地磁相對記錄用低噪聲磁通門磁力儀*

王曉美，滕云田，王 晨，范曉勇，馬潔美

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

地磁相對記錄的任務是連續記錄因電離層中的電流體系引起的地磁場變化。地球短周期變化磁場來源于高空電離層和磁層的各種電流體系［1］。各種地磁觀測手段所觀測到的地磁場變化包括了上至太陽活動、星際空間以及地球磁層和電離層的活動，下至地殼構造、地震活動、地球深部導電特征乃至地核變化等的各種豐富信息。地磁觀測數據，是研究空間天氣(例如磁暴)、地球內部動力學、地磁場起源、地磁場的倒轉等用地磁方法地震預報的基礎［2-3］。所以，世界各國幾乎都擁有自己的地磁觀測臺站，特別是一些發達國家對地磁場變化的觀測更是形成了完善的臺站觀測網。為了保證地磁資料的觀測質量，不僅要有高精度的地磁儀器，而且要有合理的觀測方法。國際地磁觀測臺網(INTERMAGNET，International Real-time Magnetic Observatory Network)是一個旨在推動全球地磁觀測進步的組織，指導實施全球的地磁觀測任務，推薦使用磁通門磁力儀為其相對記錄設備［4-5］。

磁通門磁力儀是上世紀20年代興起的弱磁場測量設備，并因其靈敏度高、頻帶寬、易于實現數字化等優點，目前已經成為地磁相對記錄的典型設備，廣泛應用于地磁觀測臺站，測量地磁場水平、垂直和偏角三個方向的相對變化。本文詳細闡述了磁通門傳感器的基本原理、三軸磁通門探頭的結構和信號處理電路;通過在零磁空間的性能測試和在觀測臺站的對比觀測，對研制儀器進行整機性能測試。

1 磁通門傳感器設計

1.1 磁通門傳感器的基本原理

磁通門傳感器在交變激勵信號的磁化作用下，磁芯的導磁特性發生周期性的飽和與非飽和變化，從而使纏繞在磁芯上的感應線圈感應輸出與外磁場成正比的調制信號，通過特定的檢測裝置，提取被測外磁場信息;其基本原理是基于磁芯材料的非線性磁化效應［6-7］。

最簡單的單芯磁通門傳感器由一個線圈纏繞磁芯組成，在激勵電流Iex的作用下，產生激勵磁場He與磁芯軸向平行，與外磁場(被測磁場)Ho的合成磁場為H=He+Ho。設磁芯導磁系數為μ，截面面積為s，線圈匝數為n，則線圈兩端將產生感應電壓為［8-9］:

式中，Vs為感應輸出電壓，Heo為正旋交變場幅值，ω為激勵信號角頻率。從式(1)可知，感應輸出電壓含有激勵信號的基波分量、二次諧波分量和三次諧波分量，但只有二次諧波與外磁場Ho成正比。為了抑制該基波信號，出現了各種實用的傳感器形狀。環形磁芯傳感器因其激勵場在左右兩對稱的磁芯中大小相等、方向相反，使其感應電壓的基波分量互相抵消。設在正弦交變電流作用下的激勵磁場為H(t)=Heosinωt，磁芯的磁化特性曲線為近似三折線，即忽略磁滯效應，并假定磁芯在未飽和前導磁系數是常數，而飽和時的導磁系數為1時，環形芯傳感器二次諧波輸出電壓為:

式中μa為磁芯的視導磁系數，T為激勵信號周期，Td為高導區時間。

1.2 三軸磁通門探頭的結構設計

為了獲得較低的噪聲和溫度系數，環形磁芯傳感器由磁芯、激勵線圈、感應線圈和補償線圈組成。作為敏感元件的環型磁芯是在高塑性、較高持久蠕變強度的合金骨架上纏繞高導磁系數的坡莫合金薄帶，然后經高溫退磁處理后形成。如圖1所示，激勵線圈直接纏繞在環形骨架上，感應線圈和補償線圈纏繞在低溫度系數的玻璃鋼骨架上。

圖1 環形磁芯傳感器示意圖

圖2 地磁場分量的定義和表示符號

地磁場是一個矢量場，各分量的定義和表示符號如圖2所示［10］。地磁場矢量的模稱作總強度F，始終取正值。地磁場矢量在水平面內的投影是水平強度(水平分量)H，向北為正。地磁場矢量在垂直面內的投影是垂直強度(垂直分量)Z，向下為正;包含H的垂直平面稱作磁子午面，垂直與H的平面稱作卯酉圈;H在地理北方向的投影是地磁場北向分量X，向北為正;H在地理東方向的投影是地磁場東向分量Y，向東為正;磁子午面與真子午面的夾角、即H與X的夾角是磁偏角D，向東為正;地磁場矢量與水平面的夾角是磁傾角I，向下為正。

三軸磁通門探頭如圖3所示，由3個正交的環形磁芯傳感器構成，連續記錄磁偏角D、水平強度H和垂直強度Z隨時間的相對變化量。儀器架設中按照地磁坐標對記錄儀器的探頭進行定向，從而獲得地磁場dH、dD、dZ，并且該方式具有安裝簡單方便的優點。為了減小各分量之間的橫向效應，探頭骨架在設計和機械制造中，要求較高的加工精度以避免測量誤差。地磁相對觀測要求觀測儀器具有較高的長期穩定性，探頭底盤設有水平調節螺母，用于調節探頭水平;水平鎖緊螺母，用于探頭水平位置鎖緊。水平調節完畢后，將該螺母逆時針旋轉至緊靠探頭底座底部，使底腳不能隨意調節，并增加底腳對探頭底座的支撐面積，鎖定支撐點水平位置;底腳墊圈，支撐探頭底腳。將探頭底腳錐形頭置于底腳墊圈的圓形凹槽內，增加探頭水平調節時底腳轉動靈活性，并擴大探頭底腳與觀測墩之間的接觸面積，防止探頭輕易滑動。整體探頭的物理尺寸為?18 cm×10 cm。

圖3 三軸磁通門探頭實物圖

2 信號處理電路設計

2.1 模擬信號處理電路

磁通門探頭在激勵信號作用下，感應線圈輸出包含地磁場H、Z、D三分量變化信息的激勵信號二次諧波，交變信號經模擬信號處理電路的前置選頻放大、鑒相、積分、深度負反饋網絡和低通濾波等處理后，形成正比于對應磁場三個分量的準直流電壓信號。為了提高磁通門探頭檢測地磁場微弱變化場的靈敏度和分辨力，給傳感器的補償線圈施加一定的電流值，產生一個大小相同、方向相反的補償磁場，抵消絕大部分的外界自然磁場，從而使探頭工作在近零場狀態。模擬信號處理電路原理框圖如圖4所示。

圖4 模擬信號處理電路原理框圖

2.2 磁場補償電路設計

模擬電壓信號經過24位信號調理模數A/D轉換芯片轉變為數字碼輸送給上位機CPU。在CPU首先獲得外界自然場數值之后，計算數模D/A轉換所需要的代碼，然后控制D/A轉換電路產生與地磁場大小最接近的補償值，經反饋電路作用于傳感器的反饋線圈形成各地磁分量的補償磁場，從而抵消絕大部分自然磁場［11-13］。補償電路原理框圖如圖5所示，基準源選用溫漂1×10-6/℃、噪聲1.5 mV p-p的 MAX6325基準電壓芯片產生2.5 V的參考電壓，保證高精度數據采集系統的轉換精度和分辨力;D/A轉換芯片采用串行輸入、電壓輸出的16 bit單極性MAX5441，由于采用未緩沖DAC輸出，因此具有特別低的120 μA電源電流和極小的1 LSB失調誤差;準恒流源輸出電路采用低失調電壓和溫漂的OPA2277運輸放大器和精密電阻。

圖5 補償電路原理框圖

磁通門磁力儀的溫度特性主要由傳感器線圈受外界溫度變化而引起的線圈常數的改變。為了提高儀器對外界溫度變化的抗干擾性、降低溫度系數，傳感器增加補償線圈。磁場補償電路如圖6所示，電路中的準恒流源與補償線圈常數構成逆向反應，從而獲得恒定的補償磁場。補償線圈的匝數、阻值等因素決定了準恒流源電阻 R1A、R2A、R3A、R4A、R5A取值范圍。

圖6 磁場補償電路

3 整機性能測試

3.1 性能測試

磁通門磁力儀的性能測試較為特殊，因其為測量地磁場變化的儀器，在自身性能測試的過程中，不能受到外界磁場的干擾，所以磁通門探頭應置于磁屏蔽裝置內［13-15］。檢定系統是在磁感應強度值近似為0的零磁空間內放置能產生均勻磁場的線圈，并使線圈通過穩定的電流，從而在線圈中心區域內產生穩定、均勻的直流磁場，使用標準質子磁力儀測定該磁場的磁感應強度的值，將該測定的值作為約定真值。在該約定真值下，使用替代法對被檢定的磁通門磁力儀進行檢定。同時，通過使用標準質子磁力儀測定與通過標準線圈的電流對應的磁感應強度的值，可以計算標準線圈的線圈常數。設標準線圈的線圈常數為K，通過標準線圈的電流為I，則標準線圈中心的磁感應強度為:

將該磁感應強度值B作為約定真值，對磁通門磁力儀進行檢定。

檢定系統由磁屏蔽室、標準線圈、精密電流源、標準質子磁力儀和電流檢測系統構成，電流檢測系統包括一個標準電阻和一臺高精度數字電壓表。研制的磁通門磁力儀的測試結果見表1。

表1 磁通門磁力儀性能指標

3.2 對比觀測

選擇天津市地震局靜海基準地磁臺的相對記錄室及絕對觀測室作為儀器對比測試環境。測試中使用兩套研制的磁通門磁力儀，一套安裝在保溫條件良好的相對記錄室內，用作儀器一致性對比記錄，儀器號記作GM4D;另一套安裝在絕對觀測室內，用作測試儀器的溫度系數，儀器號記作GM4U。此外，還使用了靜海地磁臺上的GM3磁通門磁力儀和FHD-1質子矢量磁力儀。各地磁儀器連續觀測96 h，圖7～圖9分別為4臺觀測儀器對地磁場D、H、Z分量的日變化對比觀測曲線。

GM4D磁通門磁力儀與GM3磁通門磁力儀的D、H、Z三要素分鐘值的差值平均值為-38.21'、540.52 nT、5.11 nT;標準偏差為 0.098 625'、0.434 111 nT、0.201 768 nT;相關系數為 0.999 694、0.999 261、0.999 828。GM4D磁通門磁力儀與FHD-1質子矢量磁力儀的D、H、Z三要素分鐘值的差值平均值為-23.20'、29 394.21 nT、45 260.93 nT;標準偏差為0.125 071'、1.047 576 nT、0.876 478 nT;相關系數為0.996 475、0.992 708、0.989 124。

圖7 D分量日變化形態曲線

圖8 H分量日變化形態曲線

圖9 Z分量日變化形態曲線

相對記錄室內的最大年溫差約4℃，最大日溫差為0.03℃。為了做儀器的溫度系數測試，絕對觀測室內的測試溫度可控制在5℃以上。用GM4U磁通門磁力儀與GM3、GM4D磁通門磁力儀及FHD-1質子矢量磁力儀之記錄數據求溫度相關系數，用記錄儀記錄數據測定GM4U之溫度相關系數結果如表2所示。

表2 GM4U與GM3、GM4D、FHD-1磁力儀的日變化數據的差值與觀測室記錄溫度的相關系數

4 結論

詳細闡述環形磁通門傳感器的原理和結構，然后針對探頭輸出的模擬信號設計處理電路，并且采用D/A轉換電路實現磁場的自動補償。通過在零磁空間的性能測試和在觀測臺站的對比觀測，驗證了自主研發的磁通門磁力儀具有噪聲低、靈敏度高、溫度系數低等優勢，目前已經廣泛應用于地磁臺站和野外流動地磁觀測，并且經過幾年的運行和數據處理，其噪聲和穩定性方面與國外進口的儀器并無差別。現在噪聲水平為峰峰值0.1nT，希望通過對探頭及電路做進一步改進，使其提高一個數量級達到10pT級，并且拓展儀器高頻響應，使其適合更寬范圍的地磁變化場觀測。

［1］徐文耀.地磁學發展史的啟示［J］.自然雜志，2006，28(6):349-352.

［2］李琪，李軍輝，楊冬梅，等.地磁ULF前兆信息研究簡述［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(6):170-176.

［3］馮志生，李琪，盧軍，等.基于磁通門秒值數據的地震ULF磁場可靠信息提取研究［J］.華南地震，2010，30(2):1-7.

［4］辛長江，李秋紅.Intermagnet地磁臺站簡介［J］.地震地磁觀測與研究，2001，22(3):48-52.

［5］Jankowski J，Sucksdorff C.Guide for Magnetic Measurement and Observatory Practice［M］.IAGA，Warsaw.1996.

［6］劉石，李寶清，童官軍，等.一種平面四軸向磁通門傳感器的設計［J］.傳感技術學報，2010，23(11):1565-1569.

［7］Henriksen J Pill，Merayo J M G，Nielsen O V，et al.Digital Detection and Feedback Fluxgate Magnetometer［J］.Measurement Science and Technology，1996，(7):897-903.

［8］Yanowskiy B M.Earth Magnetism［M］.Izd Lening.Univ，Leningrad，1978.

［9］Ripka P.Magnetic Sensors and Magnetometers［M］.Artech House，2001.

［10］Wallace H C.Introduction to Geomagnetic Fields［M］.Cambridge University Press，2003.

［11］胡星星，滕云田，謝凡，等.磁通門磁力儀背景磁場的自動補償設計［J］.儀器儀表學報，2010，31(4):956-960.

［12］李江，周勛.磁通門磁力儀自動補償的實現［J］.地震地磁觀測與研究，2002，23(3):59-64.

［13］周勛，金海強，張奇.弱磁感應強度檢定系統［C］//中國空間科學學會空間探測專業委員會第十九次學術會議論文集.2006.

［14］王曉美，滕云田，王喜珍，等.GM4型磁通門磁力儀性能檢測方法［J］.地震地磁觀測與研究，2008，29(6):88-94.

［15］Auster H U，Fornacon K H，Georgescu E，et al.Calibration of Flux-Gate Magnetometers Using Relative Motion［J］.Measurement Science and Technology，2002，(13)1124-1131.