基于磁负反馈及斩波放大的地震电磁扰动感应式磁传感器的研制

刘 燕, 卢 永, 刘 静, 黄永明*

(1. 南京工程学院工业中心, 南京 211167; 2. 江苏省地震局, 南京 210014; 3. 东南大学自动化学院, 南京 210096)

地震灾害预测一直是最紧迫的科学问题．电磁场的变化作为一种前兆异常现象, 早已引起学者们的注意[1-2]．感应式磁传感器作为电磁扰动监测中的主要传感单元,其研制备受关注,在线圈和电路优化方面成果颇丰[3-5]．长期以来,我国感应式磁传感器多依赖于德国、乌克兰等国家的产品, 故价格昂贵[6]．实现感应式磁传感器的自主研发尤为重要．近年来,国内多个团队在该方面进行了研究．中国科学院团队研制了适合于开展针对用于大地电磁测深和可控源音频大地电磁测深等方法的感应式磁传感器[7-10], 高频可达10 kHz,平坦部分灵敏度达100 V·μT-1; 雍珊珊等[11]设计了一款频率范围为0.1 Hz～10 kHz的感应式磁传感器,灵敏度大于20 V·μT-1．卢永等[12]设计了工作带宽为0.01 Hz～30 Hz的感应式磁传感器．然而上述感应式磁传感器在电磁扰动观测方面仍有较大的提升空间: 1) 工作频率不够低,无法满足地震电磁扰动观测DC～10 Hz的频带要求; 2) 灵敏度虽已达到最低要求,但对于极低频信号,须进一步提高灵敏度以获取更为准确的信息．针对上述问题, 本文拟作出如下改进:采用自行设计的斩波稳零放大电路作为感应式磁传感器的极低频微弱信号检测电路,有效抑制直流漂移和低频1/f噪声; 采用磁通负反馈和电路反馈相结合的双反馈结构, 在提高灵敏度的同时,保证感应式磁传感器的工作带宽符合标准．

1 感应式磁传感器的工作原理

用于监测地磁扰动前兆的感应式磁传感器由磁线圈(包含磁芯、感应线圈和反馈线圈)、放大电路和控制电路等组成,其基本结构如图1所示．

感应式磁传感器是根据法拉第电磁感应定律研制而成．当匝数为N,有效截面积为S的线圈被放置在随时间变化的磁场中时,线圈两端输出感应电动势[11]

(1)

式中Φ为通过线圈的磁通量大小,μapp为磁芯的有效磁导率,B为磁感应强度．据分析,地震发生前的电磁扰动可以通过线圈输出的感应电动势变化来表示．

2 磁传感器的磁线圈设计

2.1 磁通负反馈设计

图2 基于磁通负反馈的磁传感器等效电路Fig.2 Sensor equivalent circuit based on flux negative feedback

采用磁通负反馈处理后的感应式磁传感器的等效电路[9]如图2所示．图中, 感应线圈和反馈线圈为相反绕向,Rfb,Rs,Rsc分别为反馈回路的反馈电阻、反馈线圈的热电阻以及感应线圈的热电阻,G为放大电路增益,Ui为放大电路的输入电压值,Uo为放大电路的输出电压,Ls,Lp分别为反馈线圈的等效电感和感应线圈的等效电感,M为反馈线圈和感应线圈的互感,C为感应线圈的分布电容．

据分析可知, 该等效电路传递函数存在2个频率拐点f1和f2．当工作频率远小于f1时, 传递函数随频率的增加呈线性增大;当频率大于f2时,传递函数随频率的增加呈线性衰减; 当工作频率处于f1与f2之间时, 传递函数趋于一个常数．

2.2 磁芯设计

由式(1)可知, 为了提高感应电动势E,在设计时须注意以下几点: 1) 适当增加匝数,但不可过多,否则将影响传感器的可携带性; 2) 增加线圈的有效截面积; 3) 增加磁芯材料的有效磁导率．

由于本文设计的感应式磁传感器主要用于监测微弱低频的电磁扰动信息,此时磁芯工作在磁化曲线的起始段,故磁芯材料的初始磁导率要尽可能高; 同时, 硬度应合适,便于加工．本文选择初始磁导率大于100 H·m-1且硬度较软的坡莫合金作为磁芯材料．

磁芯材料损耗包含磁滞损耗和涡流损耗．由于本文设计采用了磁通负反馈方法, 故磁滞损耗可忽略不计; 而在磁芯厚度相同的条件下, 采用薄片堆叠而成的磁芯产生的涡流损耗小于实心磁芯,故最终选择厚度小于0.5 mm的坡莫合金1J85带材, 多片相叠构成传感器磁芯．

磁芯材料被磁化时存在退磁场, 衡量磁芯性能的参数为有效磁导率μapp,

(2)

综上分析, 磁芯设计: 1) 厚度小于0.5 mm的1J85坡莫合金; 2) 多片堆叠, 磁芯长度为110 cm, 横截面积为15 mm×15 mm．

2.3 线圈参数设计

本文采用铜漆包线来绕制感应线圈和反馈线圈, 铜漆包线自身存在电阻R=ρL/S, 其中ρ为导体的电导率,L为导体的长度,S为导体的截面积,故必然会存在热噪声

|er|2=4kTΔfR,

(3)

式中|er|表示热噪声产生的谱密度,T为开尔文温度, Δf为系统工作带宽,k表示玻耳兹曼常数．显然,可以通过线圈材料、长度和直径的优化选择来减小热噪声．

本文线圈设计: 1) 感应线圈采用0.25 mm高纯度无氧铜漆包线绕制12万圈, 为减少线圈的分布电容, 线圈分为4段,整体在磁芯中心约2/3处对称分布, 直流电阻约4.55 kΩ; 2) 反馈线圈采用0.38 mm高纯度无氧铜漆包线分别绕制74圈, 均匀绕制在感应线圈外圈的隔离筒表面,方向与感应线圈相反,均匀覆盖整个磁芯．

3 磁传感器的信号处理电路设计

地震电磁扰动信号通常非常微弱,研究表明优势频率为10 Hz以下的极低频频段, 故信号处理电路即为极低频电压信号的放大．在低频段,线圈输出的信号通常淹没在低频段的噪声中．本文采用斩波稳零技术,其基本原理如图3所示．输入的低频信号首先经过调制开关调制为高频信号,然后经放大器放大;放大后再经过解调开关解调,调制到高频的输入信号被解调恢复至初始的低频段; 将解调后的信号经过一个低通滤波器,滤除高频信号,即得到放大的低频有用信号．

图3 斩波放大的原理图Fig.3 Schematic of chopper amplification

图4为信号处理电路的结构示意图．由于磁线圈的电感很大(因测量微弱的磁场信息),所以输入阻抗较大,且会随频率的升高而增大,故在斩波放大电路中需要一个高输入阻抗的前级放大器. 恒流源式差分放大电路具有放大差模信号和抑制共模信号的特点，其输入阻抗高，抗干扰能力强，零点漂移小；因此,本文设计采用双输入、双输出的恒流源式差分放大电路作为第一级放大器．

图4 放大电路的结构示意图Fig.4 Schematic diagram of amplifier circuit

将2个低通滤波器级联作为电路的最后级．滤波电路1的输出作为反馈电压分别进入2个反馈电路,反馈回路1为磁通负反馈回路,反馈回路2为电路反馈回路;而滤波电路2的输出则为磁传感器的最终输出．同时,由于传感器在实际工作时,通常距数据采集系统十几米,故要求最后一级滤波电路具有较大的电流驱动能力．

图5为加入磁通负反馈电路前后的仿真结果．由图5可见,加入磁通负反馈能改善相位突变问题,也使得幅频特性曲线趋于平坦．

图5 磁通负反馈电路仿真对比图Fig.5 Simulation comparison diagram of magnetic flux negative feedback circuit

4 实际测试结果

本文根据地震电磁扰动监测要求, 设计目标如下: 低频可达1 mHz, 高频可达10 Hz, 灵敏度大于100 V·μT-1(平坦部分), 噪声水平为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．

图6 感应式磁传感器灵敏度曲线图Fig.6 Sensitivity of inductive magnetic sensor

图6为自制传感器的灵敏度测试结果, 其中s为灵敏度,f为频率, 虚线部分为50 V·μT-1横截线．由图5可见, 1 mHz～100 Hz之间的灵敏度均大于50 V·μT-1, 故认为传感器的工作频率可达到1 mHz～100 Hz, 且在0.05 Hz～10 Hz间灵敏度曲线较为平坦,平坦区域的灵敏度大于150 V·μT-1, 性能比较理想．

将该磁传感器放置在磁屏蔽室的中心位置, 经信号分析仪测得感应式磁传感器的输出噪声为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, 说明该传感器的噪声水平符合地震电磁扰动监测标准．

5 结论

本文设计了以高磁导率坡莫合金为磁芯材料的感应式磁传感器,并结合磁反馈和斩波放大方法提高传感器的灵敏度,降低噪声水平,增强稳定性．测试结果表明该传感器可以满足地震电磁扰动观测的需求．