磁测灵敏度提高，调整旋转控制参数，使数据采集器A和数据采集器B在最优灵敏度时的输出信号大小及相位完全一致；
4)将参考气室的射频场频率固定在共振区外一点C处，另一路射频磁场扫频，得到数据采集器A的采集结果SA作为与温度有关的基线值和数据采集器B的采集结果SB作为与温度有关的基波信号；
5)将数据采集器A和数据采集器B的采集结果相减：S＝SB-SA即可消除温度漂移对磁测结果的影响。
当有磁异常时，MCU控制器13控制电子开关使减法电路A11和减法电路B16的同相端均接地时，A和B两路独立工作，构成梯度测量模式。
当控制器13控制电子开关使减法电路A11的同相端接SB、减法电路B16的同相端接地时，B路工作在正常模式，输出信号受温度及长期使用带来的影响；A路由于将参考气室B的输出端接入减法电路A11的同相端，因此磁测数据没有偏移；同理，A路也可以作为参考气室。
在无磁异常时，两个气室交替工作，能够提高设备使用寿命和降低磁测装置的功耗。如图3所示，由于磁场温漂ΔBtd大小随温度变化而改变，在独立工作时，可以将参考气室的射频场频率固定在共振区外一点C处，因此输出信号不出现基波信号，此时只包含与温度有关大小固定的温度漂移信号，将此输出信号SA作为基线值，通过选择参考气室输出信号作为差分减法电路的同相端。而另一个气室射频场正常扫频直至出现基波信号SB，在共振区内，实测的包含温度漂移的基波信号减去参考气室输出的基线值：S＝SB-SA，能够抑制磁测数据的温度漂移，避免磁测数据的错误解释。当有来自地震带来的磁异常时，可以工作在磁梯度测量模式，使磁测信息更加丰富，有助于对磁测数据的分析和解释。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。