地震電磁擾動(dòng)感應(yīng)式磁傳感器研制

盧永 張敏 王佳 單菡 戴波

江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號(hào) 210014

0 引言

早在1966年邢臺(tái)7.2級(jí)地震時(shí)，我國(guó)就開(kāi)始了有組織地研究地震電磁擾動(dòng)信息。1975年海城7.3級(jí)地震、1976年唐山7.8級(jí)地震、2008年汶川8.0級(jí)地震前均發(fā)現(xiàn)了可靠的地震電磁擾動(dòng)信息。近些年來(lái)，地震電磁擾動(dòng)信息越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外地震科學(xué)工作者的重視，從室內(nèi)巖石破裂電磁輻射模擬實(shí)驗(yàn)（錢(qián)書(shū)清等，2003；龔強(qiáng)等，2006）到地震現(xiàn)場(chǎng)電磁擾動(dòng)，觀(guān)測(cè)研究均取得了豐富的資料（陳化然等，2008；湯吉等，2010）。

由于早期地震電磁擾動(dòng)觀(guān)測(cè)沒(méi)有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，國(guó)內(nèi)地震電磁擾動(dòng)儀器輸出靈敏度及噪聲水平等技術(shù)參數(shù)不明確，觀(guān)測(cè)的電磁擾動(dòng)資料缺乏足夠的可信度，影響了地震電磁擾動(dòng)觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

目前，我國(guó)對(duì)地震電磁擾動(dòng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已制定（趙家騮等，2009），地震電磁實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號(hào)”（CSES-1）已經(jīng)發(fā)射，衛(wèi)星觀(guān)測(cè)與地面觀(guān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，天地一體化的立體電磁觀(guān)測(cè)系統(tǒng)正在形成。我國(guó)地震電磁擾動(dòng)的研究迎來(lái)了全新的開(kāi)端（張學(xué)民等，2009）。

感應(yīng)式磁傳感器是利用法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量磁場(chǎng)變化的傳感器，是最常見(jiàn)、最重要的磁場(chǎng)測(cè)量手段之一，是地震電磁擾動(dòng)儀器的核心部件，也是阻礙當(dāng)前我國(guó)地震電磁擾動(dòng)儀器裝備研發(fā)和推廣應(yīng)用的瓶頸技術(shù)。

感應(yīng)式磁傳感器典型產(chǎn)品有德國(guó)Metronix公司生產(chǎn)的MFS-06e和加拿大Pheonix公司生產(chǎn)的MTC-80等。其中，MFS-06e型感應(yīng)式磁傳感器工作帶寬為0.0001～500Hz，噪聲水平可達(dá)到

本文根據(jù)地震電磁擾動(dòng)觀(guān)測(cè)規(guī)范要求，深入研究感應(yīng)式磁傳感器設(shè)計(jì)原理，借鑒先進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念，研制出適合地震電磁擾動(dòng)觀(guān)測(cè)特點(diǎn)的高可靠性、低噪聲的感應(yīng)式磁傳感器：工作帶寬為0.01～30Hz，噪聲水平在1Hz時(shí)為技術(shù)參數(shù)接近國(guó)外先進(jìn)儀器技術(shù)指標(biāo)，價(jià)格降低，有利于在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展地震電磁擾動(dòng)觀(guān)測(cè)。

1 磁線(xiàn)圈設(shè)計(jì)

研制的磁線(xiàn)圈用直徑為0.29mm的銅漆包線(xiàn)繞制而成，為減少分布電容，分4段繞制；磁芯選擇高磁導(dǎo)率的坡莫合金；骨架材料采用穩(wěn)定性好、膨脹系數(shù)小的酚醛樹(shù)脂；傳感器外殼采用具有較高機(jī)械強(qiáng)度的PVC筒（圖1）。

作為傳感器最前端的磁敏感部分，磁線(xiàn)圈特性直接決定了傳感器性能指標(biāo)。所以，需要深入研究磁線(xiàn)圈參數(shù)，為磁傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。磁線(xiàn)圈的主要參數(shù)為阻抗、電感、分布電容。

1.1 等效電路

磁線(xiàn)圈的等效電路如圖2所示。

圖2 磁線(xiàn)圈等效電路

從等效電路分析，設(shè)計(jì)磁線(xiàn)圈需要考慮：①增加電感；②減少內(nèi)阻；③減少分布電容。

1.2 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算

下式給出了磁線(xiàn)圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的簡(jiǎn)單有效計(jì)算方法（Tim，2007）。

其中，N為線(xiàn)圈的匝數(shù)；A為線(xiàn)圈的有效截面積（m2），有磁芯時(shí)，A＝線(xiàn)圈截面積S×磁芯有效磁導(dǎo)率μe；F為頻率（Hz）；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度（A／m）。

由式（1）可知，為提高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，設(shè)計(jì)磁線(xiàn)圈需要考慮：①匝數(shù)N；②線(xiàn)圈的截面積S；③磁芯的有效磁導(dǎo)率μe。

1.3 有效磁導(dǎo)率

磁芯的有效磁導(dǎo)率μe的值是非線(xiàn)性的，與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、材料磁導(dǎo)率μ材及形狀尺寸等相關(guān)，具體設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮如下2點(diǎn)：①因接收的是微弱地震電磁擾動(dòng)信號(hào)，磁芯的工作狀態(tài)處于起始的一段磁化曲線(xiàn)上，因此要求盡量選擇初始磁導(dǎo)率μi高的軟磁材料；②在給定磁芯截面積的情況下，磁芯的長(zhǎng)徑比l／d越大，有效磁導(dǎo)率越高，但考慮到加工工藝的限制及野外使用的便攜性，一般取值為40～100。

磁芯材料種類(lèi)較多，特性各異（張甫飛等，2003；陳國(guó)鈞，1980），用于地震電磁擾動(dòng)磁線(xiàn)圈的磁芯材料主要從初始磁導(dǎo)率考慮。表1為磁芯材料主要磁性參數(shù)對(duì)比。從表1看出，坡莫合金、非晶合金以及納米晶合金均適合作為磁線(xiàn)圈的磁芯。本文選用坡莫合金（1J85）是因?yàn)槠履辖鸨л^軟，更容易加工成疊片磁芯。

表1 磁芯材料主要磁性參數(shù)對(duì)比

1.4 磁線(xiàn)圈的具體參數(shù)

1.4.1 實(shí)際加工參數(shù)

（1）磁芯材料：坡莫合金（1J85）；（2）磁芯尺寸：22.5mm×22.5mm×1100mm；（3）銅漆包線(xiàn)線(xiàn)徑：0.29mm；（4）磁線(xiàn)圈圈數(shù)：分 4段繞制，每段 28000匝；（5）磁線(xiàn)圈長(zhǎng)度：200mm×4段；（6）磁線(xiàn)圈厚度：19.5mm；（7）磁線(xiàn)圈截面積：55mm×55mm＝0.003025m2（平均）；（8）磁線(xiàn)圈直流電阻：5.58kΩ；（9）等效面積（無(wú)磁芯）：線(xiàn)圈截面積×圈數(shù) ＝0.003025m2×112000＝338.8m2；（10）有效等效面積（有磁芯）：等效面積（無(wú)磁芯）×有效磁導(dǎo)率μe＝338.8m2×158＝53530.4m2。

1.4.2 計(jì)算和測(cè)量得到的參數(shù)

通過(guò)計(jì)算和測(cè)量，可得到下列磁線(xiàn)圈參數(shù)（耿勝利，1988；耿勝利等，2002；田永煒等，2008；王言章等，2007；邵英秋等，2010、2012）。（1）有效磁導(dǎo)率：約 158；（2）分布電容：約1550pF；（3）帶磁芯電感：約 1925H。

1.4.3 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定

在實(shí)驗(yàn)室屏蔽環(huán)境中使用長(zhǎng)直螺線(xiàn)管進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定裝置示意圖如圖3所示，標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。

1.4.4 磁線(xiàn)圈交流分析仿真

圖5給出磁線(xiàn)圈等效電路的交流分析結(jié)果，與標(biāo)定結(jié)果接近，同時(shí)也得出線(xiàn)圈阻抗為：（1）13.32kΩ＠1Hz；（2）122.52kΩ＠10Hz。

圖3 標(biāo)定裝置示意圖

圖4 磁線(xiàn)圈標(biāo)定結(jié)果

圖5 磁線(xiàn)圈交流分析

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

磁線(xiàn)圈將被測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，前置放大電路對(duì)磁線(xiàn)圈輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償放大，六階低通濾波電路減少50Hz工頻干擾及地震電磁擾動(dòng)不敏感的較高頻率成分，后級(jí)放大電路為后面的A／D電路提供合適的電壓輸入范圍。重要的是前置放大電路設(shè)計(jì)，直接影響感應(yīng)式磁傳感器整體信噪比（圖6）。

圖6 感應(yīng)式磁傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 系統(tǒng)噪聲分析

為設(shè)計(jì)低噪聲傳感器，需要明確天然磁場(chǎng)背景噪聲水平，提出組成噪聲的主要部分。圖7給出了天然磁場(chǎng)背景噪聲水平（Szarka L，1988）。

感應(yīng)式磁傳感器的噪聲水平大小直接決定其探測(cè)靈敏度，其噪聲來(lái)源主要有如下幾個(gè)部分：感應(yīng)線(xiàn)圈熱噪聲、放大器等效電壓噪聲、等效輸入電流噪聲等。在計(jì)算噪聲時(shí)，需要考慮第一級(jí)前置放大電路的噪聲。電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖7 天然磁場(chǎng)背景噪聲

圖8 第一級(jí)前置放大電路設(shè)計(jì)

依據(jù)10Hz及以下頻率測(cè)試條件下電壓噪聲及電流噪聲指標(biāo)，通過(guò)比較 OP27、OP07、TL071、AD820、ADA4627、OP97及 LT1113等運(yùn)放芯片，考慮到線(xiàn)圈阻抗的影響，篩選出ADA4627和OP07運(yùn)放芯片，經(jīng)過(guò)測(cè)試，10Hz頻率時(shí) ADA4627優(yōu)于 OP07，但1Hz以下頻率時(shí)OP07表現(xiàn)更優(yōu)異?；诖?，選擇OP07運(yùn)放芯片，分析其電路噪聲。

典型的放大電路與信號(hào)源的噪聲等效模型如圖9所示，Zs為線(xiàn)圈源阻抗，Zin為放大器的等效輸入阻抗，es為線(xiàn)圈直流電阻熱噪聲譜密度，en和in表示放大器等效輸入電壓和電流噪聲。

我們以Analog Devices公司OP07運(yùn)放芯片為例，分析在10Hz頻率下感應(yīng)式磁傳感器系統(tǒng)的噪聲水平，計(jì)算時(shí)設(shè)定Zin?Zs，則：①線(xiàn)圈源阻抗：Zs＝122.52kΩ＠10Hz；②等效輸入電壓噪聲：en＝③等效輸入電流噪聲：in＝④常溫（25℃）時(shí)，線(xiàn)圈直流電阻熱噪聲譜密度

圖9 典型放大器和源噪聲等效模型

放大器輸入端的總等效噪聲ent：

將前面估算的值換算為標(biāo)準(zhǔn)單位，代入式（1），即

計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度噪聲水平

磁感應(yīng)強(qiáng)度噪聲水平

通常情況下，地震電磁擾動(dòng)儀器要求傳感器噪聲水平小于觀(guān)測(cè)物理量的1／10，才能獲得足夠的信噪比，從圖7可以看出，天然磁場(chǎng)背景噪聲在10Hz時(shí)約為，因此，本次設(shè)計(jì)理論計(jì)算上是合理的。

3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

因噪聲水平測(cè)試需在“零磁空間”進(jìn)行，2016年7月，由中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所對(duì)研制的感應(yīng)式磁傳感器進(jìn)行了輸出靈敏度、噪音水平、環(huán)境溫度適應(yīng)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2。

表2 測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)及討論

本文借鑒大地電磁測(cè)深的感應(yīng)式磁傳感器相關(guān)技術(shù)，在理論計(jì)算和仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以高磁導(dǎo)率坡莫合金為磁芯材料的感應(yīng)式磁傳感器，傳感器具有靈敏度高、噪聲水平低及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足地震電磁擾動(dòng)觀(guān)測(cè)的需求。

圖10 靈敏度幅度-頻率曲線(xiàn)

圖11 不同溫度下靈敏度幅度-頻率曲線(xiàn)