CN108594315A - 基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统及观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统及观测方法。宽频带的感应式磁传感器多用于物探等领域，难以直接应用于地震电磁扰动的观测。本发明包括数据采集模块和感应式磁传感器；数据采集模块的核心采用NI数据采集平台；感应式磁传感器包括磁线圈模块和电路模块；磁线圈模块将地震电磁扰动信号转化成电压信号，然后经过电路模块进行前置放大、滤波处理以及后级放大后经NI数据采集平台传输至计算机。本发明根据地震电磁扰动信号的频带特点，设计感应式磁传感器的磁线圈模块和电路模块，将地震电磁扰动信号转化成电压信号，通过NI数据采集平台采集和处理数据，获得低噪声、高灵敏度的信号输出，适合地震电磁扰动的观测。

Description

基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统及观测方法

技术领域

本发明属于地震电磁扰动观测领域，具体涉及一种基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统及观测方法。

背景技术

我国地震电磁扰动观测工作起始于1976年唐山地震后，经过几十年的研究和发展，目前成为一种地震前兆短临异常监测手段，观测频段主要为甚低频(VLF)和超低频(ULF)，频带范围为0.1Hz～10Hz，研究观测地点该频带范围内地表磁场强度随时间的变化。

感应式磁传感器是利用法拉第电磁感应定律测量磁场变化的传感器，是电磁扰动观测的核心部件之一，广泛用于陆地、海洋资源勘探、空间磁场探测等领域。目前国外对感应式磁传感器的研究相对成熟，且有成品在市场上推广，具有宽频带、低噪声等特点。例如，德国Metronix公司的MFS-06e、加拿大Pheonix公司的MTC-80等。近年来在国内磁传感器也取得了较快的发展，例如中科院研制的CAS-10磁传感器，吉林大学、中南大学等单位也从事相关的研究。然而宽频带的感应式磁传感器多用于物探等领域，难以直接应用于地震电磁扰动的观测。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统及观测方法，其中感应式磁传感器具有高灵敏度、低噪声的特点，工作带宽为0.01～30Hz，噪声水平在1Hz时为0.15pT/√Hz，适合地震电磁扰动观测。

本发明基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，包括数据采集模块和感应式磁传感器。所述的数据采集模块的核心采用NI数据采集平台，NI数据采集平台选用单槽NI CompactDAQ USB机箱cDAQ-9171以及连接在该机箱上的NI9239模块。所述的感应式磁传感器包括磁线圈模块和电路模块。磁线圈模块将地震电磁扰动信号转化成电压信号，然后经过电路模块进行前置放大、滤波处理以及后级放大后经NI9239模块传给单槽NICompactDAQ USB机箱cDAQ-9171，再传输至计算机，通过计算机实时显示波形。

所述的磁线圈模块包括磁芯、骨架、感应线圈和外壳；磁芯两端均通过支撑座固定在外壳上，骨架同轴套置在磁芯外；所述的磁芯由多片薄片依次叠放而成；所述的骨架包括一体成型的多个绕线筒和连接筒，绕线筒和连接筒的中心孔均为方孔，相邻绕线筒通过连接筒连接；绕线筒两端均设有轴肩；每个绕线筒上均缠绕感应线圈，所有感应线圈串联后引出输出端。外壳内位于每个感应线圈周围填充非磁性材料。

所述的电路模块包括前置放大电路单元、滤波电路单元和后级放大电路单元；所述的前置放大电路单元包括第一运放芯片U1，第一运放芯片U1的型号为OP07CN。感应线圈的输出端信号线接插座P1的管脚1和管脚2，且感应线圈的输出端屏蔽层通过插座P1的管脚3接地；插座P1的管脚1连接至第一运放芯片U1的管脚2；第一运放芯片U1的管脚2接第一电阻R1及第五电容C5的一端，第一电阻R1及第五电容C5的另一端接第一运放芯片U1的管脚6；插座P1的管脚2连接第一运放芯片U1的管脚3及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接供电脚J3；插座P1的管脚3接地；第一运放芯片U1的管脚4通过第三电阻R3连接供电脚J2；第一运放芯片U1的管脚4接第二电容C2及第四电容C4的一端，第二电容C2及第四电容C4的另一端连接供电脚J3。第一运放芯片U1的管脚7通过第三电阻R4连接供电脚J1；第一运放芯片U1的管脚7接第一电容C1及第三电容C3的一端，第一电容C1及第三电容C3的另一端连接供电脚J3。第一运放芯片U1的管脚6为前置放大电路单元的输出端Vo1。第一运放芯片U1的管脚1、5和8悬空。

所述的滤波电路单元包括第一级滤波电路、第二级滤波电路和第三级滤波电路；所述的第一级滤波电路包括第二运放芯片U2，第二运放芯片U2的型号为ADOP27GN。前置放大电路单元的输出端Vo1通过第五电阻R5和第六电阻R6串联至第二运放芯片U2的管脚3；第二运放芯片U2的管脚3通过第六电容C6连接至供电脚J3；第五电阻R5和第六电阻R6的连接端接第七电容C7及第八电容C8的一端，第七电容C7及第八电容C8的另一端接第二运放芯片U2的管脚6；第二运放芯片U2的管脚2连接第二运放芯片U2的管脚6；第二运放芯片U2的管脚4通过第七电阻R7连接至供电脚J2；第二运放芯片U2的管脚4通过第九电容C9连接至供电脚J3；第二运放芯片U2的管脚7通过第八电阻R8连接至供电脚J1；第二运放芯片U2的管脚7通过第十电容C10连接至供电脚J3；第二运放芯片U2的管脚1、5和8均悬空。

所述的第二级滤波电路包括第三运放芯片U3，第三运放芯片U3的型号为ADOP27GN。第一级滤波电路的第二运放芯片U2的管脚6作为输入端，并通过第九电阻R9和第十电阻R10串联至第三运放芯片U3的管脚3；第三运放芯片U3的管脚3通过第十四电容C14连接至供电脚J3；第九电阻R9和第十电阻R10的连接端接第十一电容C11及第十二电容C12的一端，第十一电容C11及第十二电容C12的另一端连接第三运放芯片U3的管脚6；第三运放芯片U3的管脚2连接第三运放芯片U3的管脚6；第三运放芯片U3的管脚4通过第十一电阻R11连接供电脚J2；第三运放芯片U3的管脚4通过第十三电容C13连接供电脚J3；第三运放芯片U3的管脚7通过第十二电阻R12连接供电脚J1；第三运放芯片U3的管脚7通过第十五电容C15连接至供电脚J3；第三运放芯片U3的管脚1、5和8均悬空。

所述的第三级滤波电路包括第四运放芯片U4，第四运放芯片U4的型号为ADOP27GN。第二级滤波电路的第三运放芯片U3的管脚6作为输入端，并通过第十三电阻R13和第十四电阻R14串联至第四运放芯片U4的管脚3；第四运放芯片U4的管脚3通过第二十电容C20连接供电脚J3；第十三电阻R13和第十四电阻R14的连接端接第十六电容C16、第十七电容C17及第十八电容C18的一端，第十六电容C16、第十七电容C17及第十八电容C18的另一端接第四运放芯片U4的管脚6；第四运放芯片U4的管脚2连接第四运放芯片U4的管脚6；第四运放芯片U4的管脚4通过第十五电阻R15连接供电脚J2；第四运放芯片U4的管脚4通过第十九电容C19连接供电脚J3；第四运放芯片U4的管脚7通过第十六电阻R16连接供电脚J1；第四运放芯片U4的管脚7通过第二十一电容C21连接供电脚J3；第四运放芯片U4的管脚1、5和8均悬空。

所述的前置放大电路单元的输出端Vo1接三芯跳线器P2的管脚2，三芯跳线器P2的管脚1接三芯跳线器P3的管脚1并作为滤波电路单元的输出端Vo2，三芯跳线器P2和三芯跳线器P3的管脚3均悬空；三芯跳线器P3的管脚2接第四运放芯片U4的管脚6。

所述的后级放大电路单元包括第五运放芯片U5，第五运放芯片U5的型号为ADOP27GN。滤波电路单元的输出端Vo2接插座P4、插座P5和插座P6的管脚2，插座P4的管脚1接第十七电阻R17的一端，插座P5的管脚1接第十八电阻R18的一端，插座P6的管脚1接第十九电阻R19的一端；第十七电阻R17、第十八电阻R18及第十九电阻R19的另一端接第五运放芯片U5的管脚2。第五运放芯片U5的管脚2接第二十二电阻R22及第二十六电容C26的一端，第二十二电阻R22及第二十六电容C26的另一端接第五运放芯片U5的管脚6；第五运放芯片U5的管脚3连接供电脚J3；第五运放芯片U5的管脚7通过第二十电阻R20连接供电脚J1；第五运放芯片U5的管脚7通过第二十二电容C22和第二十三电容C23并联回路连接供电脚J3。第五运放芯片U5的管脚4通过第二十一电阻R21连接供电脚J2；第五运放芯片U5的管脚4通过第二十四电容C24和第二十五电容C25并联回路连接供电脚J3。第五运放芯片U5的管脚6通过第二十七电容C27和第二十三电阻R23串联至插座P7的管脚1；插座P7的管脚1作为后级放大电路单元的输出端，并输出信号给NI9239模块；插座P7的管脚2接地；第二十七电容C27采用电解电容，且第二十七电容C27的正极接第五运放芯片U5的管脚6；第五运放芯片U5的管脚1、5和8均悬空。

所述的电路模块的供电电源由供电电路的供电脚J1、J2、J3提供，供电脚J1、J2、J3的供电电压分别为18V、0V、9V。

所述的磁芯整体呈长方形，薄片材料为高磁导率的坡莫合金1J85。

所述的骨架采用酚醛树脂材料；感应线圈用直径为0.29mm的铜漆包线绕制而成，匝数为28000匝，长度为200mm，厚度为19.5mm；外壳采用PVC材料，非磁性材料为泡沫塑料。

所述的第一电阻R1和第二电阻R2均为3.3MΩ；第三电阻R3和第四电阻R4均为3.3Ω；第一电容C1和第二电容C2均为100nF；第三电容C3和第四电容C4均为1μF。

所述的第五电阻R5为1.87kΩ，第六电阻R6为17.8kΩ，第七电阻R7、第八电阻R8、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十五电阻R15、第十六电阻R16均为3.3Ω，第九电阻R9为2.61kΩ，第十电阻R10为18.7kΩ，第十三电阻R13为2.15kΩ，第十四电阻R14为17.8kΩ；第六电容为1μF，第七电容C7、第八电容C8、第十一电容C11、第十二电容C12均为6.8μF，第九电容C9、第十电容C10、第十三电容C13、第十五电容C15、第十九电容C19、第二十一电容C21均为100nF，第十四电容C14为150nF，第十六电容C16为2.2μF，第十七电容C17、第十八电容C18均为10μF，第二十电容为33nF。

所述的第十七电阻R17为100Ω，第十八电阻R18为1kΩ，第十九电阻R19、第二十二电阻R22均为10kΩ，第二十电阻R20、第二十一电阻R21均为3.3Ω，第二十三电阻R23为4.7kΩ；第二十二电容C22、第二十四电容C24、第二十六电容C26均为100nF，第二十三电容C23、第二十五电容C25均为1μF，第二十七电容C27为470μF。

所述的供电电路包括第六运放芯片U6，第六运放芯片U6的型号为TL081CN；电源插座的管脚1接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极接三端稳压器V1的管脚1；三端稳压器V1的型号为MC7818CT；三端稳压器V1的管脚2接电源插座的管脚2；第二十八电容C28的两端分别接三端稳压器V1的管脚1和管脚2。三端稳压器V1的管脚3接第六运放芯片U6的管脚7并作为供电脚J1，第六运放芯片U6的管脚2连接第六运放芯片U6的管脚6并作为供电脚J3；第六运放芯片U6的管脚3通过第二十四电阻R24连接第六运放芯片U6的管脚7；第六运放芯片U6的管脚3通过第二十九电容C29和第二十五电阻R25并联回路接地；第二十九电容C29采用电解电容，且第二十九电容C29的正极接第六运放芯片U6的管脚3；第六运放芯片U6的管脚4接地并作为供电脚J2；第六运放芯片U6的管脚1、5和8均悬空。

所述的第二十四电阻R24、第二十五电阻R25均为3.3MΩ；第二十八电容C28为330nF，第二十九电容C29为100μF，整流二极管D1的型号为1N4004。

该基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统观测地震电磁扰动的方法，具体如下：

采用三个感应式磁传感器；其中两个感应式磁传感器的外壳中心轴线均位于平面A内，分别朝向东西向和南北向，用于东西朝向、南北朝向的磁场观测；另一个感应式磁传感器的外壳中心轴线垂直于平面A，用于垂直于平面A的磁场观测；数据采集模块放置在观测室内，并通过屏蔽线连接感应式磁传感器。感应式磁传感器的磁线圈模块和电路模块采用分体式设计。磁线圈模块密封处理后埋于观测室外的地下，在磁线圈模块周围设置机箱安装电路模块。

前置放大电路单元对感应线圈输出的电压信号进行补偿放大：由于感应线圈阻抗随着地震电磁扰动信号频率的增加而增加，而前置放大电路单元的反馈电阻阻值保持不变，前置放大倍数等于反馈电阻与感应线圈的阻值之比，所以低频时放大倍数大，随着频率的增加，放大倍数逐渐减小。

滤波电路单元减少经前置放大电路单元补偿放大后的电压信号中的50Hz工频干扰及地震电磁扰动信号中不敏感的频率在1kHz以上的成分。滤波电路单元的输入端连接在三芯跳线器P2的管脚2上，三芯跳线器P2的管脚1和三芯跳线器P3的管脚1连接滤波电路单元的输出端Vo2。当三芯跳线器P2的2脚与3脚连接且三芯跳线器P3的1脚与2脚连接时，前置放大电路经过滤波电路单元处理。当三芯跳线器P2的1脚和2脚连接且三芯跳线器P3的2脚和3脚连接时，前置放大电路单元不经过滤波电路单元处理，直接进入后级放大电路单元。

后级放大电路单元接收前置放大电路传来的补偿放大后的电压信号，或接收滤波电路单元过滤后的电压信号，并将电压信号的电压值放大至数据采集模块的采集范围内；后级放大电路单元的反馈电阻阻值设置为10kΩ，第十九电阻R19阻值设置为10kΩ，第十八电阻R18阻值设置为1kΩ，第十七电阻R17阻值设置为100Ω，根据需要对相应的两芯插座连接短路，从而选择后级放大倍数为1倍、10倍或100倍。

本发明的有益效果是：

1、本发明根据地震电磁扰动信号的频带特点，设计感应式磁传感器的磁线圈模块和电路模块，将地震电磁扰动信号转化成电压信号，通过NI数据采集平台采集和处理数据，获得低噪声、高灵敏度的信号输出，适合地震电磁扰动领域的观测。NI数据采集平台具有高可靠性和稳定性。

2、磁感应式传感器前置放大电路部分利用磁线圈的自身特点实现补偿放大，低频时放大倍数较大，随着频率的增加，放大倍数逐渐减小；后级放大电路部分根据观测需要选择相应的后级放大倍数；电路模块设计简单，易于维护和检修；

3、通过两个三芯跳线器的空置或短接切换可以选择对前置放大后的电压信号进行滤波处理，或直接进入后级放大电路单元，便于对滤波电路单元进行测试检查。

4、磁感应传感器结构简单，易于实现密封，线圈可长期埋地观测。

附图说明

图1为本发明中磁线圈模块的结构示意图；

图2为本发明中电路模块的前置放大电路单元电路图；

图3为本发明中电路模块的滤波电路单元电路图；

图4为本发明中电路模块的后级放大电路单元电路图；

图5为本发明中电路模块的供电电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，包括数据采集模块和感应式磁传感器。数据采集模块的核心采用NI数据采集平台，NI数据采集平台选用单槽NICompactDAQ USB机箱cDAQ-9171以及连接在该机箱上的NI9239模块，通用性强，具有较高的稳定性和可靠性。感应式磁传感器包括磁线圈模块和电路模块。磁线圈模块将地震电磁扰动信号转化成电压信号，然后经过电路模块进行前置放大、滤波处理以及后级放大后经NI9239模块传给单槽NI CompactDAQ USB机箱cDAQ-9171，再传输至计算机，通过计算机实时显示波形。

如图1所示，磁线圈模块包括磁芯1、骨架2、感应线圈3和外壳4；磁芯1两端均通过支撑座固定在外壳4上，骨架2同轴套置在磁芯1外；磁芯1由多片薄片依次叠放而成，整体呈长方形，薄片材料为高磁导率的坡莫合金1J85；骨架包括一体成型的多个绕线筒和连接筒，绕线筒和连接筒的中心孔均为方孔，相邻绕线筒通过连接筒连接；绕线筒两端均设有轴肩；感应线圈分段绕制的设计减少了磁线圈模块的分布电容；每个绕线筒上均缠绕感应线圈3，所有感应线圈3串联后引出输出端。骨架采用稳定性好、膨胀系数小的酚醛树脂材料；感应线圈用直径为0.29mm的铜漆包线绕制而成，匝数为28000匝，长度为200mm，厚度为19.5mm。外壳4采用具有较高机械强度的PVC材料，外壳4内位于每个感应线圈周围填充非磁性材料，如泡沫塑料，以利于感应线圈的隔震保护。

如图2、图3、图4所示，电路模块包括前置放大电路单元、滤波电路单元和后级放大电路单元；

如图2所示，前置放大电路单元包括第一运放芯片U1，第一运放芯片U1的型号为OP07CN。感应线圈3的输出端信号线接插座P1的管脚1和管脚2，且感应线圈3的输出端屏蔽层通过插座P1的管脚3接地；插座P1的管脚1连接至第一运放芯片U1的管脚2；第一运放芯片U1的管脚2接第一电阻R1及第五电容C5的一端，第一电阻R1及第五电容C5的另一端接第一运放芯片U1的管脚6；插座P1的管脚2连接第一运放芯片U1的管脚3及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接供电脚J3；插座P1的管脚3接地；第一运放芯片U1的管脚4通过第三电阻R3连接供电脚J2；第一运放芯片U1的管脚4接第二电容C2及第四电容C4的一端，第二电容C2及第四电容C4的另一端连接供电脚J3。第一运放芯片U1的管脚7通过第三电阻R4连接供电脚J1；第一运放芯片U1的管脚7接第一电容C1及第三电容C3的一端，第一电容C1及第三电容C3的另一端连接供电脚J3。第一运放芯片U1的管脚6为前置放大电路单元的输出端Vo1。第一运放芯片U1的管脚1、5和8悬空。

第一电阻R1和第二电阻R2均为3.3MΩ；第三电阻R3和第四电阻R4均为3.3Ω；第一电容C1和第二电容C2均为100nF；第三电容C3和第四电容C4均为1μF。

如图3所示，滤波电路单元包括第一级滤波电路、第二级滤波电路和第三级滤波电路；第一级滤波电路包括第二运放芯片U2，第二运放芯片U2的型号为ADOP27GN。前置放大电路单元的输出端Vo1通过第五电阻R5和第六电阻R6串联至第二运放芯片U2的管脚3；第二运放芯片U2的管脚3通过第六电容C6连接至供电脚J3；第五电阻R5和第六电阻R6的连接端接第七电容C7及第八电容C8的一端，第七电容C7及第八电容C8的另一端接第二运放芯片U2的管脚6；第二运放芯片U2的管脚2连接第二运放芯片U2的管脚6；第二运放芯片U2的管脚4通过第七电阻R7连接至供电脚J2；第二运放芯片U2的管脚4通过第九电容C9连接至供电脚J3；第二运放芯片U2的管脚7通过第八电阻R8连接至供电脚J1；第二运放芯片U2的管脚7通过第十电容C10连接至供电脚J3；第二运放芯片U2的管脚1、5和8均悬空。

第二级滤波电路包括第三运放芯片U3，第三运放芯片U3的型号为ADOP27GN。第一级滤波电路的第二运放芯片U2的管脚6作为输入端，并通过第九电阻R9和第十电阻R10串联至第三运放芯片U3的管脚3；第三运放芯片U3的管脚3通过第十四电容C14连接至供电脚J3；第九电阻R9和第十电阻R10的连接端接第十一电容C11及第十二电容C12的一端，第十一电容C11及第十二电容C12的另一端连接第三运放芯片U3的管脚6；第三运放芯片U3的管脚2连接第三运放芯片U3的管脚6；第三运放芯片U3的管脚4通过第十一电阻R11连接供电脚J2；第三运放芯片U3的管脚4通过第十三电容C13连接供电脚J3；第三运放芯片U3的管脚7通过第十二电阻R12连接供电脚J1；第三运放芯片U3的管脚7通过第十五电容C15连接至供电脚J3；第三运放芯片U3的管脚1、5和8均悬空。

第三级滤波电路包括第四运放芯片U4，第四运放芯片U4的型号为ADOP27GN。第二级滤波电路的第三运放芯片U3的管脚6作为输入端，并通过第十三电阻R13和第十四电阻R14串联至第四运放芯片U4的管脚3；第四运放芯片U4的管脚3通过第二十电容C20连接供电脚J3；第十三电阻R13和第十四电阻R14的连接端接第十六电容C16、第十七电容C17及第十八电容C18的一端，第十六电容C16、第十七电容C17及第十八电容C18的另一端接第四运放芯片U4的管脚6；第四运放芯片U4的管脚2连接第四运放芯片U4的管脚6；第四运放芯片U4的管脚4通过第十五电阻R15连接供电脚J2；第四运放芯片U4的管脚4通过第十九电容C19连接供电脚J3；第四运放芯片U4的管脚7通过第十六电阻R16连接供电脚J1；第四运放芯片U4的管脚7通过第二十一电容C21连接供电脚J3；第四运放芯片U4的管脚1、5和8均悬空。

前置放大电路单元的输出端Vo1接三芯跳线器P2的管脚2，三芯跳线器P2的管脚1接三芯跳线器P3的管脚1并作为滤波电路单元的输出端Vo2，三芯跳线器P2和三芯跳线器P3的管脚3均悬空；三芯跳线器P3的管脚2接第四运放芯片U4的管脚6；通过三芯跳线器P2和三芯跳线器P3的空置或短接切换可以选择对前置放大后的电压信号进行滤波处理，便于对滤波电路单元进行测试检查。

第五电阻R5为1.87kΩ，第六电阻R6为17.8kΩ，第七电阻R7、第八电阻R8、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十五电阻R15、第十六电阻R16均为3.3Ω，第九电阻R9为2.61kΩ，第十电阻R10为18.7kΩ，第十三电阻R13为2.15kΩ，第十四电阻R14为17.8kΩ；第六电容为1μF，第七电容C7、第八电容C8、第十一电容C11、第十二电容C12均为6.8μF，第九电容C9、第十电容C10、第十三电容C13、第十五电容C15、第十九电容C19、第二十一电容C21均为100nF，第十四电容C14为150nF，第十六电容C16为2.2μF，第十七电容C17、第十八电容C18均为10μF，第二十电容为33nF。

如图4所示，后级放大电路单元包括第五运放芯片U5，第五运放芯片U5的型号为ADOP27GN。滤波电路单元的输出端Vo2接插座P4、插座P5和插座P6的管脚2，插座P4的管脚1接第十七电阻R17的一端，插座P5的管脚1接第十八电阻R18的一端，插座P6的管脚1接第十九电阻R19的一端；第十七电阻R17、第十八电阻R18及第十九电阻R19的另一端接第五运放芯片U5的管脚2。通过只对插座P4、P5、P6其中的一个进行短接处理，可选择相应的放大倍数。第五运放芯片U5的管脚2接第二十二电阻R22及第二十六电容C26的一端，第二十二电阻R22及第二十六电容C26的另一端接第五运放芯片U5的管脚6；第五运放芯片U5的管脚3连接供电脚J3；第五运放芯片U5的管脚7通过第二十电阻R20连接供电脚J1；第五运放芯片U5的管脚7通过第二十二电容C22和第二十三电容C23并联回路连接供电脚J3。第五运放芯片U5的管脚4通过第二十一电阻R21连接供电脚J2；第五运放芯片U5的管脚4通过第二十四电容C24和第二十五电容C25并联回路连接供电脚J3。第五运放芯片U5的管脚6通过第二十七电容C27和第二十三电阻R23串联至插座P7的管脚1；插座P7的管脚1作为后级放大电路单元的输出端，并输出信号给NI9239模块；插座P7的管脚2接地；第二十七电容C27采用电解电容，且第二十七电容C27的正极接第五运放芯片U5的管脚6；第五运放芯片U5的管脚1、5和8均悬空。

第十七电阻R17为100Ω，第十八电阻R18为1kΩ，第十九电阻R19、第二十二电阻R22均为10kΩ，第二十电阻R20、第二十一电阻R21均为3.3Ω，第二十三电阻R23为4.7kΩ；第二十二电容C22、第二十四电容C24、第二十六电容C26均为100nF，第二十三电容C23、第二十五电容C25均为1μF，第二十七电容C27为470μF。

如图5所示，电路模块的供电电源由供电电路的供电脚J1、J2、J3提供，供电脚J1、J2、J3的供电电压分别为18V、0V、9V。供电电路包括第六运放芯片U6，第六运放芯片U6的型号为TL081CN；电源插座(PWR2.5)的管脚1接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极接三端稳压器V1的管脚1；三端稳压器V1的型号为MC7818CT；三端稳压器V1的管脚2接电源插座的管脚2；第二十八电容C28的两端分别接三端稳压器V1的管脚1和管脚2。三端稳压器V1的管脚3接第六运放芯片U6的管脚7并作为供电脚J1，第六运放芯片U6的管脚2连接第六运放芯片U6的管脚6并作为供电脚J3；第六运放芯片U6的管脚3通过第二十四电阻R24连接第六运放芯片U6的管脚7；第六运放芯片U6的管脚3通过第二十九电容C29和第二十五电阻R25并联回路接地；第二十九电容C29采用电解电容，且第二十九电容C29的正极接第六运放芯片U6的管脚3；第六运放芯片U6的管脚4接地并作为供电脚J2；第六运放芯片U6的管脚1、5和8均悬空。

第二十四电阻R24、第二十五电阻R25均为3.3MΩ；第二十八电容C28为330nF，第二十九电容C29为100μF，整流二极管D1的型号为1N4004。

该基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统观测地震电磁扰动的方法，具体如下：

采用三个感应式磁传感器；其中两个感应式磁传感器的外壳4中心轴线均位于平面A内，分别朝向东西向和南北向，用于东西朝向、南北朝向的磁场观测；另一个感应式磁传感器的外壳4中心轴线垂直于平面A，用于垂直于平面A的磁场观测；数据采集模块放置在观测室内，并通过屏蔽线连接感应式磁传感器。感应式磁传感器的磁线圈模块和电路模块采用分体式设计，便于地震电磁扰动信号的长期观测和日常维护。磁线圈模块密封处理后埋于观测室外的地下，在磁线圈模块周围设置机箱安装电路模块，机箱做好防护，包括防雨、防破坏等。

前置放大电路单元对感应线圈3输出的电压信号进行补偿放大，直接影响感应式磁传感器整体的信噪比。根据磁线圈模块的等效电路幅频特性和相频特性可知，感应线圈阻抗随着地震电磁扰动信号频率的增加而增加，而前置放大电路单元的反馈电阻(第一电阻R1)阻值一定，前置放大倍数等于反馈电阻与感应线圈的阻值之比。利用感应线圈的自身特点实现补偿放大，低频时放大倍数较大，随着频率的增加，放大倍数逐渐减小。

滤波电路单元减少经前置放大电路单元补偿放大后的电压信号中的50Hz工频干扰及地震电磁扰动信号中不敏感的较高频率(1kHz以上)成分。滤波电路单元的输入端连接在三芯跳线器P2的管脚2上，三芯跳线器P2的管脚1和三芯跳线器P3的管脚1连接滤波电路单元的输出端Vo2。当三芯跳线器P2的2脚与3脚连接且三芯跳线器P3的1脚与2脚连接时，前置放大电路经过滤波电路单元处理。当三芯跳线器P2的1脚和2脚连接且三芯跳线器P3的2脚和3脚连接时，前置放大电路单元不经过滤波电路单元处理，直接进入后级放大电路单元。通过该设计，便于滤波电路单元的测试和检查。

后级放大电路单元接收前置放大电路传来的补偿放大后的电压信号，或接收滤波电路单元过滤后的电压信号，并将电压信号的电压值放大至数据采集模块的采集范围内；后级放大电路单元选用ADOP27GN型号的运放芯片，反馈电阻(第二十二电阻R22)阻值设置为10kΩ，通过在运放的反相端分别通过两芯的插座串联10kΩ电阻(第十九电阻R19)、1kΩ电阻(第十八电阻R18)、100Ω电阻(第十七电阻R17)，根据需要对相应的两芯插座连接短路，选择后级放大倍数为1倍、10倍或100倍。

本发明设计的感应式磁传感器采用高磁导率坡莫合金作为磁芯材料，电路通过前置放大、滤波处理和后级放大设计，传感器灵敏度高、噪声水平低；数据采集模块采用NI数据采集平台将数据传输并存储到计算机，通过计算机实时显示波形，稳定性高、可靠性强，较好地满足地震电磁扰动观测的需求。

Claims (9)

1.基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，包括数据采集模块和感应式磁传感器，其特征在于：所述的数据采集模块的核心采用NI数据采集平台，NI数据采集平台选用单槽NI CompactDAQ USB机箱cDAQ-9171以及连接在该机箱上的NI9239模块；所述的感应式磁传感器包括磁线圈模块和电路模块；磁线圈模块将地震电磁扰动信号转化成电压信号，然后经过电路模块进行前置放大、滤波处理以及后级放大后经NI9239模块传给单槽NICompactDAQ USB机箱cDAQ-9171，再传输至计算机，通过计算机实时显示波形；

所述的磁线圈模块包括磁芯、骨架、感应线圈和外壳；磁芯两端均通过支撑座固定在外壳上，骨架同轴套置在磁芯外；所述的磁芯由多片薄片依次叠放而成；所述的骨架包括一体成型的多个绕线筒和连接筒，绕线筒和连接筒的中心孔均为方孔，相邻绕线筒通过连接筒连接；绕线筒两端均设有轴肩；每个绕线筒上均缠绕感应线圈，所有感应线圈串联后引出输出端；外壳内位于每个感应线圈周围填充非磁性材料；

所述的电路模块包括前置放大电路单元、滤波电路单元和后级放大电路单元；所述的前置放大电路单元包括第一运放芯片U1，第一运放芯片U1的型号为OP07CN；感应线圈的输出端信号线接插座P1的管脚1和管脚2，且感应线圈的输出端屏蔽层通过插座P1的管脚3接地；插座P1的管脚1连接至第一运放芯片U1的管脚2；第一运放芯片U1的管脚2接第一电阻R1及第五电容C5的一端，第一电阻R1及第五电容C5的另一端接第一运放芯片U1的管脚6；插座P1的管脚2连接第一运放芯片U1的管脚3及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接供电脚J3；插座P1的管脚3接地；第一运放芯片U1的管脚4通过第三电阻R3连接供电脚J2；第一运放芯片U1的管脚4接第二电容C2及第四电容C4的一端，第二电容C2及第四电容C4的另一端连接供电脚J3；第一运放芯片U1的管脚7通过第三电阻R4连接供电脚J1；第一运放芯片U1的管脚7接第一电容C1及第三电容C3的一端，第一电容C1及第三电容C3的另一端连接供电脚J3；第一运放芯片U1的管脚6为前置放大电路单元的输出端Vo1；第一运放芯片U1的管脚1、5和8悬空；

所述的滤波电路单元包括第一级滤波电路、第二级滤波电路和第三级滤波电路；所述的第一级滤波电路包括第二运放芯片U2，第二运放芯片U2的型号为ADOP27GN；前置放大电路单元的输出端Vo1通过第五电阻R5和第六电阻R6串联至第二运放芯片U2的管脚3；第二运放芯片U2的管脚3通过第六电容C6连接至供电脚J3；第五电阻R5和第六电阻R6的连接端接第七电容C7及第八电容C8的一端，第七电容C7及第八电容C8的另一端接第二运放芯片U2的管脚6；第二运放芯片U2的管脚2连接第二运放芯片U2的管脚6；第二运放芯片U2的管脚4通过第七电阻R7连接至供电脚J2；第二运放芯片U2的管脚4通过第九电容C9连接至供电脚J3；第二运放芯片U2的管脚7通过第八电阻R8连接至供电脚J1；第二运放芯片U2的管脚7通过第十电容C10连接至供电脚J3；第二运放芯片U2的管脚1、5和8均悬空；

所述的第二级滤波电路包括第三运放芯片U3，第三运放芯片U3的型号为ADOP27GN；第一级滤波电路的第二运放芯片U2的管脚6作为输入端，并通过第九电阻R9和第十电阻R10串联至第三运放芯片U3的管脚3；第三运放芯片U3的管脚3通过第十四电容C14连接至供电脚J3；第九电阻R9和第十电阻R10的连接端接第十一电容C11及第十二电容C12的一端，第十一电容C11及第十二电容C12的另一端连接第三运放芯片U3的管脚6；第三运放芯片U3的管脚2连接第三运放芯片U3的管脚6；第三运放芯片U3的管脚4通过第十一电阻R11连接供电脚J2；第三运放芯片U3的管脚4通过第十三电容C13连接供电脚J3；第三运放芯片U3的管脚7通过第十二电阻R12连接供电脚J1；第三运放芯片U3的管脚7通过第十五电容C15连接至供电脚J3；第三运放芯片U3的管脚1、5和8均悬空；

所述的第三级滤波电路包括第四运放芯片U4，第四运放芯片U4的型号为ADOP27GN；第二级滤波电路的第三运放芯片U3的管脚6作为输入端，并通过第十三电阻R13和第十四电阻R14串联至第四运放芯片U4的管脚3；第四运放芯片U4的管脚3通过第二十电容C20连接供电脚J3；第十三电阻R13和第十四电阻R14的连接端接第十六电容C16、第十七电容C17及第十八电容C18的一端，第十六电容C16、第十七电容C17及第十八电容C18的另一端接第四运放芯片U4的管脚6；第四运放芯片U4的管脚2连接第四运放芯片U4的管脚6；第四运放芯片U4的管脚4通过第十五电阻R15连接供电脚J2；第四运放芯片U4的管脚4通过第十九电容C19连接供电脚J3；第四运放芯片U4的管脚7通过第十六电阻R16连接供电脚J1；第四运放芯片U4的管脚7通过第二十一电容C21连接供电脚J3；第四运放芯片U4的管脚1、5和8均悬空；

所述的前置放大电路单元的输出端Vo1接三芯跳线器P2的管脚2，三芯跳线器P2的管脚1接三芯跳线器P3的管脚1并作为滤波电路单元的输出端Vo2，三芯跳线器P2和三芯跳线器P3的管脚3均悬空；三芯跳线器P3的管脚2接第四运放芯片U4的管脚6；

所述的后级放大电路单元包括第五运放芯片U5，第五运放芯片U5的型号为ADOP27GN；滤波电路单元的输出端Vo2接插座P4、插座P5和插座P6的管脚2，插座P4的管脚1接第十七电阻R17的一端，插座P5的管脚1接第十八电阻R18的一端，插座P6的管脚1接第十九电阻R19的一端；第十七电阻R17、第十八电阻R18及第十九电阻R19的另一端接第五运放芯片U5的管脚2；第五运放芯片U5的管脚2接第二十二电阻R22及第二十六电容C26的一端，第二十二电阻R22及第二十六电容C26的另一端接第五运放芯片U5的管脚6；第五运放芯片U5的管脚3连接供电脚J3；第五运放芯片U5的管脚7通过第二十电阻R20连接供电脚J1；第五运放芯片U5的管脚7通过第二十二电容C22和第二十三电容C23并联回路连接供电脚J3；第五运放芯片U5的管脚4通过第二十一电阻R21连接供电脚J2；第五运放芯片U5的管脚4通过第二十四电容C24和第二十五电容C25并联回路连接供电脚J3；第五运放芯片U5的管脚6通过第二十七电容C27和第二十三电阻R23串联至插座P7的管脚1；插座P7的管脚1作为后级放大电路单元的输出端，并输出信号给NI9239模块；插座P7的管脚2接地；第二十七电容C27采用电解电容，且第二十七电容C27的正极接第五运放芯片U5的管脚6；第五运放芯片U5的管脚1、5和8均悬空；

所述的电路模块的供电电源由供电电路的供电脚J1、J2、J3提供，供电脚J1、J2、J3的供电电压分别为18V、0V、9V。

2.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的磁芯整体呈长方形，薄片材料为高磁导率的坡莫合金1J85。

3.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的骨架采用酚醛树脂材料；感应线圈用直径为0.29mm的铜漆包线绕制而成，匝数为28000匝，长度为200mm，厚度为19.5mm；外壳采用PVC材料，非磁性材料为泡沫塑料。

4.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的第一电阻R1和第二电阻R2均为3.3MΩ；第三电阻R3和第四电阻R4均为3.3Ω；第一电容C1和第二电容C2均为100nF；第三电容C3和第四电容C4均为1μF。

5.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的第五电阻R5为1.87kΩ，第六电阻R6为17.8kΩ，第七电阻R7、第八电阻R8、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十五电阻R15、第十六电阻R16均为3.3Ω，第九电阻R9为2.61kΩ，第十电阻R10为18.7kΩ，第十三电阻R13为2.15kΩ，第十四电阻R14为17.8kΩ；第六电容为1μF，第七电容C7、第八电容C8、第十一电容C11、第十二电容C12均为6.8μF，第九电容C9、第十电容C10、第十三电容C13、第十五电容C15、第十九电容C19、第二十一电容C21均为100nF，第十四电容C14为150nF，第十六电容C16为2.2μF，第十七电容C17、第十八电容C18均为10μF，第二十电容为33nF。

6.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的第十七电阻R17为100Ω，第十八电阻R18为1kΩ，第十九电阻R19、第二十二电阻R22均为10kΩ，第二十电阻R20、第二十一电阻R21均为3.3Ω，第二十三电阻R23为4.7kΩ；第二十二电容C22、第二十四电容C24、第二十六电容C26均为100nF，第二十三电容C23、第二十五电容C25均为1μF，第二十七电容C27为470μF。

7.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的供电电路包括第六运放芯片U6，第六运放芯片U6的型号为TL081CN；电源插座的管脚1接整流二极管D1的正极，整流二极管D1的负极接三端稳压器V1的管脚1；三端稳压器V1的型号为MC7818CT；三端稳压器V1的管脚2接电源插座的管脚2；第二十八电容C28的两端分别接三端稳压器V1的管脚1和管脚2；三端稳压器V1的管脚3接第六运放芯片U6的管脚7并作为供电脚J1，第六运放芯片U6的管脚2连接第六运放芯片U6的管脚6并作为供电脚J3；第六运放芯片U6的管脚3通过第二十四电阻R24连接第六运放芯片U6的管脚7；第六运放芯片U6的管脚3通过第二十九电容C29和第二十五电阻R25并联回路接地；第二十九电容C29采用电解电容，且第二十九电容C29的正极接第六运放芯片U6的管脚3；第六运放芯片U6的管脚4接地并作为供电脚J2；第六运放芯片U6的管脚1、5和8均悬空。

8.根据权利要求7所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统，其特征在于：所述的第二十四电阻R24、第二十五电阻R25均为3.3MΩ；第二十八电容C28为330nF，第二十九电容C29为100μF，整流二极管D1的型号为1N4004。

9.根据权利要求1所述的基于感应式磁传感器的地震电磁扰动观测系统观测地震电磁扰动的方法，其特征在于：该方法具体如下：

采用三个感应式磁传感器；其中两个感应式磁传感器的外壳中心轴线均位于平面A内，分别朝向东西向和南北向，用于东西朝向、南北朝向的磁场观测；另一个感应式磁传感器的外壳中心轴线垂直于平面A，用于垂直于平面A的磁场观测；数据采集模块放置在观测室内，并通过屏蔽线连接感应式磁传感器；感应式磁传感器的磁线圈模块和电路模块采用分体式设计；磁线圈模块密封处理后埋于观测室外的地下，在磁线圈模块周围设置机箱安装电路模块；

前置放大电路单元对感应线圈输出的电压信号进行补偿放大：由于感应线圈阻抗随着地震电磁扰动信号频率的增加而增加，而前置放大电路单元的反馈电阻阻值保持不变，前置放大倍数等于反馈电阻与感应线圈的阻值之比，所以低频时放大倍数大，随着频率的增加，放大倍数逐渐减小；

滤波电路单元减少经前置放大电路单元补偿放大后的电压信号中的50Hz工频干扰及地震电磁扰动信号中不敏感的频率在1kHz以上的成分；滤波电路单元的输入端连接在三芯跳线器P2的管脚2上，三芯跳线器P2的管脚1和三芯跳线器P3的管脚1连接滤波电路单元的输出端Vo2；当三芯跳线器P2的2脚与3脚连接且三芯跳线器P3的1脚与2脚连接时，前置放大电路经过滤波电路单元处理；当三芯跳线器P2的1脚和2脚连接且三芯跳线器P3的2脚和3脚连接时，前置放大电路单元不经过滤波电路单元处理，直接进入后级放大电路单元；

后级放大电路单元接收前置放大电路传来的补偿放大后的电压信号，或接收滤波电路单元过滤后的电压信号，并将电压信号的电压值放大至数据采集模块的采集范围内；后级放大电路单元的反馈电阻阻值设置为10kΩ，第十九电阻R19阻值设置为10kΩ，第十八电阻R18阻值设置为1kΩ，第十七电阻R17阻值设置为100Ω，根据需要对相应的两芯插座连接短路，从而选择后级放大倍数为1倍、10倍或100倍。