【摘要】：隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,水資源短缺問題日益突出。水資源的合理利用,地下水位變化的監(jiān)測、暗流對工程建設(shè)的影響,以及污染地水文地質(zhì)的勘察治理,已經(jīng)成為新時代的重要任務(wù)。通過探測淺地表水文地質(zhì)可以直觀得到地下水的狀況,特別是在城市建設(shè)、農(nóng)田灌溉等工農(nóng)業(yè)方面,都離不開對淺地表水文地質(zhì)參數(shù)的測量。核磁共振測井技術(shù)作為一種水文地質(zhì)探測技術(shù)能夠直接對地下水孔隙度進(jìn)行測量,與其他測井技術(shù)相比,具有速度快、分辨率高、反演解釋唯一等特性,還避免了由放射性元素探測所引發(fā)的地層污染、環(huán)境干擾以及給工作人員帶來的風(fēng)險。目前核磁共振測井儀主要應(yīng)用于油氣探測,但是其儀器本身體積大,不便移動,服務(wù)費用高,無法應(yīng)用在水位監(jiān)測、樓宇道路地基等淺層地質(zhì)的勘察。因此本文設(shè)計研發(fā)了一種小型化、易攜帶、且成本低的,主要應(yīng)用于淺地表水文地質(zhì)勘察的核磁共振測井儀的探頭和接收機的原理樣機。首先,根據(jù)測井需求,明確了核磁共振測井儀的探頭設(shè)計要求。探頭是整套核磁共振測井儀的核心,它的設(shè)計決定了測井的性能指標(biāo)和儀器的發(fā)射系統(tǒng)及接收系統(tǒng)的各參數(shù)。對探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要通過方案對比,并結(jié)合測井儀小型化、易組裝、成本低等特點實現(xiàn)。根據(jù)電磁場正問題的求解方法,利用有限元仿真軟件COMSOL對永磁體靜磁場進(jìn)行了數(shù)值模擬,通過反復(fù)調(diào)整永磁體形狀和間距等參數(shù),在保證儀器性能指標(biāo)的前提下,確定了探頭的結(jié)構(gòu),給出了當(dāng)磁體直徑6cm、高2cm、間距為20cm時,理論上的靜磁場穩(wěn)定區(qū)域是一個長軸2a約為1.1cm,短軸2b接近1cm的“橢圓形”圓環(huán)。為降低骨架對靜磁場及射頻磁場產(chǎn)生的影響,需選用磁導(dǎo)率接近空氣的骨架材料,結(jié)合儀器實驗時天線發(fā)熱的問題,最終選用耐高溫的“塑料王”—聚四氟乙烯作為探頭骨架的材料,并利用畫圖軟件AutoCAD繪制了模型,制作了探頭骨架實物,完成了探頭組裝。其次,接收機采用了低噪聲設(shè)計原則。對電源電路的設(shè)計采用了方案對比、理論分析和實際噪聲測試的步驟。通過對放大電路噪聲的理論分析,前置放大電路選用多級放大級聯(lián)結(jié)構(gòu),選用了低噪聲芯片作為前置放大器。針對信號信噪比低、頻率高的特點,設(shè)計了Sallen-Key結(jié)構(gòu)的八階帶通濾波放大電路,并利用Multisim進(jìn)行了電路仿真。設(shè)計了零漂移放大電路,原理上避免了信號失真。最后,進(jìn)行了屏蔽室內(nèi)的探頭測試、接收機測試、以及總體的系統(tǒng)測試。對探頭的測試主要包括探頭徑向磁場測試和探測區(qū)圓環(huán)處磁場測試,根據(jù)實測數(shù)據(jù)給出了儀器的探測深度為距離探頭中心6~7cm,工作頻率為255kHz的結(jié)論;對接收機進(jìn)行了本底噪聲測試,其等效輸入噪聲為7.99nV?Hz~(1/2),等效輸入噪聲密度為2.95μV;探頭與接收機的系統(tǒng)測試分別利用無噪聲和加入噪聲的核磁共振仿真信號,通過探頭天線感應(yīng)、信號接收處理,對接收到的圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行了觀測,結(jié)果表明,接收到磁共振信號具有理想仿真信號衰減的趨勢,波形平穩(wěn)且完整,系統(tǒng)對于噪聲有一定的濾除能力,實現(xiàn)了對淺地表核磁共振測井儀的探頭及接收機的設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P641.7
【圖文】：

CMR方案 MRIL方案 MREx方案（a）俯視圖（b）3D圖圖 2.4 幾種主流探頭永磁體結(jié)構(gòu)對比從圖 2.4 中可以看出，無論是貼壁式還是居中式方案，幾種主流探頭方案都是采用長條徑向充磁，其優(yōu)點在于，長磁體磁化范圍較大，可對地層中尚未探測到范圍內(nèi)的氫質(zhì)子進(jìn)行預(yù)極化處理，加快了測井的速度，同時，磁體越長，穩(wěn)定磁場區(qū)域越大，可激發(fā)共振區(qū)域也越大，能夠提供幅度更大的原始回波信號，提高探測信噪比。由于 MR Scanner 與MRIL 永磁體結(jié)構(gòu)類似，屬于圓柱形徑向充磁，此處不予討論。

件 Comsol-Multiphysics、Ansys 等進(jìn)行分析，其中 Comsol-Multiphysics 是多仿真方案的專用軟件，電磁場仿真建立在麥克斯韋方程基礎(chǔ)上，內(nèi)部嵌有豐模塊，支持第三方 CAD 建模工具的導(dǎo)入，擁有多種網(wǎng)格劃分類別，計算精度有與 MATLAB 完美對接的功能，方便對仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。所以本ol-Multiphysics 對探頭模型進(jìn)行分析[40]。對探頭進(jìn)行數(shù)值模擬步驟如下：模型建立永磁體進(jìn)行三維磁場模擬，物理場選擇“磁場，無電流（mfnc）”，對其進(jìn)析。繪制兩個圓柱體，并添加外部邊界模型。由于磁力線為光滑弧形，而方好地適應(yīng)磁力線的分布和回路的走向，造成在邊界附近的磁力線偏離其實際場的增大，所以選定球形為邊界模型，同時球形邊界的直徑大小應(yīng)為探頭5 倍，這一范圍內(nèi)，探頭靜磁場已經(jīng)衰減至與地磁場相當(dāng)?shù)乃絒10]，仿真模型如

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本文編號：2723358