現(xiàn)有電磁擾動(dòng)儀器技術(shù)改進(jìn)方案

1、現(xiàn)有電磁擾動(dòng)儀器技術(shù)改進(jìn)方案1編寫目的為規(guī)范我國(guó)的地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)，特制訂本技術(shù)改進(jìn)方案。本技術(shù)改進(jìn)方案在制定的過程中，引用和參考了地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地震地電觀測(cè)方法 電磁擾動(dòng)觀測(cè)（DB/T 352009），地震地電觀測(cè)方法 地電場(chǎng)觀測(cè)（DB/T 342009），地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范 地電臺(tái)站 第2部分：地電場(chǎng)臺(tái)站（DB/T18.2-2006），國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電子測(cè)量?jī)x器溫度試驗(yàn)（GB6587.2-86），國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)電子測(cè)量?jī)x器濕度試驗(yàn)（GB6587.3-86）以及相關(guān)的調(diào)研結(jié)果。本技術(shù)改進(jìn)方案對(duì)電磁擾動(dòng)觀測(cè)的觀測(cè)對(duì)象、儀器的主要技術(shù)指標(biāo)要求和相應(yīng)的測(cè)試方法、產(chǎn)出數(shù)據(jù)格式要求，以及觀測(cè)場(chǎng)地要求。2電磁擾動(dòng)觀測(cè)對(duì)

2、象及要求電磁擾動(dòng)的觀測(cè)目的是監(jiān)測(cè)與地震孕育及發(fā)生相關(guān)的電磁異常現(xiàn)象。地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)對(duì)象為0.01Hz20Hz頻率范圍內(nèi)地表地電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，獲得選定地點(diǎn)該頻率范圍內(nèi)地表電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。依據(jù)地震電磁擾動(dòng)觀測(cè)頻段0.01Hz-20Hz，以及信號(hào)源（震源）到觀測(cè)點(diǎn)（臺(tái)站）得距離，地震電磁擾動(dòng)的觀測(cè)區(qū)是近場(chǎng)區(qū)，因此，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)觀測(cè)都需三分量觀測(cè)。3觀測(cè)原理3.1 地電場(chǎng)觀測(cè)原理圖1 地電場(chǎng)觀測(cè)原理對(duì)地表電場(chǎng)Ex的測(cè)量（圖1）是通過測(cè)量地表兩點(diǎn)B1和B2之間的電位差和距離（B1B2）得到的，在觀測(cè)區(qū)電場(chǎng)是均勻的條件下，O點(diǎn)（B1與B2的中點(diǎn)）的電場(chǎng)強(qiáng)度可按公式（1）計(jì)算。 （1）3.

3、2 磁場(chǎng)測(cè)量原理對(duì)于一定頻率范圍內(nèi)交變磁場(chǎng)的測(cè)量以法拉第電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過一個(gè)感應(yīng)式磁傳感器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，把一個(gè)測(cè)量線圈置于被測(cè)磁場(chǎng)中，當(dāng)線圈相對(duì)磁場(chǎng)做機(jī)械運(yùn)動(dòng)或磁場(chǎng)本身發(fā)生變化時(shí)，該線圈中的磁通f發(fā)生變化，從而在測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)： （4）對(duì)于一個(gè)匝數(shù)為的線圈，當(dāng)穿過它的磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （5）磁通量與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系為： （6）式中：是線圈的有效面積，是有效導(dǎo)磁率。由此可得到線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （7）對(duì)周期性變化的磁場(chǎng)信號(hào)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度，則線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： （8）被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度為： （9）這樣，就可以通過測(cè)量線圈

4、中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)間接地測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。4 測(cè)量系統(tǒng)性能指標(biāo)要求4.1測(cè)量?jī)x器測(cè)量?jī)x器的主要技術(shù)指標(biāo)要求：（1）頻率范圍：0.01Hz-20Hz；帶內(nèi)平坦度：0.1dB，阻帶衰減大于80dB（30Hz及以上）；（2）采樣率：100次/秒；（3）最大測(cè)量誤差：±（0.1讀數(shù)±0.1%滿度值）；（4）線性度：0.5%滿度值；（5）電壓分辨力：優(yōu)于10V1Hz（單峰值）；（6）測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍：86 dB（相當(dāng)于最大輸入200mV）；（7）時(shí)間服務(wù)誤差：不應(yīng)大于1s；（8）測(cè)量通道：9個(gè)（6個(gè)電通道+3個(gè)磁通道）（9）道間串?dāng)_抑制：74dB（相當(dāng)于5000倍）； （10）輸入阻抗：10M；（

5、11）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至少15天；（12）工作環(huán)境：溫度范圍：-10-40 濕度范圍：80%（13）電源：交流：220V±10%，直流：12V4.2磁傳感器磁傳感器主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足：（1）靈敏度：2mV/nT (0.1 Hz10 Hz)；（2）頻率特性：定量給出0.01 Hz40 Hz范圍的幅頻特性；（3）噪聲：0.002 nT/Hz1/2 (0.01 Hz20 Hz)；（4）溫度范圍：-10-40。4.3功能性要求（1）接口：RJ45網(wǎng)絡(luò)接口；（2）數(shù)據(jù)下載：具備通過FTP和WEB頁(yè)面數(shù)據(jù)下載功能；（3）系統(tǒng)具有對(duì)磁傳感器的自標(biāo)定功能；（4）自動(dòng)校時(shí)功能（SNTP和GPS自

6、動(dòng)校時(shí)功能）；（5）具有現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程修改工作參數(shù)、實(shí)時(shí)顯示觀測(cè)結(jié)果等功能；（6）磁傳感器具有一定的防水能力（IP68），可直接埋設(shè)地下觀測(cè)；（7）數(shù)據(jù)產(chǎn)出要求：A、按照100Hz采樣率，保存所有觀測(cè)數(shù)據(jù)，并按秒和分計(jì)算并保存各測(cè)道的有效值；B、數(shù)據(jù)按列保存。100Hz數(shù)據(jù)文件每個(gè)文件的開頭第一行為時(shí)間標(biāo)記，時(shí)間標(biāo)記單獨(dú)占用一行，格式為：TIME YYYY-MM-DD HH:MM:SS，隨后是系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試的幅頻特性結(jié)果，格式為SENSITIVITY，之后為實(shí)際的幅頻特性數(shù)據(jù)，幅頻特性數(shù)據(jù)格式為第一列為頻率，第二列為對(duì)應(yīng)頻率的靈敏度），然后開始為觀測(cè)數(shù)據(jù)。從第二個(gè)十分鐘開始，只給出時(shí)間標(biāo)記。C、文

7、件命名為：100Hz采樣數(shù)據(jù)文件命名：AAAAAXXXXYYYYMMDDHH.dat，秒值文件命名：AAAAAXXXXYYYYMMDD.SEC，分鐘值文件命名：AAAAAXXXXYYYYMMDD.MIN。其中AAAAA為5位臺(tái)站代碼，XXXX為4位儀器代碼。D、100Hz采樣數(shù)據(jù)按照每小時(shí)以十進(jìn)制格式保存一個(gè)文件。E、保存的100Hz采樣數(shù)據(jù)的單位為mV。按秒和分鐘保存的數(shù)據(jù)電場(chǎng)單位為mV/km，磁場(chǎng)單位為nT（靈敏度按照0.1Hz-20Hz的平均靈敏度計(jì)算），數(shù)據(jù)全部保留2位小數(shù)，缺數(shù)以“999999”表示。F、以上時(shí)間格式中字母的含義為：YYYY指年份，MM兩位月份，DD兩位日期，HH、M

8、M、SS分別為兩位的小時(shí)、分鐘和秒值。5 儀器技術(shù)指標(biāo)測(cè)試方法5.1主要測(cè)試設(shè)備（1）低頻信號(hào)發(fā)生器（2）數(shù)字存儲(chǔ)示波器（3）頻率計(jì)/計(jì)數(shù)器（4）精密電阻若干。5.2 測(cè)試環(huán)境（1）室溫10-30，相對(duì)濕度80%。（2）無強(qiáng)電磁干擾。5.3 測(cè)量?jī)x器技術(shù)指標(biāo)測(cè)試5.3.1 測(cè)試設(shè)備連接圖2是對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行性能測(cè)量時(shí)測(cè)試設(shè)備連接示意圖。圖2 測(cè)試設(shè)備連接5.3.2 測(cè)試方法（1）頻率范圍線路連接如圖2。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅度為100mV（Vpp），頻率為0.005-30Hz的正弦波電壓V1作為輸入信號(hào)；儀器采集該信號(hào)，取100秒的采樣數(shù)據(jù)，采用FFT方法計(jì)算相應(yīng)的信號(hào)幅度，給出測(cè)量信號(hào)幅度，通過計(jì)算

9、得出頻率范圍。表1 頻率范圍測(cè)試頻率（Hz）通道1通道2通道3通道4通道50.005 0.008 0.01 0.050.11 2 510 1518 19202125283032當(dāng)測(cè)試結(jié)果的-3dB帶寬符合0.01-20Hz為合格。（2）采樣率測(cè)試線路連接如圖2。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅度為100mV（Vpp），頻率為1Hz的正弦波電壓V1作為輸入信號(hào)，取100秒的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總數(shù)在9995-10005為合格。（3）最大測(cè)量誤差和線性度測(cè)試線路連接如圖2。信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1Hz、不同幅度的正弦波電壓V1。儀器采集該信號(hào)，每個(gè)幅度取100秒的采樣數(shù)據(jù)，采用FFT方法計(jì)算相應(yīng)的信號(hào)幅度，并將結(jié)果計(jì)入表

10、2。計(jì)算V2和V1的誤差，當(dāng)最大誤差小于±（0.1讀數(shù)±0.1%滿度值）時(shí)為合格。同時(shí)，以V1和V2作線性最小二乘法擬合，擬合結(jié)果為V3，計(jì)算相對(duì)誤差=（MAX(|V2-V3|)/FS）×100%，當(dāng)最大相對(duì)誤差<0.5FS為合格。表2 最大誤差和線性度測(cè)試輸入(mV)測(cè)量值V2最大誤差擬合誤差V3線性度12345123451234512345125102030405060708090100110120130140150160170180190200最大輸入注：86dB的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)在分辨力為10uV時(shí)，最大輸入為200mV，以單峰值計(jì)算，因此測(cè)試時(shí)，當(dāng)儀器

11、的的可測(cè)信號(hào)最大幅度超過200mV 時(shí)，直接使輸入為最大信號(hào)，以計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍。（4）電壓分辨力測(cè)試線路連接如圖3。信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1Hz、不同幅度的正弦波電壓V1，選取V1分別1mV、10mV、100mV、儀器采集該信號(hào)，每個(gè)幅度取100秒的采樣數(shù)據(jù)，采用FFT方法計(jì)算相應(yīng)的信號(hào)幅度V2，V1依次增加10uV，20 uV，30 uV，輸出的測(cè)量結(jié)果也變化10uV，20 uV，30 uV，則儀器分辨力滿足10uV；將分辨力測(cè)試結(jié)果記錄在表3。圖3 電壓分辨力測(cè)試圖表3 分辨力測(cè)試記錄通道11mV10mV100mV合格+0uV+10uV+20uV通道2+0uV+10uV+20uV通道31mV1

12、0mV100mV+0uV+10uV+20uV通道4+0uV+10uV+20uV通道51mV10mV100mV+0uV+10uV+20uV（5）動(dòng)態(tài)范圍利用分辨力和準(zhǔn)確度測(cè)試最大輸入信號(hào)幅度，利用公式（9）計(jì)算動(dòng)態(tài)范圍，記錄入表4。 （9）表4 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試通道1通道2通道3通道4通道5滿量程輸入Vm（mV）分辨力V0（uV）動(dòng)態(tài)范圍（dB）當(dāng)結(jié)果大于86dB時(shí)為合格。（6）道間串?dāng)_ 測(cè)試連接如圖2，信號(hào)發(fā)生器輸出頻率為1Hz，幅度為200mV的正弦信號(hào)V1，輸入1個(gè)通道，其余通道短路。取100秒的采樣數(shù)據(jù)，采用FFT方法計(jì)算各短路通道的信號(hào)幅度V2。利用公式（12）計(jì)算通道間干擾值，記錄入表8

13、。Cr=20log(V2/V1) （12）表8 道間串?dāng)_測(cè)試記錄表道間串?dāng)_V1V2通道號(hào)12345幅度(uV)Cr(dB)當(dāng)結(jié)果大于74dB時(shí)為合格。（7）環(huán)境溫度適應(yīng)性測(cè)試 該項(xiàng)測(cè)試試驗(yàn)參照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在溫度適應(yīng)性測(cè)試時(shí)，將被測(cè)儀器放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，按照表9調(diào)節(jié)溫度箱溫度，各個(gè)溫度梯度之間溫度變化速率小于20/小時(shí)，在每一個(gè)溫度點(diǎn)上，應(yīng)使儀器達(dá)到熱平衡才能進(jìn)行測(cè)試，熱平衡時(shí)間至少為1小時(shí)。測(cè)試項(xiàng)目為最大允許誤差和線性度。在工作溫度范圍上限時(shí)儀器至少運(yùn)行4小時(shí)。在濕度適應(yīng)性測(cè)試時(shí)，將被測(cè)儀器放置在高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，在溫度設(shè)定為20時(shí)，按照表10調(diào)節(jié)濕度，在每一個(gè)濕度點(diǎn)上應(yīng)使儀器經(jīng)熱、

14、濕平衡后進(jìn)行性能測(cè)試，熱平衡時(shí)間至少為1小時(shí)。測(cè)試項(xiàng)目為最大允許誤差和線性度。表8 溫度適應(yīng)性測(cè)試記錄表溫度-100103040最大允許誤差和線性度測(cè)試表9 濕度適應(yīng)性測(cè)試記錄表濕度（RH）20%40%60%80%最大允許誤差和線性度測(cè)試5.4 磁傳感器指標(biāo)測(cè)試5.4.1 頻率范圍和靈敏度測(cè)試該測(cè)試可在零磁空間進(jìn)行，也可在電磁環(huán)境干擾較小的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。（1） 測(cè)試原理零磁空間是人工制成的磁場(chǎng)強(qiáng)度極小的空間，在此空間內(nèi)有一標(biāo)定線圈（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)采用長(zhǎng)螺線管線圈作為標(biāo)定線圈），在標(biāo)定線圈供入不同頻率和大小的電流，在零磁空間中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可知的交變磁場(chǎng)，將傳感器置于標(biāo)定空間中，對(duì)應(yīng)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感

15、器有相應(yīng)的輸出電壓（如圖5所示），從而得到磁傳感器的幅頻特性和靈敏度。圖5 磁感應(yīng)傳感器測(cè)試原理示意圖（2）測(cè)試設(shè)備連接 各測(cè)試設(shè)備按照?qǐng)D6所示連接。圖6 幅頻特性和靈敏度測(cè)試原理圖（3）測(cè)試方法按照?qǐng)D6連接設(shè)備。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅度為100mV（相當(dāng)于10nT的磁場(chǎng)強(qiáng)度），頻率為0.00540Hz的正弦波電壓Ui作為輸入信號(hào)；用電磁擾動(dòng)主機(jī)（或高精度數(shù)據(jù)采集器儀器）采集該信號(hào)，取100秒的采樣數(shù)據(jù)，采用FFT方法計(jì)算相應(yīng)的信號(hào)幅度Uo，通過計(jì)算得出頻率范圍，并將計(jì)算結(jié)果記錄于表8。具體的計(jì)算方法如下：A 根據(jù)輸入信號(hào)計(jì)算標(biāo)定線圈的電流：B 根據(jù)電流計(jì)算標(biāo)定線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H： 其中：是標(biāo)定線

16、圈的常數(shù)。C 根據(jù)輸出電壓計(jì)算靈敏度S：D 找出表8中最大靈敏度Sm，并按照公式（13）計(jì)算各個(gè)頻率與其的比例關(guān)系，得到磁傳感器的幅頻響應(yīng)。 （13）表8 幅頻特性和靈敏度測(cè)試結(jié)果頻率（Hz）輸入電壓（V）輸出電壓（V）靈敏度（mV/nT)幅頻響應(yīng)0.005 0.008 0.01 0.050.11 2 510 1518 19202125303540455.4.2 噪聲測(cè)試按照?qǐng)D6連接測(cè)試設(shè)備，使零磁空間標(biāo)定線圈的輸入電流為0，或者將磁傳感器置于屏蔽筒中，將磁傳感器與電磁擾動(dòng)儀主機(jī)連接，啟動(dòng)電磁擾動(dòng)儀主機(jī)，開始記錄數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間長(zhǎng)度2分鐘。計(jì)算0.01 Hz20 Hz區(qū)間的幅度譜密度V0。對(duì)記錄的數(shù)據(jù)按照磁傳感器的靈敏度測(cè)試結(jié)果，按照公式（14）計(jì)算出磁傳感器的噪聲N。N=V0/S （14）S為0.01 Hz10 Hz區(qū)間平均靈敏度。6 觀測(cè)場(chǎng)地及臺(tái)站試驗(yàn)觀測(cè)要求6.1 觀測(cè)場(chǎng)地要求觀測(cè)環(huán)境應(yīng)符合地震地電觀測(cè)方法 電磁擾動(dòng)觀測(cè)（DB/T 352009）和地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范 地電臺(tái)站 第2部分：地電場(chǎng)臺(tái)站（DB/T18.2-2006）的要求。6.2 觀測(cè)系統(tǒng)架設(shè)6.2.1 電極布設(shè)電極可選用鉛板、不銹鋼及固體不極化電極，鉛板尺寸大于200mm×200mm×3mm。電極布設(shè)采用南北、東西和垂直3個(gè)方向布設(shè)，方位誤差小于