基于磁負反饋及斬波放大的地震電磁擾動感應式磁傳感器的研制

劉 燕, 盧 永, 劉 靜, 黃永明*

(1. 南京工程學院工業(yè)中心, 南京 211167; 2. 江蘇省地震局, 南京 210014; 3. 東南大學自動化學院, 南京 210096)

地震災害預測一直是最緊迫的科學問題．電磁場的變化作為一種前兆異常現(xiàn)象, 早已引起學者們的注意[1-2]．感應式磁傳感器作為電磁擾動監(jiān)測中的主要傳感單元,其研制備受關注,在線圈和電路優(yōu)化方面成果頗豐[3-5]．長期以來,我國感應式磁傳感器多依賴于德國、烏克蘭等國家的產品, 故價格昂貴[6]．實現(xiàn)感應式磁傳感器的自主研發(fā)尤為重要．近年來,國內多個團隊在該方面進行了研究．中國科學院團隊研制了適合于開展針對用于大地電磁測深和可控源音頻大地電磁測深等方法的感應式磁傳感器[7-10], 高頻可達10 kHz,平坦部分靈敏度達100 V·μT-1; 雍珊珊等[11]設計了一款頻率范圍為0.1 Hz～10 kHz的感應式磁傳感器,靈敏度大于20 V·μT-1．盧永等[12]設計了工作帶寬為0.01 Hz～30 Hz的感應式磁傳感器．然而上述感應式磁傳感器在電磁擾動觀測方面仍有較大的提升空間: 1) 工作頻率不夠低,無法滿足地震電磁擾動觀測DC～10 Hz的頻帶要求; 2) 靈敏度雖已達到最低要求,但對于極低頻信號,須進一步提高靈敏度以獲取更為準確的信息．針對上述問題, 本文擬作出如下改進:采用自行設計的斬波穩(wěn)零放大電路作為感應式磁傳感器的極低頻微弱信號檢測電路,有效抑制直流漂移和低頻1/f噪聲; 采用磁通負反饋和電路反饋相結合的雙反饋結構, 在提高靈敏度的同時,保證感應式磁傳感器的工作帶寬符合標準．

1 感應式磁傳感器的工作原理

用于監(jiān)測地磁擾動前兆的感應式磁傳感器由磁線圈(包含磁芯、感應線圈和反饋線圈)、放大電路和控制電路等組成,其基本結構如圖1所示．

感應式磁傳感器是根據法拉第電磁感應定律研制而成．當匝數(shù)為N,有效截面積為S的線圈被放置在隨時間變化的磁場中時,線圈兩端輸出感應電動勢[11]

(1)

式中Φ為通過線圈的磁通量大小,μapp為磁芯的有效磁導率,B為磁感應強度．據分析,地震發(fā)生前的電磁擾動可以通過線圈輸出的感應電動勢變化來表示．

2 磁傳感器的磁線圈設計

2.1 磁通負反饋設計

圖2 基于磁通負反饋的磁傳感器等效電路Fig.2 Sensor equivalent circuit based on flux negative feedback

采用磁通負反饋處理后的感應式磁傳感器的等效電路[9]如圖2所示．圖中, 感應線圈和反饋線圈為相反繞向,Rfb,Rs,Rsc分別為反饋回路的反饋電阻、反饋線圈的熱電阻以及感應線圈的熱電阻,G為放大電路增益,Ui為放大電路的輸入電壓值,Uo為放大電路的輸出電壓,Ls,Lp分別為反饋線圈的等效電感和感應線圈的等效電感,M為反饋線圈和感應線圈的互感,C為感應線圈的分布電容．

據分析可知, 該等效電路傳遞函數(shù)存在2個頻率拐點f1和f2．當工作頻率遠小于f1時, 傳遞函數(shù)隨頻率的增加呈線性增大;當頻率大于f2時,傳遞函數(shù)隨頻率的增加呈線性衰減; 當工作頻率處于f1與f2之間時, 傳遞函數(shù)趨于一個常數(shù)．

2.2 磁芯設計

由式(1)可知, 為了提高感應電動勢E,在設計時須注意以下幾點: 1) 適當增加匝數(shù),但不可過多,否則將影響傳感器的可攜帶性; 2) 增加線圈的有效截面積; 3) 增加磁芯材料的有效磁導率．

由于本文設計的感應式磁傳感器主要用于監(jiān)測微弱低頻的電磁擾動信息,此時磁芯工作在磁化曲線的起始段,故磁芯材料的初始磁導率要盡可能高; 同時, 硬度應合適,便于加工．本文選擇初始磁導率大于100 H·m-1且硬度較軟的坡莫合金作為磁芯材料．

磁芯材料損耗包含磁滯損耗和渦流損耗．由于本文設計采用了磁通負反饋方法, 故磁滯損耗可忽略不計; 而在磁芯厚度相同的條件下, 采用薄片堆疊而成的磁芯產生的渦流損耗小于實心磁芯,故最終選擇厚度小于0.5 mm的坡莫合金1J85帶材, 多片相疊構成傳感器磁芯．

磁芯材料被磁化時存在退磁場, 衡量磁芯性能的參數(shù)為有效磁導率μapp,

(2)

綜上分析, 磁芯設計: 1) 厚度小于0.5 mm的1J85坡莫合金; 2) 多片堆疊, 磁芯長度為110 cm, 橫截面積為15 mm×15 mm．

2.3 線圈參數(shù)設計

本文采用銅漆包線來繞制感應線圈和反饋線圈, 銅漆包線自身存在電阻R=ρL/S, 其中ρ為導體的電導率,L為導體的長度,S為導體的截面積,故必然會存在熱噪聲

|er|2=4kTΔfR,

(3)

式中|er|表示熱噪聲產生的譜密度,T為開爾文溫度, Δf為系統(tǒng)工作帶寬,k表示玻耳茲曼常數(shù)．顯然,可以通過線圈材料、長度和直徑的優(yōu)化選擇來減小熱噪聲．

本文線圈設計: 1) 感應線圈采用0.25 mm高純度無氧銅漆包線繞制12萬圈, 為減少線圈的分布電容, 線圈分為4段,整體在磁芯中心約2/3處對稱分布, 直流電阻約4.55 kΩ; 2) 反饋線圈采用0.38 mm高純度無氧銅漆包線分別繞制74圈, 均勻繞制在感應線圈外圈的隔離筒表面,方向與感應線圈相反,均勻覆蓋整個磁芯．

3 磁傳感器的信號處理電路設計

地震電磁擾動信號通常非常微弱,研究表明優(yōu)勢頻率為10 Hz以下的極低頻頻段, 故信號處理電路即為極低頻電壓信號的放大．在低頻段,線圈輸出的信號通常淹沒在低頻段的噪聲中．本文采用斬波穩(wěn)零技術,其基本原理如圖3所示．輸入的低頻信號首先經過調制開關調制為高頻信號,然后經放大器放大;放大后再經過解調開關解調,調制到高頻的輸入信號被解調恢復至初始的低頻段; 將解調后的信號經過一個低通濾波器,濾除高頻信號,即得到放大的低頻有用信號．

圖3 斬波放大的原理圖Fig.3 Schematic of chopper amplification

圖4為信號處理電路的結構示意圖．由于磁線圈的電感很大(因測量微弱的磁場信息),所以輸入阻抗較大,且會隨頻率的升高而增大,故在斬波放大電路中需要一個高輸入阻抗的前級放大器. 恒流源式差分放大電路具有放大差模信號和抑制共模信號的特點，其輸入阻抗高，抗干擾能力強，零點漂移小；因此,本文設計采用雙輸入、雙輸出的恒流源式差分放大電路作為第一級放大器．

圖4 放大電路的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of amplifier circuit

將2個低通濾波器級聯(lián)作為電路的最后級．濾波電路1的輸出作為反饋電壓分別進入2個反饋電路,反饋回路1為磁通負反饋回路,反饋回路2為電路反饋回路;而濾波電路2的輸出則為磁傳感器的最終輸出．同時,由于傳感器在實際工作時,通常距數(shù)據采集系統(tǒng)十幾米,故要求最后一級濾波電路具有較大的電流驅動能力．

圖5為加入磁通負反饋電路前后的仿真結果．由圖5可見,加入磁通負反饋能改善相位突變問題,也使得幅頻特性曲線趨于平坦．

圖5 磁通負反饋電路仿真對比圖Fig.5 Simulation comparison diagram of magnetic flux negative feedback circuit

4 實際測試結果

本文根據地震電磁擾動監(jiān)測要求, 設計目標如下: 低頻可達1 mHz, 高頻可達10 Hz, 靈敏度大于100 V·μT-1(平坦部分), 噪聲水平為3×10-1nT·Hz-1/2@0.001 Hz、3×10-2nT·Hz-1/2@0.01 Hz、3×10-3nT·Hz-1/2@0.1 Hz、3×10-4nT·Hz-1/2@1 Hz．

圖6 感應式磁傳感器靈敏度曲線圖Fig.6 Sensitivity of inductive magnetic sensor

圖6為自制傳感器的靈敏度測試結果, 其中s為靈敏度,f為頻率, 虛線部分為50 V·μT-1橫截線．由圖5可見, 1 mHz～100 Hz之間的靈敏度均大于50 V·μT-1, 故認為傳感器的工作頻率可達到1 mHz～100 Hz, 且在0.05 Hz～10 Hz間靈敏度曲線較為平坦,平坦區(qū)域的靈敏度大于150 V·μT-1, 性能比較理想．

將該磁傳感器放置在磁屏蔽室的中心位置, 經信號分析儀測得感應式磁傳感器的輸出噪聲為2.66×10-1nT·Hz-1/2@0.001 Hz、2.92×10-2nT·Hz-1/2@0.01 Hz、2.85×10-3nT·Hz-1/2@0.1 Hz、1.05×10-4nT·Hz-1/2@1 Hz, 說明該傳感器的噪聲水平符合地震電磁擾動監(jiān)測標準．

5 結論

本文設計了以高磁導率坡莫合金為磁芯材料的感應式磁傳感器,并結合磁反饋和斬波放大方法提高傳感器的靈敏度,降低噪聲水平,增強穩(wěn)定性．測試結果表明該傳感器可以滿足地震電磁擾動觀測的需求．