DB43 T 2151-2021 等值反磁通瞬变电磁法探测系统通用技术条件.pdf

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1、43DB43/T 21512021 湖南省地方标准ICSCCS 17.020A 55发 布湖南省市场监督管理局2021-08发布-292021-10实施-29等值反磁通瞬变电磁法探测系统通用技术条件General specification for opposing-coils transient electromagnetic exploration system DB43/T 21512021 I 目 次 前言 引言 1 范围 1 2 规范性引用文件 1 3 术语和定义 1 4 符号和缩略语 3 5 技术要求 4 5.1 通用要求 4 5.2 功能要求 4 5.3 性能指标要求 4 6 检

2、验方法 5 6.1 通用要求的检验 5 6.2 功能要求的检验 6 6.3 性能指标的检验 7 附录 A（资料性）等值反磁通零磁通面调零系数计算方法 10 附录 B（资料性）零相位法测试感应式接收天线的谐振频率原理 12 DB43/T 21512021II DB43/T 21512021 III 前 言 本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件由湖南省市场监督管理局提出和归口。本文件起草单位：湖南省计量检测研究院、中南大学、湖南五维地质科技有限公司。本文件主要起草人：徐昱、席振铢、陈兴朋、亓庆新、周胜、龙霞、薛军平、韦洪兰、

3、王威、王亮、王鹤。DB43/T 21512021IV DB43/T 21512021 V 引 言 基于等值反磁通瞬变电磁法原理的探测系统具有抗电磁干扰、不接地以及无损测量的技术优势，在铁路、交通、市政、地调以及地矿等行业勘探单位得到了广泛应用，是浅层勘探电磁法发展趋势之一。目前产品尚无相应的国际标准、国家标准、地方和行业标准。特编制本文件，为等值反磁通瞬变电磁法探测系统产品的制造、检验和质量评价提供依据，为等值反磁通瞬变电磁法系统在国家重大项目的申请、执行、验收等环节提供技术支撑，促进湖南自主创新的方法技术尽快在国内和国际推广普及，提升我省在此新兴产业领域中的国际市场主导权和话语权。本文件的发

4、布机构提请注意，声明符合本文件时，可能涉及到 3.1.1 等值反磁通瞬变电磁法天线结构，5.2.1.接收线圈零磁通面调零方法相关专利的使用。本文件的发布机构对该专利的真实性、有效性和范围无任何立场。该专利持有人已向本文件的发布机构承诺，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下就专利授权许可进行谈判。该持有人的声明已在本文件的发布机构备案。相关信息可以通过以下联系方式获得：专利持有人姓名：湖南五维地质科技有限公司 地址：湖南省长沙市岳麓区岳麓大道麓谷坐标 A-604 请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的任何责任。DB43/T 21512021

5、VI DB43/T 21512021 1 等值反磁通瞬变电磁法探测系统通用技术条件 1 范围 本文件规定了等值反磁通瞬变电磁法探测系统的通用技术要求和试验方法等内容。本文件适用于等值反磁通瞬变电磁法探测系统的制造、检测和质量评价。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2423.1 电工电子产品基本环境试验规程 试验 A：低温试验方法 GB/T 2423.2 电工电子产品基本环境试验规程 试验 B：高温试验方法 GB/T

6、2423.3 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Ca：恒定湿热试验方法 GB/T 2423.51995 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Ea：冲击试验方法 GB/T 2423.61995 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Eb：碰撞试验方法 GB/T 2423.71995 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Ec：倾跌与翻倒试验方法 GB/T 2423.81995 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Ed：自由跌落试验方法 GB/T 2423.102008 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Fe：振动（正弦）试验方法 GB/T 2423.16 电工电子产品基本环境试验规程 试验 J：

7、长霉试验方法 GB/T 2423.17 电工电子产品基本环境试验规程 试验 Ka：盐雾试验方法 GB/T 2423.21 电工电子产品基本环境试验规程 试验 M：低气压试验方法 GB/T 2423.37 电工电子产品基本环境试验规程 试验 L：沙尘试验方法 DZ 0039.121992 地质仪器产品基本环境试验条件及方法 淋雨试验 DZ 0039.13 地质仪器产品基本环境试验条件及方法 沙尘试验 DZ 0040.2 地质仪器产品运输包装基本环境试验条件及方法 运输包装振动试验 DZ 0040.4 地质仪器产品运输包装基本环境试验条件及方法 运输包装自由跌落试验 3 术语和定义 下列术语和定义

8、适用于本文件。3.1 等值反磁通瞬变电磁法 opposing-coils transient electromagnetics（OCTEM）采用上下两个平行共轴的反向串联磁性源为发射源，接收天线位于上下磁性源共轴的水平面上，上下两个磁性源在接收水平面上产生的磁场具有等值反磁通特性，这种消除收发天线互感的聚焦瞬变电磁测深方法称为等值反磁通瞬变电磁法。DB43/T 215120212 图 1 等值反磁通装置示意图 3.2 零磁通面 zero magnetic flux plane等值反磁通瞬变电磁发射天线磁场轴向分量为零的平面（见图 2）。图 2 等值反磁通零磁通面示意图 3.3 发送波形 tra

9、nsmit waveform 发送机输出到发射天线的电流波形。3.4 双极性方波 bipolar square wave 一种由正向供电期、关断间歇期、反向供电期和关断间歇期组成的具有一定占空比的周期性循环方波。3.5 发送电流 transmit current发送机发送双极性方波的正向和负向电流。3.6 关断时间 turn-off time 发送电流关断后，电流减小至关断前电流幅值的 1的时间。DB43/T 21512021 3 3.7 关断波形 turn-off waveform在关断时间内，发送电流随时间变化的波形。3.8 二次磁场 pure secondary magnetic fie

10、ld发送电流产生一次磁场，发送电流关断引起一次磁场变化并激发大地产生感应涡流，涡流产生的磁场即为二次磁场。3.9 衰减曲线 attenuation curve在发送电流关断间歇期，接收天线接收的地质体二次场电磁信号随时间衰减变化的曲线。3.10 感应式接收天线谐振频率 Resonant frequency of the inductive receiving antenna当感应式接收天线的感抗和容抗相互抵消，振荡电路完全是阻性，接收天线的输出电压cU 相位为0 时对应的频率。3.11 接收机动态范围 dynamic range of the receiver接收机满量程时对应的输入幅值与短路

11、输入噪声的有效值之比，计算公式如下：20lgFSNUdBU（1）式中：FSU 接收机最大测量峰值；NU 接收机的短路输入噪声的有效值。4 符号和缩略语 下列符号和缩略语适用于本文件 C 电容 dB 动态范围 f 频率 fs 采样频率 G 增益 I 电流 L 电感 P 功率 PSD 功率谱密度 R 电阻 Rs 标准检流电阻 S 面积 T 温度 t 时间 U 电压 DB43/T 215120214 角频率 5 技术要求 5.1 通用要求 1）系统的电源至少要求满足野外 8 个小时正常工作；2）系统在野外-20+70 温度环境能够正常工作；3）系统具有防淋雨、沙尘、长霉和盐雾的能力；4）系统具有抗震

12、和防撞能力。5.2 功能要求 1）天线具有等值反磁通零磁通调零功能；2）系统具有自检功能；3）系统具有记录发送波形功能；4）系统具有实时监控工作状态功能；5）系统具有故障诊断功能。5.3 性能指标要求 5.3.1 天线 1）天线类型：磁性源发送、空芯感应线圈接收、收发一体；2）接收天线等效面积：75 m2；3）接收天线谐振频率：10 kHz。5.3.2 发送机 1）发送波形：双极性方波、正弦波或梯形波；2）占空比：至少含有 50的占空比；3）发送电压：12 V；4）发送电流准确度：0.2 A；5）发送电流重复性：0.1 A；6）发送基频：基频数10 个，低频0.1 Hz，高频200 Hz；7）

13、发送基频准确度：0.001 Hz；8）阻性关断时间：5s；9）阻性关断时间准确度：0.5s；10）关断类型：线性关断；11）ADC 采样率：2 MHz；12）ADC 分辨率：8 位。5.3.3 接收机 1）ADC 分辨率：24 位；2）ADC 采样率：500 kHz；3）动态范围：120 dB；4）输入短路噪声：20V（0.1 Hz-250 kHz）；DB43/T 21512021 5 5）时间窗口：可按需求对瞬变电磁接收衰减信号进行时间窗口抽道，时间窗口的设置分为两种情况，一种是针对基频自动计算时间窗口分布，另一种是针对常用基频的固定时间门设置，时间门的分布原则应以对数等距分布；6）可采用

14、GPS、石英钟、高频无线电磁波和有线连接实现收发同步，收发同步时间精度20 ns。6 检验方法 6.1 通用要求的检验 6.1.1 野外电源可工作时间测试 在室内按照野外工作模式连接天线、发送机和接收机，选择系统可发送的最低基频，连续采集 8小时，观察发送电压是否降低到系统设置的最低正常工作电压。6.1.2 高低温试验 高温试验按照 GB/T 2423.2 测试方法进行。将连接完毕的室外设备放入高温试验箱，在 502 的温度下连续放置 16 h，其间试验设备连续通电工作。低温试验按照 GB/T 2423.1 测试方法进行。将连接完毕的室外设备放入低温试验箱，在-203 的温度下连续放置 16

15、h，其间试验设备连续通电工作。高、低温试验后，试验设备的功能、性能指标的检测结果应满足产品技术指标的要求；外观应无锈蚀、无裂纹、无剥落等损伤，文字、标识应清晰，调零机构应灵活，紧固部位无松动，密封应完好，塑料件应不起泡、不开裂、不变形及灌注物不软化、无流溢现象。6.1.3 振动试验 振动试验按照 GB/T 2423.102008 测试方法进行。将非工作状态的仪器主机和天线安装在振动试验台上，在上下方向进行扫频振动试验，扫频循环范围为 10 Hz150 Hz10 Hz，容差 10，扫频速率：1 oct/min，振动加速度值 19.6 m/s2，持续时间为 1 h。经振动试验后，试验设备的功能、性

16、能指标应满足产品技术指标的要求，外观应无损伤，结构应无损坏，紧固件和元器件应无松脱。6.1.4 冲击试验 冲击试验按照GB/T 2423.51995测试方法进行。将非工作状态的仪器主机和天线安装在试验台上，选取峰值加速度为 490m/s2、相应的标称脉冲持续时间为 11 ms（常用）、选用半正弦波，对应速度的变化量为 3.4 m/s，冲击次数为 8 次，其中底面冲击 3 次，其余各面冲击 1 次。冲击试验后，试验设备的外观、功能和性能指标应符合产品技术指标的规定。6.1.5 碰撞试验 碰撞试验按照GB/T 2423.61995测试方法进行。将非工作状态的仪器主机和天线安装在试验台上，峰值取值加

17、速度为 245 m/s2，脉冲持续时间为 6 ms，相应的速度变化量为 0.955 m/s，碰撞次数为工作位置 3000 次，或三个互相垂直方向、每轴 1000 次，1080 次/min。碰撞试验后，试验设备的外观、功能和性能指标应符合产品技术标准规定要求。6.1.6 倾跌和自由跌落试验 倾跌试验按照GB/T 2423.71995测试方法进行。将非工作状态的仪器主机和天线安装在试验台上，DB43/T 215120216 倾斜跌落（面倾跌）跌落高度为 100 mm，或角度为 3010，跌落次数为以底面一个边为轴，每边跌落一次，总共四次。自由跌落试验按照 GB/T 2423.81995 测试方法进

18、行。将非工作状态的仪器主机和天线安装在试验台上，跌落高度为 500 mm；次数为 3 次。跌落试验后，试验设备的外观、功能和性能指标应符合产品技术标准规定要求。6.1.7 淋雨、沙尘、长霉和盐雾试验 淋雨试验按照 DZ 0039.121992 规定进行。将非工作状态的仪器主机和天线的被试面与垂直方向成 45夹角安装在试验台上，在降水量为 10020 L/m3h，雨水温度为 535条件下，降雨 15 min。淋雨测试后，试验设备外观无损伤，内部无渗水，功能和性能指标应符合产品技术标准规定要求。沙尘试验按照 GB/T 2423.37 规定进行。将未通电的受试设备放入粉尘试验箱，相对湿度为小于25，

19、试验箱中的滑石粉浓度为 2 kg/m3，每 15 min 扬尘 5 s，持续 2 h 后取出。沙尘试验后，试验设备内部清洁无尘，试验设备的外观、功能和性能指标应符合产品技术标准规定要求。霉菌生长试验方法应按 GB 2423.16 规定进行。在无培养基的情况下霉菌孢子直接在试验设备主机和天线上接种，经 28 d 培养霉菌生长试验后，试验设备外观无腐化，功能和性能指标应符合产品技术标准规定要求。仪器盐雾环境试验方法要按 GB 2423.17 规定进行检测，将非工作状态的仪器主机和天线放置试验箱中，试验箱的温度维持在 355，所有的暴露区域都应维持盐雾条件，用面积为 80 cm2的器皿在暴露区域的任

20、何一点连续收集至少 16 h 的雾化沉积溶液，平均每小时收集量应在 1.0 mL-2.0 mL 之间，收集的溶液在 352 测量浓度和 pH 值，试验周期应到 16 h。盐雾环境试验后，试验设备外观无化学损伤，功能和性能指标应符合产品技术标准规定要求。6.2 功能要求的检验 6.2.1 等值反磁通零磁通调零功能的检验 系统应具有专用的等值反磁通调零机构，在等值反磁通调零模式发送 20 kHz 双极性波，使用离散傅里叶变换，计算出 20 kHz 频点的功率谱密度 A（计算方法见附录 A），称之为调零系数。调节接收天线的几何位置，当接收天线处于零磁通面时，调零系数最小。6.2.2 自检功能的检验

21、系统应具有专用的自检模式，用于检测发送机和接收机是否正常工作。在自检模式下，接收机采集发送机发送预设标准信号，要求观测到的信号与预设标准信号幅值和形态一致。6.2.3 记录发送波形功能的检验 在室内按照野外工作模式连接发送机、接收机和天线，开机工作，系统应显示发送波形。6.2.4 实时监控工作状态功能的检验 系统应具有实时监控仪器温度，电池电压和发送电流主要工作状态的功能。在室内按照野外工作模式连接发送机、接收机和天线，开机工作，系统应实时显示温度，电池电压和发送电流。6.2.5 故障诊断功能的检验 在室内按照野外工作模式连接发送机、接收机和天线，分别切断发送电路模块、接收电路模块以及连接线，

22、开机工作，系统应正确提示相应的故障。DB43/T 21512021 7 6.3 性能指标的检验 6.3.1 发送电流准确度的检验 在连接发射天线条件下，采用标准检流电阻 Rs 串联到发送回路，通过示波器观测检流电阻正向与反向供电平台期电压，要求检测 1Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、250Hz 六个基频，示波器设置叠加平均 1024 次，计算出标准电阻上的发送电流 Is，与仪器在不同基频输出的电流 It 的绝对误差为发送电流准确度 Ia，测试结果满足 5.3.2 的要求。Is 按公式（2）计算：2pnssUUIR（2）发送电流准确度 Ia 按公式（3）计算()atsIABS

23、 II（3）式中：Up正向供电平台期电压，单位 V；Un反向供电平台期电压，单位 V；Rs标准检流电阻，单位。注：本文件技术指标检测中所述标准检流电阻要求不大于 10 m、优于 0.1精度。6.3.2 发送电流重复性的检验 发送电源、发送机、发送电缆和发射天线组成稳压发送回路，在重复性测量条件下，对发送电流进行 n（n 100）次独立重复测量，得到的测量值为(1,2,)iIin,，发送电流的重复性()s I 按公式（4）计算：21()()1niiIIs In（4）式中：I：n 个发送电流的算术平均值。6.3.3 最大发送电流的检验 在连接发射天线条件下，调节至厂家仪器指标的最大可供电源电压，使

24、用标准检流电阻sR 串联到发送回路，通过示波器观察发送波形，示波器波形使用 128 次叠加平均。示波器观测波形正向供电平台期电压 Up、反向供电平台期电压 Un，根据公式（5）计算最大发送电流maxI：max2PnsUUIR（5）6.3.4 发送基频准确度的检验 在连接发射天线条件下，使用标准检流电阻组成分压器，对发送机发送的信号进行分压后，再采用频率计测量仪器发送波形的正方波或者负方波的频率。要求至少测量 0.1 Hz、0.25 Hz、0.625 Hz、1 Hz、2.5 Hz、6.25 Hz、12.5 Hz、25 Hz、50 Hz、62.5 Hz、237.5 Hz 及 250 Hz 标准基频

25、的频率。频率计DB43/T 215120218 读数1f 和发送机发送频率2f 的绝对误差称为发送频率准确度 Af，测试结果应满足 5.3.2 的要求，计算公式如下：12()AfABS ff（6）6.3.5 阻性关断时间的检验 在不连接发射天线条件下，将大功率电阻（1，不小于 150 W）和标准检流电阻串联在发送回路，采用示波器观测仪器主机发送的关断波形，示波器波形设置为高分辨率采集模式。示波器记录发送电流从关断开始到衰减至 1时的时间差t，即为阻性关断时间，测试结果应满足 5.3.2 的要求。6.3.6 关断时间准确度的检验 在连接发射天线条件下，将标准检流电阻串联在发送回路，采用示波器观测

26、仪器主机发送关断波形，示波器波形设置为高分辨率采集模式。示波器记录发送电流从开始到衰减至 1的时间差toffT，仪器设备输出的关断时间soffT 与示波器测试关断时间toffT 之间的绝对误差offT为仪器关断时间精度，测试结果应满足 5.3.2 的要求。()tsoffoffoffTABS TT（7）6.3.7 线性关断的检验 连接仪器发送机内部高精度检流电阻（10 m）到示波器，发送机分别发送高、中、低三种基频。测试正波形下降沿时，示波器设置成下降沿触发模式，触发电平设置为发送电流的 1/2 值；测试负波形上升沿，示波器设置成上升沿触发模式，触发电平设置为发送电流的-1/2 值。肉眼观察三种

27、基频示波器图像，示波器采集到的波形应为一个从发送电流到衰减至零电流（目测无法识别波形变化）的波形应为斜线。6.3.8 接收天线谐振频率的检验 用可测不小于 1MHz 频率的标准磁性元件分析仪测量接收天线的谐振频率，测量原理见附录 B。当被检测接收天线的相位响应为零点所对应的频率是接收天线的谐振频率，测试结果应满足 5.3.2 的要求。6.3.9 接收机短路输入噪声的检验 在电磁屏蔽条件下，设置接收机的增益为 1，系统测量的噪声带宽为 250 kHz，测量的输出噪声幅值为ix，利用标准差公式计算出输出的噪声电压_outnoiseU，以排除系统直流成分的影响，测试结果应满足 5.3.3 要求。21

28、_()nioutnoisexxUn （8）式中：1nii xxn；6.3.10 接收机动态范围的检验 使用标准信号发生器产生正弦波信号，并连接到接收机的输入端，将接收机的增益设置为最小值，DB43/T 21512021 9 调节输入信号幅值直到接收机达到满量程，对应的输入信号峰值为系统最大输入信号峰值FSU；然后测量接收机短路输入噪声的有效值NU，根据公式（1）计算得到的动态范围应满足 5.3.3 要求。DB43/T 2151202110 附 录 A（资料性）等值反磁通零磁通面调零系数计算方法 在等值反磁通调零模式发送 20kHz 双极性波，使用如下公式对采集的数据进行离散傅里叶变换，计算出

29、040kHz 带宽的频谱。210,0,1,NnkNknnnXDFT xx ek,N-1 （A.1）式中:Xn 为采集的离散时间序列；N变换区间长度；K为谐波序号。信号的平均功率为：120NnnavgxPN （A.2）根据帕塞瓦尔定理（Parsevals theorem），时间域功率等于频率域功率：221101NNnknkxXN（A.3）可以得出：21201NavgkkPXN（A.4）考虑到功率谱密度，平均功率有：10NavgkkPPSDf（A.5）其中:/sffN 因此可得：2kksXPSDNf（A.6）式中：PSD的单位为2/VHz。按照功率谱密度的国际标准定义：21010logkdBksX

30、PSDNf（A.7）dBkPSD的单位为 dBHz。DB43/T 21512021 11 取 20 kHz 频点的功率谱密度 A，A 称为调零系数。调节接收天线位置，当接收天线处于零磁通面时，调零系数最小。DB43/T 2151202112 附 录 B（资料性）零相位法测试感应式接收天线的谐振频率原理 感应式接收天线是一种电感线圈，其内阻 R、自感 L 和分布电容C 组成了一个振荡电路（等效电路模型如图 A.1 所示），当感抗和容抗相互抵消，振荡电路完全是阻性，接收天线线圈的输出电压CU 的相位为 0，此时对应的频率为接收天线的谐振频率，也是振荡电路的固有谐振频率。图 B.1 等效电路模型 按

31、照电路原理，线圈的输出电压()cUj 为：022()()11CjnSe jUjj CRLCj CRLC（B.1）式中：角频率；R 线圈内阻；L 线圈自感；C 线圈分布电容；0 真空磁导率；n 线圈匝数；S 线圈面积。02()1CjnSUjj CRLC （B.2）经过变换可得：2022(1)()(1)(1)CjnSLCj CRUjLCj CRLCj CR220022(1)(1)()jLCnSnSCRLCCR （B.3）其实部、虚部分别为：20222Real()(1)()CnSCRULCCR （B.4）DB43/T 21512021 13 20222(1)Imag()(1)()CLCnSULCCR（B.5）当发生谐振时，电路呈阻性，虚部为 0，即，210LC（B.6）谐振频率为：01LC （B.7）此时输出电压CU 的幅值为：0CnSUCR（B.8）输出电压CU 的相位为：Imag()arctan0Real()CCUU（B.9）