劉 燕, 盧 永, 劉 靜, 黃永明*

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

地震災(zāi)害預(yù)測一直是最緊迫的科學(xué)問題．電磁場的變化作為一種前兆異常現(xiàn)象, 早已引起學(xué)者們的注意[1-2]．感應(yīng)式磁傳感器作為電磁擾動(dòng)監(jiān)測中的主要傳感單元,其研制備受關(guān)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(yīng)式磁傳感器多依賴于德國、烏克蘭等國家的產(chǎn)品, 故價(jià)格昂貴[6]．實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式磁傳感器的自主研發(fā)尤為重要．近年來,國內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)在該方面進(jìn)行了研究．中國科學(xué)院團(tuán)隊(duì)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(yīng)式磁傳感器[7-10], 高頻可達(dá)10 kHz,平坦部分靈敏度達(dá)100 V·μT-1; 雍珊珊等[11]設(shè)計(jì)了一款頻率范圍為0.1 Hz～10 kHz的感應(yīng)式磁傳感器,靈敏度大于20 V·μT-1．盧永等[12]設(shè)計(jì)了工作帶寬為0.01 Hz～30 Hz的感應(yīng)式磁傳感器．然而上述感應(yīng)式磁傳感器在電磁擾動(dòng)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(dòng)觀測DC～10 Hz的頻帶要求; 2) 靈敏度雖已達(dá)到最低要求,但對于極低頻信號,須進(jìn)一步提高靈敏度以獲取更為準(zhǔn)確的信息．針對上述問題, 本文擬作出如下改進(jìn):采用自行設(shè)計(jì)的斬波穩(wěn)零放大電路作為感應(yīng)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(fù)反饋和電路反饋相結(jié)合的雙反饋結(jié)構(gòu), 在提高靈敏度的同時(shí),保證感應(yīng)式磁傳感器的工作帶寬符合標(biāo)準(zhǔn)．

1 感應(yīng)式磁傳感器的工作原理

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

感應(yīng)式磁傳感器是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研制而成．當(dāng)匝數(shù)為N,有效截面積為S的線圈被放置在隨時(shí)間變化的磁場中時(shí),線圈兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)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(dǎo)率,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度．據(jù)分析,地震發(fā)生前的電磁擾動(dòng)可以通過線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢變化來表示．

2 磁傳感器的磁線圈設(shè)計(jì)

2.1 磁通負(fù)反饋設(shè)計(jì)

圖2 基于磁通負(fù)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(fù)反饋處理后的感應(yīng)式磁傳感器的等效電路[9]如圖2所示．圖中, 感應(yīng)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(yīng)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(yīng)線圈的等效電感,M為反饋線圈和感應(yīng)線圈的互感,C為感應(yīng)線圈的分布電容．

據(jù)分析可知, 該等效電路傳遞函數(shù)存在2個(gè)頻率拐點(diǎn)f1和f2．當(dāng)工作頻率遠(yuǎn)小于f1時(shí), 傳遞函數(shù)隨頻率的增加呈線性增大;當(dāng)頻率大于f2時(shí),傳遞函數(shù)隨頻率的增加呈線性衰減; 當(dāng)工作頻率處于f1與f2之間時(shí), 傳遞函數(shù)趨于一個(gè)常數(shù)．

2.2 磁芯設(shè)計(jì)

由式(1)可知, 為了提高感應(yīng)電動(dòng)勢E,在設(shè)計(jì)時(shí)須注意以下幾點(diǎn): 1) 適當(dāng)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(dǎo)率．

由于本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)式磁傳感器主要用于監(jiān)測微弱低頻的電磁擾動(dòng)信息,此時(shí)磁芯工作在磁化曲線的起始段,故磁芯材料的初始磁導(dǎo)率要盡可能高; 同時(shí), 硬度應(yīng)合適,便于加工．本文選擇初始磁導(dǎo)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(shè)計(jì)采用了磁通負(fù)反饋方法, 故磁滯損耗可忽略不計(jì); 而在磁芯厚度相同的條件下, 采用薄片堆疊而成的磁芯產(chǎn)生的渦流損耗小于實(shí)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(gòu)成傳感器磁芯．

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

(2)

綜上分析, 磁芯設(shè)計(jì): 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(shè)計(jì)

本文采用銅漆包線來繞制感應(yīng)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(dǎo)體的電導(dǎo)率,L為導(dǎo)體的長度,S為導(dǎo)體的截面積,故必然會(huì)存在熱噪聲

|er|2=4kTΔfR,

(3)

式中|er|表示熱噪聲產(chǎn)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(shè)計(jì): 1) 感應(yīng)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(yīng)線圈外圈的隔離筒表面,方向與感應(yīng)線圈相反,均勻覆蓋整個(gè)磁芯．

3 磁傳感器的信號處理電路設(shè)計(jì)

地震電磁擾動(dòng)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(shù),其基本原理如圖3所示．輸入的低頻信號首先經(jīng)過調(diào)制開關(guān)調(diào)制為高頻信號,然后經(jīng)放大器放大;放大后再經(jīng)過解調(diào)開關(guān)解調(diào),調(diào)制到高頻的輸入信號被解調(diào)恢復(fù)至初始的低頻段; 將解調(diào)后的信號經(jīng)過一個(gè)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(jié)構(gòu)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(huì)隨頻率的升高而增大,故在斬波放大電路中需要一個(gè)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(diǎn)，其輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)，零點(diǎn)漂移??；因此,本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of amplifier circuit

將2個(gè)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(jìn)入2個(gè)反饋電路,反饋回路1為磁通負(fù)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(shí),由于傳感器在實(shí)際工作時(shí),通常距數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)能力．

圖5為加入磁通負(fù)反饋電路前后的仿真結(jié)果．由圖5可見,加入磁通負(fù)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(fù)反饋電路仿真對比圖Fig.5 Simulation comparison diagram of magnetic flux negative feedback circuit

4 實(shí)際測試結(jié)果

本文根據(jù)地震電磁擾動(dòng)監(jiān)測要求, 設(shè)計(jì)目標(biāo)如下: 低頻可達(dá)1 mHz, 高頻可達(dá)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(yīng)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(jié)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(rèn)為傳感器的工作頻率可達(dá)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(jīng)信號分析儀測得感應(yīng)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(dòng)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)．

5 結(jié)論

本文設(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,并結(jié)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(qiáng)穩(wěn)定性．測試結(jié)果表明該傳感器可以滿足地震電磁擾動(dòng)觀測的需求．