地震電磁擾動感應式磁傳感器研制

盧永 張敏 王佳 單菡 戴波

江蘇省地震局，南京市衛崗3號 210014

0 引言

早在1966年邢臺7.2級地震時，我國就開始了有組織地研究地震電磁擾動信息。1975年海城7.3級地震、1976年唐山7.8級地震、2008年汶川8.0級地震前均發現了可靠的地震電磁擾動信息。近些年來，地震電磁擾動信息越來越引起國內外地震科學工作者的重視，從室內巖石破裂電磁輻射模擬實驗（錢書清等，2003；龔強等，2006）到地震現場電磁擾動，觀測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觀測沒有統一的技術規范，國內地震電磁擾動儀器輸出靈敏度及噪聲水平等技術參數不明確，觀測的電磁擾動資料缺乏足夠的可信度，影響了地震電磁擾動觀測技術的發展。

目前，我國對地震電磁擾動的行業標準已制定（趙家騮等，2009），地震電磁實驗衛星“張衡一號”（CSES-1）已經發射，衛星觀測與地面觀測系統相結合，天地一體化的立體電磁觀測系統正在形成。我國地震電磁擾動的研究迎來了全新的開端（張學民等，2009）。

感應式磁傳感器是利用法拉第電磁感應定律測量磁場變化的傳感器，是最常見、最重要的磁場測量手段之一，是地震電磁擾動儀器的核心部件，也是阻礙當前我國地震電磁擾動儀器裝備研發和推廣應用的瓶頸技術。

感應式磁傳感器典型產品有德國Metronix公司生產的MFS-06e和加拿大Pheonix公司生產的MTC-80等。其中，MFS-06e型感應式磁傳感器工作帶寬為0.0001～500Hz，噪聲水平可達到

本文根據地震電磁擾動觀測規范要求，深入研究感應式磁傳感器設計原理，借鑒先進產品的設計理念，研制出適合地震電磁擾動觀測特點的高可靠性、低噪聲的感應式磁傳感器：工作帶寬為0.01～30Hz，噪聲水平在1Hz時為技術參數接近國外先進儀器技術指標，價格降低，有利于在全國范圍內開展地震電磁擾動觀測。

1 磁線圈設計

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

作為傳感器最前端的磁敏感部分，磁線圈特性直接決定了傳感器性能指標。所以，需要深入研究磁線圈參數，為磁傳感器系統設計提供依據。磁線圈的主要參數為阻抗、電感、分布電容。

1.1 等效電路

磁線圈的等效電路如圖2所示。

圖2 磁線圈等效電路

從等效電路分析，設計磁線圈需要考慮：①增加電感；②減少內阻；③減少分布電容。

1.2 感應電動勢計算

下式給出了磁線圈感應電動勢E的簡單有效計算方法（Tim，2007）。

其中，N為線圈的匝數；A為線圈的有效截面積（m2），有磁芯時，A＝線圈截面積S×磁芯有效磁導率μe；F為頻率（Hz）；H為磁場強度（A／m）。

由式（1）可知，為提高感應電動勢E，設計磁線圈需要考慮：①匝數N；②線圈的截面積S；③磁芯的有效磁導率μe。

1.3 有效磁導率

磁芯的有效磁導率μe的值是非線性的，與磁場強度H、材料磁導率μ材及形狀尺寸等相關，具體設計時，需重點考慮如下2點：①因接收的是微弱地震電磁擾動信號，磁芯的工作狀態處于起始的一段磁化曲線上，因此要求盡量選擇初始磁導率μi高的軟磁材料；②在給定磁芯截面積的情況下，磁芯的長徑比l／d越大，有效磁導率越高，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。

磁芯材料種類較多，特性各異（張甫飛等，2003；陳國鈞，1980），用于地震電磁擾動磁線圈的磁芯材料主要從初始磁導率考慮。表1為磁芯材料主要磁性參數對比。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圈的磁芯。本文選用坡莫合金（1J85）是因為坡莫合金薄帶較軟，更容易加工成疊片磁芯。

表1 磁芯材料主要磁性參數對比

1.4 磁線圈的具體參數

1.4.1 實際加工參數

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

1.4.2 計算和測量得到的參數

通過計算和測量，可得到下列磁線圈參數（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）有效磁導率：約 158；（2）分布電容：約1550pF；（3）帶磁芯電感：約 1925H。

1.4.3 實驗室標定

在實驗室屏蔽環境中使用長直螺線管進行標定，標定裝置示意圖如圖3所示，標定結果如圖4所示。

1.4.4 磁線圈交流分析仿真

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

圖3 標定裝置示意圖

圖4 磁線圈標定結果

圖5 磁線圈交流分析

2 系統設計

2.1 系統設計框圖

磁線圈將被測磁場的磁場信號轉化成電壓信號，前置放大電路對磁線圈輸出的微弱電信號進行補償放大，六階低通濾波電路減少50Hz工頻干擾及地震電磁擾動不敏感的較高頻率成分，后級放大電路為后面的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計，直接影響感應式磁傳感器整體信噪比（圖6）。

圖6 感應式磁傳感器系統設計框圖

2.2 系統噪聲分析

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

感應式磁傳感器的噪聲水平大小直接決定其探測靈敏度，其噪聲來源主要有如下幾個部分：感應線圈熱噪聲、放大器等效電壓噪聲、等效輸入電流噪聲等。在計算噪聲時，需要考慮第一級前置放大電路的噪聲。電路設計如圖8所示。

圖7 天然磁場背景噪聲

圖8 第一級前置放大電路設計

依據10Hz及以下頻率測試條件下電壓噪聲及電流噪聲指標，通過比較 OP27、OP07、TL071、AD820、ADA4627、OP97及 LT1113等運放芯片，考慮到線圈阻抗的影響，篩選出ADA4627和OP07運放芯片，經過測試，10Hz頻率時 ADA4627優于 OP07，但1Hz以下頻率時OP07表現更優異。基于此，選擇OP07運放芯片，分析其電路噪聲。

典型的放大電路與信號源的噪聲等效模型如圖9所示，Zs為線圈源阻抗，Zin為放大器的等效輸入阻抗，es為線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運放芯片為例，分析在10Hz頻率下感應式磁傳感器系統的噪聲水平，計算時設定Zin?Zs，則：①線圈源阻抗：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，線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準單位，代入式（1），即

計算出磁場強度噪聲水平

磁感應強度噪聲水平

通常情況下，地震電磁擾動儀器要求傳感器噪聲水平小于觀測物理量的1／10，才能獲得足夠的信噪比，從圖7可以看出，天然磁場背景噪聲在10Hz時約為，因此，本次設計理論計算上是合理的。

3 實際測試結果

因噪聲水平測試需在“零磁空間”進行，2016年7月，由中國科學院電子學研究所對研制的感應式磁傳感器進行了輸出靈敏度、噪音水平、環境溫度適應性測試，測試結果如表2。

表2 測試結果

4 總結及討論

本文借鑒大地電磁測深的感應式磁傳感器相關技術，在理論計算和仿真的基礎上，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，傳感器具有靈敏度高、噪聲水平低及穩定性好的特點，可以滿足地震電磁擾動觀測的需求。

圖10 靈敏度幅度-頻率曲線

圖11 不同溫度下靈敏度幅度-頻率曲線