CN202182950U

CN202182950U - 台阵式磁通门磁力仪

Info

Publication number: CN202182950U
Application number: CN2011202720422U
Authority: CN
Inventors: 滕云田; 王晓美; 王晨; 吴琼; 张炼; 胡星星; 范晓勇
Original assignee: INSTITUTE OF GEOPHOSICS OF CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION
Current assignee: INSTITUTE OF GEOPHOSICS OF CHINA EARTHQUAKE ADMINISTRATION
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-07-29

Abstract

本实用新型公开了一种台阵式磁通门磁力仪，包括三分量磁通门探头，以及一体结构的模拟信号处理单元和主机单元。其中，模拟信号处理单元中利用数模转换模块和准恒流源使设置在感应线圈外围的补偿线圈产生一个大小相同、方向相反的补偿磁场，以抵消绝大部分的外界自然磁场，从而使探头工作在近零场状态，提高了仪器的测量灵敏度，改善了仪器的温度性能。一体化结构设计，大大缩小了磁力仪的体积，而设置在主机单元上的GPS接收/授时模块和网络接口，还可实现远程资源共享和观测数据采集、存储等。整个结构设计合理、使用方便，特别适于在野外环境下建立地磁台阵使用。

Description

台阵式磁通门磁力仪

技术领域

本实用新型涉及一种适用于野外流动观测的台阵式磁通门磁力仪，属于地磁观测设备领域。

背景技术

地磁观测是地磁学科研究和发展的基础，是人们获得和应用地磁场信息的来源。地磁观测的任务是保证连续、完整、准确、可靠地记录各种地磁现象，即地磁场的各种时间变化和空间分布规律，包括变化量极小和区域性极强的震磁信息。

中国常规的地磁台网是为了监测大背景的地磁场变化而建，相对于地震地磁前兆异常监测工作的需要来说，地磁台网的台站间距太大。因此，在小区域内建设地磁台阵，加密布设高灵敏度矢量磁力仪，以监测地震危险区的地磁变化，对实现地震的短临预测和震后快速跟踪就显得尤为必要。

磁通门磁力仪是上世纪20年代兴起的弱磁场测量设备，并因其灵敏度高、频带宽、易于实现数字化等优点，目前已经成为地磁相对记录的典型设备，广泛应用于地磁观测台站，测量地磁场水平、垂直和偏角三个方向的相对变化。但现有使用的磁通门磁力仪体积较大，不适于野外环境下灵活使用，给台阵组网过程带来不便；同时，国内的同类磁通门传感器结构中，感应线圈同时也作为补偿线圈，其缺点为：当补偿电流较大时，且由于横场效应的存在，将使得磁传感器产生非线性感应，从而产生零点漂移。

如何对台阵式磁通门磁力仪进行结构改进，提高信号处理过程的前提下，满足野外环境使用的需要，就成为本实用新型所要解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术和结构的不足，本实用新型旨在提供一种信号处理质量好、频带宽、灵敏度高、结构小巧、使用灵活的台阵式磁通门磁力仪，以满足野外环境下建立地磁台阵的使用需要。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

台阵式磁通门磁力仪，包括三分量磁通门探头、一体结构的模拟信号处理单元和主机单元，模拟信号处理单元分别与三分量磁通门探头的信号输出端和主机单元的信号输入端连接。

模拟信号处理单元对三分量磁通门探头输出的模拟信号进行调制处理，转换成数字信号后传送到主机单元中。

主机单元发出控制指令，接收观测数据并进行高斯滤波、存储，并利用网络接口将处理后探测信号向上级的观测中心远程传送。

所述三分量磁通门探头中三个方向的磁通门传感器分别包括磁芯、磁芯骨架、激励线圈、托盘、感应线圈、补偿线圈和线圈骨架，磁芯骨架为环形结构，磁芯骨架的横截面形状为U形，磁芯骨架固定在托盘上。磁芯缠绕在U形磁芯骨架内，激励线圈缠绕在磁芯骨架外。托盘插接在线圈骨架内，线圈骨架外围依次缠绕着感应线圈和补偿线圈，感应线圈、补偿线圈和激励线圈通过信号输出端分别与模拟信号处理单元连通。

所述磁芯为软磁薄带磁芯。

所述模拟信号处理单元包括与三分量磁通门探头输出端顺序连接的前置选频放大器、鉴相器、积分器、低频滤波器、模数转换模块和单片机，以及顺序连接在单片机与三分量磁通门探头回路上的数模转换模块和准恒流源，准恒流源的输出端连接在补偿线圈上，用于通过补偿线圈产生人工磁场；还包括负反馈网络，负反馈网络的输入端连接在积分器与低频滤波器之间，输出端连接在线圈骨架的补偿线圈上；还包括激励电路和倍频电路，倍频电路的输出端连接在鉴相器上，激励电路的两个输出端分别与激励线圈和倍频电路的输入端连接；单片机的输出端连接在主机单元上。

所述主机单元为基于X86架构的微处理器，主机板上还设有GPS接收/授时模块和网络接口，GPS接收/授时模块用于GPS卫星定位和授时，网络接口用于与外界进行远程信息传送。

本实用新型所述的台阵式磁通门磁力仪，利用数模转换模块和准恒流源使设置在感应线圈外围的补偿线圈产生一个大小相同、方向相反的补偿磁场，以抵消绝大部分的外界自然磁场，从而使探头工作在近零场状态，提高了仪器的测量灵敏度，改善了仪器的温度性能。同时，模拟信号处理单元与嵌入式主机单元的一体化结构设计，还大大简化了磁力仪的结构、缩小了体积，使其更适应野外环境下的流动观测使用需要，为建立地磁台阵提供了有利条件。设置在主机单元上的GPS接收/授时模块和网络接口，不仅保证了探测地点和时间的准确性，还通过网络接口实现探测信息的快速共享和及时传送，并且实现各节点磁通门磁力仪的远程监控和使用，保证了观测数据的质量，提高了操控灵活性和使用方便性，其整个结构特别适于在野外环境下建立地磁台阵使用。

附图说明

图1为本实用新型所述三分量磁通门探头的结构示意图；

图2为本实用新型所述磁通门传感器的装配结构示意图；

图3为本实用新型所述模拟信号处理单元和主机单元的结构原理简图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：

本实用新型所述的台阵式磁通门磁力仪，包括三分量磁通门探头、模拟信号处理单元和主机单元。模拟信号处理单元分别与三分量磁通门探头的信号输出端和主机单元的信号输入端连接，其中，模拟信号处理单元和主机单元被设计成一体结构，这样可以大大缩小磁力仪的体积，提高使用灵活性，利于建立地磁台阵。

如图1所示，相互正交的三分量磁通门探头包括：磁通门传感器H分量6、磁通门传感器Z分量7、磁通门传感器D分量5、温度传感器8、骨架2、信号接线板4、基座3、垫脚、上盖1和信号插头9。骨架2用于支撑东西、南北和垂直三个方向的磁通门传感器、温度传感器8和信号接线板4，上盖1将三方向磁通门传感器、温度传感器8、信号接线板4、骨架2密封在基座3内，保证了探头在户外使用的可靠性和安全性。

如图2所示，为进一步提高三方向磁通门磁力仪探测的准确性和灵敏性，在三个方向的磁通门传感器上还分别包括磁芯17、磁芯骨架15、激励线圈14、托盘16、感应线圈11、补偿线圈13和线圈骨架12。其中，磁芯骨架15为环形结构，磁芯骨架15采用高塑性、较高持久蠕变强度的GH128合金制成，磁芯骨架15的横截面形状为U形，内围缠绕软磁薄带磁芯17，磁芯17采用高导磁率的1J86坡莫合金制成，并经高温退磁处理后形成，从而能显著提高磁通门传感器的敏感性和灵敏度。磁芯骨架15固定在托盘16上，激励线圈14缠绕在磁芯骨架15外。线圈骨架12采用低温度系数的玻璃钢制成，托盘16插接在线圈骨架12内，线圈骨架12外围依次缠绕着感应线圈11和补偿线圈13。补偿线圈13可以补偿抵消绝大部分地磁场的基本量，使传感器工作在零场附近，提高仪器的测量灵敏度，改善仪器的温度性能。

如图3所示，模拟信号处理单元包括与三分量磁通门探头输出端顺序连接的前置选频放大器、鉴相器、积分器、低频滤波器、24位模数转换芯片的模数转换模块和单片机，以及顺序连接在单片机和三分量磁通门探头连接回路上的16位数模转换芯片的数模转换模块和准恒流源，同时，还包括单独连接、起到独立调控作用的负反馈网络、激励电路和倍频电路。模拟信号处理单元主要负责对三分量磁通门探头输出的模拟信号进行调制处理，转换成数字信号后传送到主机单元中。

其中，负反馈网络的输入端连接在积分器与低频滤波器之间，输出端与探头内线圈骨架上的补偿线圈连通，从而形成闭环回路。数模转换模块一端与单片机连接，接收命令指令，另一端与准恒流源连接，准恒流源的输出端与探头内线圈骨架上的补偿线圈连通，从而产生一定量的人工磁场，使磁通门传感器上产生补偿或抵消绝大部分地磁场的基本量，使传感器工作在零场附近。

在激励电路和倍频电路组成的支路上，倍频电路的输出端连接在鉴相器上，激励电路的两个输出端分别与激励线圈和倍频电路的输入端连接。激励电路用于为激励线圈提供激励信号，驱动磁芯饱和与非饱和状态。倍频电路用于信号工作频率的提高，为鉴相器提供参考信号。

单片机的输出端连接在主机单元上，单片机采用51单片机，采集信息向主机单元输出，并接受来自主机单元的控制命令。

主机单元用于发出控制指令、进行数据整理，并利用网络接口将处理后探测信息向外界远程传送，以实现信息的有效收集、整理、存储和共享。主机单元为基于X86架构的微处理器，主机板上设有GPS接收/授时模块和网络接口。

主机上的处理器作为主机单元的核心，负责数据运算、处理，并发出控制指令，实现各部分协调工作。处理器采用低功耗、高性能的基于X86架构IntelPXA255的处理器，Linux操作系统的内核并完成优化精简，仅保留嵌入式系统所需的功能支持模块，删除不需要的功能模块，重新进行编译而成。

GPS接收/授时模块用于GPS卫星定位和授时，以确定出各个磁力仪在地磁台阵中的位置信息，保证台阵分布在所需的测量位置上；同时，通过授时完成各个磁力仪的时间统一控制，保证测量过程在时间上的一致性。

网络接口用于与外界进行远程信息传送。主机板上具有基于以太网接口的网络化通信功能，通过互联网来传输监控命令、实现远程计算机与观测仪器之间的数据交换，简化操控过程，方便野外环境下监控、使用。

当然，主机板上还设有常用的数据存储器、显示接口、打印接口、串联接口、以及其它外围模块电路等必不可少的辅助模块，以保证主机的各项功能完备。

在实际探测过程中，磁通门磁力仪按所需测量的方位进行台阵式分布，并接受GPS定位和授时后开始工作。探测时，模拟信号处理单元中的激励电路采用温补晶振，产生标准的方波信号，经倍频后，驱动三分量磁通门探头中的激励线圈，形成激励信号。磁通门传感器在激励信号的作用下，感应线圈输出包含地磁场H、Z、D三分量变化信息的激励信号二次谐波，交变信号经模拟信号处理单元中的前置选频放大器、鉴相器、积分器和低通滤波器的处理，形成正比于对应磁场三个分量的准直流电压信号，然后输入至模数转换模块中，经数字化转换后，实现了三通道磁观测分量和一通道温度分量的数字化输出。为提高三分量磁通门探头检测地磁场微弱变化场的灵敏度和分辨力，模拟信号处理单元中的数模转换模块、准恒流源给磁通门传感器的补偿线圈施加一定的电流值，产生一个大小相同、方向相反的补偿磁场，以抵消绝大部分的外界自然磁场，从而使探头工作在近零场状态。输出的三通道磁观测分量和一通道温度分量信号被单片机采集后，最终传送到主机单元的处理器上，在处理器的协调处理下，完成一次地磁微弱变化的采集、存储过程。随着时间推移，采集过程不断进行，最终形成不同时间段、不同地点地磁变化情况的探测统计数据表，以供后期研究和分析使用。当然，位于主机板上的数据信息还可通过网络接口与外界进行远程传输，以实现资源共享，同时，通过网络接口还可接受来自远端的控制指令，实现对台阵式磁通门磁力仪的远程监控和使用。

Claims

1.台阵式磁通门磁力仪，包括三分量磁通门探头，其特征在于，包括一体结构的模拟信号处理单元和主机单元，所述模拟信号处理单元分别与三分量磁通门探头的信号输出端和主机单元的信号输入端连接；

所述模拟信号处理单元对三分量磁通门探头输出的模拟信号进行调制处理，转换成数字信号后传送到主机单元中；

所述主机单元发出控制指令，接收观测数据并进行高斯滤波、存储，并利用网络接口将处理后探测信号向上级的观测中心远程传送。

2.根据权利要求1所述的台阵式磁通门磁力仪，其特征在于，所述三分量磁通门探头中三个方向的磁通门传感器分别包括磁芯、磁芯骨架、激励线圈、托盘、感应线圈、补偿线圈和线圈骨架，所述磁芯骨架为环形结构，磁芯骨架的横截面形状为U形，磁芯骨架固定在托盘上；所述磁芯缠绕在U形磁芯骨架内，激励线圈缠绕在磁芯骨架外；所述托盘插接在线圈骨架内，线圈骨架外围依次缠绕着感应线圈和补偿线圈，感应线圈、补偿线圈和激励线圈通过信号输出端分别与模拟信号处理单元连通。

3.根据权利要求2所述的台阵式磁通门磁力仪，其特征在于，所述磁芯为软磁薄带磁芯。

4.根据权利要求1所述的台阵式磁通门磁力仪，其特征在于，所述模拟信号处理单元包括与三分量磁通门探头输出端顺序连接的前置选频放大器、鉴相器、积分器、低频滤波器、模数转换模块和单片机，以及顺序连接在单片机与三分量磁通门探头回路上的数模转换模块和准恒流源，所述准恒流源的输出端连接在补偿线圈上，用于通过补偿线圈产生人工磁场；还包括负反馈网络，所述负反馈网络的输入端连接在积分器与低频滤波器之间，输出端连接在线圈骨架的补偿线圈上；还包括激励电路和倍频电路，所述倍频电路的输出端连接在鉴相器上，激励电路的两个输出端分别与激励线圈和倍频电路的输入端连接；所述单片机的输出端连接在主机单元上。

5.根据权利要求1所述的台阵式磁通门磁力仪，其特征在于，所述主机单元为基于X86架构的微处理器，主机板上还设有GPS接收/授时模块和网络接口；所述GPS接收/授时模块用于GPS卫星定位和授时；所述网络接口用于与外界进行远程信息传送。