海陸兩用磁力儀系統的研制

劉敬彪，關春燕，章雪挺

(杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018)

地震災害是群災之首，具有突發性和難預測性，頻度較高，并產生嚴重的次生災害，對社會也產生很大影響。震磁觀測、實驗與理論研究結果以及地磁預報地震實踐，都說明地磁在地震預報中可以發揮較好作用，可以監測到孕震過程中震源區與包括震源在內的區域應力場的地磁前兆異常[1]。 20世紀60 ～70年代，一些多地震國家相繼將地磁方法列入國家地震預測計劃，積極開展震磁前兆與地震預測研究，至今在震磁前兆及其機理研究與地磁預測地震試驗等方面均已獲得了有意義的科研成果[2]。針對震磁前兆信息地磁總強度以及地磁各分量異常，研制了海陸兩用磁力儀系統，能監測微弱地磁的三分量變化情況，可應用于陸地地震臺基站以及海底地磁的測量，為震磁前兆研究提供寶貴資料。

1 磁力儀系統架構

地磁觀測的任務是準確地記錄地磁場的各種時間變化和空間分布規律，以捕捉變化量級小、具有區域性特征的震磁信息。地磁預報地震工作是以可靠的觀測數據為基礎[1]。海陸兩用磁力儀系統旨在對地球磁場強度的長期觀測，提供研究震磁關系以預測地震的數據資料。該磁力儀系統是基于磁阻傳感器的高靈敏度磁力測量技術的三分量地磁測量儀，以低功耗MSP430微處理器為核心，加上外圍各功能電路構成。

該磁力儀電路部分主要由傳感器部分，信號處理部分，模數轉換部分，微處理器部分，置位復位部分，多軸運動傳感器(ADIS16355)， SD卡存儲部分以及RS232串口通信部分等組成。而應用于海洋等水下時，電路需封裝于高壓密封艙以承受海水的巨大壓力且不滲漏，再利用鎧裝同軸電纜傳輸信號至PC機，整個系統架構如圖1。

圖1 海陸兩用磁力儀系統框架圖

2 磁力儀系統硬件電路設計

2.1 硬件電路分析

傳感器部分 磁力儀傳感器部分采用霍尼韋爾的各向異性磁阻傳感器HMC1001和HMC1002組成三分量磁阻傳感器， 其磁場測量范圍是 ±2 Gs(1 Gs(Gauss)=10-4T)，靈敏度為 3.2 mV/(V?Gs-1)。具有體積小、價格低、溫度特性好、工作頻率高等優點，特別是芯片自帶有offset與set/reset功能管角，可以排除靜場干擾和抵御強磁破壞[3]。對于HMC1001和HMC1002，其輸出的是差分電壓信號，與磁場強度和電橋電壓(即傳感器的工作電壓)成正比[4]，具體關系為：

因此在 5V供電的情況下， 傳感器的輸出結果為：

信號處理部分 傳感器所采集的數據需經過放大和濾波的信號處理，再進行24位高精度模數轉換。其中儀器放大器使用AD623，該放大器是一個集成單電源儀表放大器，能在單電源(+3 V到+12 V)下提供滿電源幅度的輸出， 輸出電壓為：Vo=取RG為1.5 kΩ，則Gain=67.67。

由于地磁場變化緩慢，有用的磁信號均為低頻信號，且頻率集中在1 kHz以內。需要對信號進行濾波，以去除高頻噪聲信號。電路采用巴特沃思低通濾波器，巴特沃思濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零[6]。選用5階的MAX7410低通濾波器。該濾波器為單電源供電，截止頻率范圍為1-15 kHz，功耗低，源電流僅 1.2 mA?？墒褂脙炔烤д?，頻率為fOSC(kHz)=30×103/Cosc(pF)，設計時盡量減少寄生電容，防止影響內部振蕩器頻率。不同的速率內部振蕩器來調整濾波器的截止頻率，兩者關系為100∶1。因此試驗中選擇電容值300 PF， fOSC(kHz)=100 kHz，fc=fCLK/100=1 kHz。

AD轉換部分 模數轉換器采用24 bit高精度的ADS1256，由四階Δ-Σ調制器和一個可編程數字濾波器組成，具有無噪聲精度、數據速率以及多種功能。ADS1256在實際應用時，注意電源和地的布線。在模擬電源和數字電源的輸入端一般要并聯一個小的陶瓷電容和一個大的鉭電容(或者陶瓷電容)，注意電容要盡量靠近輸入端，而且應使小電容更靠近ADC。特別注意要為VRefN和VRefP提供干凈的電源[5]。

置位和復位電路

置位和復位控制，消除過去磁歷史的影響，把磁阻傳感器恢復到測量磁場的高靈敏度狀態。其連接電路如圖2。

圖2 傳感器置位/復位電路

ADIS16355 ADIS16355 是一組多軸動作傳感器，以具成本效益的方式將陀螺儀(Gyroscope)和振動加速度計(Accelerometers)加以結合，以便測量全部6組可能的機械性自由度(6DOF)——在X、Y與Z軸上的線性移動以及繞著X、Y與Z軸的旋轉動作。該傳感器包涵AD公司微機械和混合信息處理技術，是一個高度集成的解決方案，內置嵌入式處理器用于傳感器校準與調諧，提供校準后的數字慣性感應，并在溫度范圍內對偏移與靈敏度進行了校準[6]。ADIS16355具有可以編程的串聯式外圍接口(SPI)端口，能夠對濾波、取樣速率、電源管理、自我測試、以及傳感器條件狀態和警示等的編程特點提供簡單的存取。

SD卡存儲部分 磁力儀電路設有SD卡存儲部分，當磁力儀實施監測地磁變化時，所得數據將存儲于SD卡中，以便于操作人員隨時查看地磁強度的歷史數據，該SD卡存儲容量可達4G。

2.2 海用磁力儀高壓密封艙的應用

海用磁力儀主系統需置于高壓密封艙，以使電路密封不滲漏。水下電路采用電池供電，經由幾千米的鎧裝同軸纜線使水下系統與海洋基站互連，實現實時通信工作方式。主系統通過各向異性磁阻傳感器實現地磁三分量測量，通過慣性傳感器實現水下姿態判斷與坐標系變換，通過大容量數據存儲實現系統自容工作方式。

2.3 磁力儀姿態計算

在姿態計算中主要涉及三個坐標系，地球坐標系、地理坐標系和儀器坐標系。研究物體的運動時，考慮到慣性的敏感性和慣性系統的理學問題，通常將相對恒星所確定的參考坐標系稱為慣性空間，空間中靜止或勻速直線運動的參考坐標系稱為地球坐標系(E系)[7]。對于研究地球表面附近運載體的導航定位問題，地球坐標系的原點通常取在地心。地理坐標系(T系)，即正東(X)、正北(Y)、地垂向上(Z)，不同經緯度坐標系不同，地球的轉動使得地理坐標系相對地球坐標系有轉動，它是運載體為原點。固連在設備載體上的坐標系為儀器坐標系(B系)，它與磁力儀的X、Y、Z軸完全吻合。實際上，在導航定位中，運載體相對地球的位置通常不用它在地球坐標系中的直角坐標來表示，而是用經度λ、緯度φ和高度h(這里所指的是磁力儀的工作水深)來表示。圖2 表示了各坐標系的轉換關系。

當磁力儀在近海底中工作時，磁力儀相對地球的位置不斷發生改變，而地球上不同地點的地理坐標系，其相對地球的坐標系的角位置是不相同的。也就是說，磁力儀相對地球移運動將引起地理坐標系相對地球坐標系轉動[4]。

由于設計的海用磁力儀工作于海底，磁場的總場值變化將受姿態的影響。因此，磁力儀的姿態數據(磁力儀載體的航向角γ，俯仰角θ和滾轉角γ)不可或缺。姿態數據可通過基于MEMS技術的慣性測量單元(IMU)獲得。

圖3 坐標系統間的轉換

最后，可以根據(HX-BHY-BHZ-B)和載體的航向角φ，俯仰角θ和滾轉角γ求得在地平坐標系中磁場值(HX-THY-THZ-T)。令：

可得：

3 磁力儀與上位機通信系統

磁力儀上位機軟件設計主要基于Visual C++應用程序開發工具。包括樣本數據顯示，連接設置，文件存儲，校時以及系統復位等功能。其中數據分別以數字和圖表顯示形式，顯示范圍可調。連接設置主要完成波特率，站位號，采樣周期等參數設置。另外包括復位下位機系統，校正下位機日期和時間，接收和刪除磁力儀所采集的數據等功能。其上位機與磁力儀下位機通信流程如圖4和圖5。

圖4 上位機串口通信發送端

圖5 下位機磁力儀接收端

其中部分程序：

void CSD_Contrl_PannelDlg：：OnMyMessage

(WPARAM wparam， LPARAM lparam)

{

uint32 Event=(uint32)wparam；

POSITION pos=m_FileList.GetFirstSelected

ItemPosition().TIF；Switch(Event)

{

case CMD_RST_SYS：AfxMessageBox("系統已

成功復位！ 請重新建立連接！")；

OnOpencom()；

break；

case CMD_SET_PARA：AfxMessageBox("參數

設置成功！")；break；

case CMD_SET_TIME_AND_DATA：AfxMes

sageBox("校時成功！")；break；

case CMD_DEL_FILE：m_FileList.DeleteItem

(DelItemNum)；

AfxMessageBox("文件刪除成功！")；break；

default：break；

}

}……

GetDlgItem(IDC_BtnConnect)-＞SetWindow

Text("連接")；

GetDlgItem(ID_OPENCOM)-＞SetWindowText

("打開串口")；

p

dlg-＞GetDlgItem(IDC_BtnConnect)-＞

SetWindowText("已連接")；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_XData)-＞SetWin

dowText(tXData)；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_YData)-＞SetWin

dowText(tYData)；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_ZData)-＞SetWin

dowText(tZData)；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_CaptureTime)-＞

SetWindowText(tTime)；

double all=sqrt(x1*x1 +y1*y1 +z1*z1)；

4 磁力儀系統調試

該磁力儀具有低功耗、高精度、存儲量大、測量范圍寬、抗干擾能力強、工作時間長、實時觀測等優勢。所達到的技術指標為：測量范圍0 ～200 000 nT，靈敏度＜0.67 nT；連續工作時間陸地3 mon，海底20 d；自容式存儲模塊指標：最大數據空間4 G，最小采集間隔1 s。實時通信模塊指標：通信最高速率115 200 bps，通信誤碼率≤10-6；水下嵌入式系統功耗≤15 W；可水下工作深度0 ～3 000 m。地球磁場在無干擾情況下， 地球磁場強度非常微弱， 約為0.3-0.6×10-4T。在實驗室實驗過程，首先在無干擾情況下測得地球磁場三分量數值以及磁場總強度為38 399 nT，監測顯示結果如圖6。人體具有微弱磁性，圖7為顯示實驗中人數次靠近和遠離磁力儀引起磁力強度異常波動。

圖6 無異常時地球磁場強度

圖7 磁場強度顯示異常波動

5 結論

該海陸兩用磁力儀系統將采集的地磁變化信息經過處理、轉換、傳輸和保存，以數據和圖線的形式直觀地顯示地磁三分量及其總強度。震磁前兆顯示由強地震引起的磁異常可能分布在較小范圍內，而且異常能否捕捉到與觀測點的位置有一定關系，這就要求地磁臺站在空間分布上應有一定的密度[8]。為全面了解震磁異常的時間過程，研究它們的形態規律，提取更加豐富的信息，實行長期連續觀測。

[ 1] 林云芳.我國震磁關系研究的新進展[ J].地震， 1990， 6：26-34.

[ 2] 詹志佳，趙從利，高金田，等.北京地區震磁研究的進展與展望[J].地震， 2002， 22：49-54.

[ 3] 喬建忠，李艷，文豐.一種各向異性磁阻傳感器在車輛探測中的應用木[ J] .傳感器與微系統， 2009， 28(5)：106-108.

[ 4] 黃孔耀，章雪挺，周巧娣，等.近海底三分量磁力儀的電子系統設計[ J] .儀表技術與傳感器， 2009， 7：26-29.

[ 5] 周超，李春茂.新型8通道24位△一∑型模數轉換器ADS1256的原理及應用[J] .國外電子元器件， 2005， 6：35-38.

[ 6] 黃孔耀.近海底三分量地磁測量技術的研究與實現[ D].杭州電子科技大學碩士學位論文， 2008：17.

[ 7] 楊艷娟.捷聯慣性導航系統關鍵技術研究[ D] .哈爾濱工程大學博士學位論文， 2001：6.

[ 8] 彭純一，徐國銘，莊明龍，等.地磁垂直分量震磁異常[ J].中國地震， 1990， 6(3)：20-28.