一种面向深地观测的磁测传感器稳定性增强方法

摘要

论文摘要

针对深井高温下磁传感器易发生温漂、长期连续检测精度难以保证以及井下空间受限的问题，论文提出磁测稳定性增强方法。研究先在四个温度下验证温度对传感器稳定性的影响，再通过仿真和实验评价120、150、180和210 °C下的热管理效果，随后开展极高温老化试验，并通过井场实验验证工程可行性。

Deep Earth exploration
Long-term continuous monitoring
Extreme high temperature
Temperature drift
Magnetometry sensor stability

系统架构

被动隔热与主动冷却组成闭环热管理系统

Fig.1展示控制模块、换热模块、液冷模块和井下热绝缘器。温度、压力与流量信号用于控制泵和换热过程，冷却液经入口管下行并由出口管返回井口。

井下单元同时利用真空腔和气凝胶降低外部传热，并通过循环冷却液带走传感器舱及系统内部热量。

Fig. 1 热管理系统架构 — 论文原图 · Fig. 1 **热管理系统架构**

所提出热管理系统的架构。

Architecture of the proposed thermal anagement system.
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热绝缘器

同轴隔热层、冷却通道与仪器舱适配受限井下空间

Fig.2给出热绝缘器三维结构、仪器舱内部结构以及磁传感器和能量管理器实物。多层结构由外壳、真空层、气凝胶层、冷却通道和仪器舱组成。

磁传感器电路板位于仪器舱中央，两端设置隔热塞；冷却液入口、出口和耐高温密封布置在装置端部。

Fig. 2 热绝缘器结构 — 论文原图 · Fig. 2 **热绝缘器结构**

热绝缘器结构图。

Structural diagram of the heat insulator.
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温漂基线

无热防护时三轴波动随温度升高而增加

论文在20、40、60和80 °C条件下测试未采用热管理方法的传感器。Table 3中，X轴标准差由20 °C的32.96 nT增加到80 °C的309.80 nT。

80 °C时Y轴和Z轴标准差分别为194.18 nT和215.55 nT，作为后续高温热防护实验的对照。

分档高温

120–210 °C四档实验中三轴标准差均低于38 nT

热管理方法在120、150、180和210 °C外部温度下进行连续测试。Table 4给出各温度下X、Y、Z三轴标准差。

Fig.8比较有防护和无防护状态。210 °C时X、Y、Z标准差分别为37.73、21.41和27.05 nT；四档所有三轴结果均低于38 nT。

Fig. 8 不同温度下三轴数据标准差 — 论文原图 · Fig. 8 **不同温度下三轴数据标准差**

不同温度下三轴数据的标准差统计。

Standard deviation statistics for the data of triaxial direction at different temperatures.
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连续测试

每个高温档位采用10 h数据分布检查稳定性

Fig.9使用小提琴图比较无防护20–80 °C和有防护120–210 °C条件下的三轴数据分布，左右子图采用不同纵轴范围。

在120、150和180 °C下，多数数据集中于较小波动范围；210 °C数据波动有所增加，但标准差仍处于Table 4给出的范围。

老化试验

260 °C条件下记录三轴老化试验数据

Fig.10展示260 °C老化试验中的X、Y、Z三轴时间序列。三轴标准差分别为38.96、28.72和29.75 nT。

Fig.11进一步给出10 h连续监测数据的小提琴分布，用于评价极高温条件下的长期波动。

Fig. 10 老化试验三轴数据 — 论文原图 · Fig. 10 **老化试验三轴数据**

老化试验中获得的数据。

Data abtained in aging test.
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井场观测

井场连续采集10天数据并分析其中7天的三轴分布

系统在中国吉林省长春市井场开展连续监测，采集10天数据。Fig.13给出7天X、Y、Z三轴波动的小提琴图。

现场磁场包含日变化和昼夜变化，三轴分布中出现纵向尖峰；论文依据连续数据评价现场布置下的工作状态。

Fig. 13 井场连续7天三轴波动分布 — 论文原图 · Fig. 13 **井场连续7天三轴波动分布**

井场连续监测7天的X、Y、Z方向波动小提琴图。

Violin plot of fluctuation in X-Y-Z direction for 7 days of continuous monitoring in the field.
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研究范围

量程、频带和超高温材料条件限定系统使用范围

研究面向低频地磁场长期连续观测，系统磁场量程为±80,000 nT。信号超出设定带宽或磁场超过量程时不属于本实验覆盖范围。

论文指出，能量管理器材料在超过500 °C的超高温环境中受到温度限制；210 °C分档实验和260 °C老化试验属于不同实验阶段。

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引用

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GB/T 7714

YANG H, SUN Y, XU H, YAO Z, WANG Y. A novel deep earth observation-oriented methods for enhancing magnetometry sensor stability[J]. Measurement, 2022, 204: 112120. DOI:10.1016/j.measurement.2022.112120.

APA

Yang, H., Sun, Y., Xu, H., Yao, Z., & Wang, Y. (2022). A novel deep earth observation-oriented methods for enhancing magnetometry sensor stability. Measurement, 204, 112120. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2022.112120

IEEE

H. Yang, Y. Sun, H. Xu, Z. Yao, and Y. Wang, “A novel deep earth observation-oriented methods for enhancing magnetometry sensor stability,” Measurement, vol. 204, Art. no. 112120, 2022, doi: 10.1016/j.measurement.2022.112120.