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地震电磁扰动观测仪测试大纲
中国地震局电磁分析预报技术管理组
2015年11月12日
1.总则
1.1依据和目的
1.1.1本测试大纲的编制以《现有电磁扰动仪器技术改进方案》以及现有测试技术条件为依据，适用于地震电磁扰动仪器的各项测试工作
1.1.2大纲规定了地震电磁扰动观测仪（包括电磁扰动测量仪（以下简称测量仪）和感应式磁场传感器（以下简称磁棒））产品所测试的项目，给出了测试项目、测试仪器、测试方法、测试记录表和合格判据，内容涵盖但并不局限于《电磁扰动观测仪测试方案》中的所列项目。
1.1.3大纲编制目的是测试电磁扰动观测仪器产品是否满足《现有电磁扰动仪器技术改进方案》提出的性能技术指标和功能要求。
1.2产品测试的条件、任务及要求
1.2.1产品测试应具备的条件
1.2.1.1测量仪和磁棒进行产品测试必需在完成组装调试之后进行。
1.2.1.2检验测试前应提供受试测量仪和磁棒各部件的测试框图、方法，技术条件及自测试记录备查。
1.2.1.3测量仪和磁棒技术资料配备齐套。
1.2.2产品测试主要任务
1.2.2.1测量仪和磁棒产品测试是针对主要技术参数及功能进行的测试和检验。
1.2.2.2若测量仪和磁棒2015年10月后的第三方测试报告，并且该第三方测试机构具有相应的资质，经测试组认可后，可不再进行测试。
1.2.3产品检验测试要求
1.2.3.1测试项目的技术参数和性能必须达到《现有电磁扰动仪器技术改进方案》的要求。
1.2.3.2在测试完成后，若有不符合或未达到要求的项目，研制方应在规定时间内查明原因、采取措施达到要求后，测试组重新进行测试。
1.3合格判据
1.3.1所有测试项目均符合《现有电磁扰动仪器技术改进方案》的规定和要求时，判定为产品检验测试合格。
1.3.2当出现1.2.3.2情况时，经采取措施，测试结果均符合规定和要求，则判定为产品检验测试合格。
1.3.3不符合1.3.1、1.3.2判据的，则判定为产品检验测试不合格。
2.技术指标的测试
2.1外观、尺寸和重量检查和测量
2.1.1外观检查
被检测的测量仪和磁棒外观应整洁、美观，无破损和划伤等。
2.1.2外形尺寸
被检测的测量仪和磁棒尺寸无特殊要求，但磁棒的最大长度不得超过1.4米，直径一般不宜超过30cm。
2.1.3重量测量
使用电子称对测量仪和磁棒整体重量进行检查，测量仪和磁棒整体重量无特殊要求，只是给出其实际测试结果。
2.2地震电磁扰动仪性能技术指标测试
地震电磁扰动观测仪性能技术指标分测量仪性能技术指标和磁棒性能技术指标。
测量仪的系统性能技术指标主要是频率范围、采样率、最大测量误差和线性度、电压分辨力、动态范围、道间串扰、频率响应、噪音水平、环境温度适应性测试。
磁棒在规定频率范围内的系统性能技术指标主要有传感器的灵敏度、噪音水平和环境温度适应性。
2.2.1测量仪性能技术指标测试
测量仪的系统性能参数测试，需具备一下条件：
1）主要测试设备
（1）低频信号发生器（如Aglient33120A低频信号发生器等）
（2）数字存储示波器
（3）频率计/计数器
（4）精密电流源
（5）精密电阻若干
2）测试环境
（1）室温10-30℃，相对湿度≤80%。
（2）无强电磁干扰。
3）测试方法
对测量仪器进行性能测量时测试设备连接示意图（图1）。
测量仪
图1测试设备与测量仪连接图
2.2.1.1频率响应测试
（1）幅频响应测试
将测量仪的输入端和动态信号分析仪分别输入白噪音信号，和动态信号分析仪同步地以同样的采样率采集数据，取30分钟数据，分别采用FFT方法计算相应的信号幅度和相位，其仪器的幅频特性A（f）可采用公式
（1）计算：
（1）
Ad（f）仪器记录数据的幅度谱，As（f）输入信号的幅度谱。
并将结果计入表1。
当测试结果的-3dB带宽符合0.01Hz-20Hz为合格。
每道的A（f）值同时计入表2。
（2）相频响应测试
被测仪器需具有触发采集的功能。
线路连接如图1。
采用带有触发功能的信号发生器输出幅度为100mV（Vpp），频率为0.008-30Hz的正弦波电压V1作为输入信号，同时接到仪器所有通道的输入端；仪器采集该信号，采用FFT方法计算相应的信号相位。
相频特性
（f）测试结果可按照
（2）式计算。
（2）
d仪器记录数据的相位谱，
s输入信号的相位谱，每道的
（f）值同时计入表2。
表1频率范围测试
频率（Hz）
通道1
通道2
通道3
通道4
通道5
通道6
通道7
通道8
通道9
0.01
0.05
0.1
0.5
1
3
5
10
15
20
30
35
表2输出灵敏度记录表
测试仪器
测试地点
测试时间
测试环境
测试人员
测试数据
频点序号
频率（Hz）
幅频系数
相位差（°）
1
1/256
2
1/128
3
1/64
4
1/32
5
1/16
6
1/8
7
1/4
8
1/2
9
1
10
2
11
4
12
8
13
16
14
32
15
64Hz
……
2.2.1.2系统时钟偏差与采样率测试
使用具有时标的标准信号源，将输出的脉冲信号接入到被测仪器的所有通道。
记录脉冲信号在数据中的时间偏移量：
△t0=T1-Tchn1。
其中，T1为标准信号源的脉冲信号时标；Tchn为被测仪器记录的脉冲时标。
被测试仪器保持运行，经过1天或多天后，再进行如上同等测试。
△t1=T2-Tchn2。
最终仪器的时漂差值为：
△t=△t1-△t0
如果△t<（±5/fs）为合格。
其中fs为被测仪器标称采样率。
2.2.1.3最大测量误差和线性度
测试线路连接如图1。
信号发生器输出频率为1Hz、不同幅度的标准正弦波电压V1。
仪器采集该信号，每个幅度取信号周期的10倍长度以上的采样数据，采用FFT方法计算相应的信号幅度V2，并将结果计入表2。
计算V2和V1的误差，当最大误差小于±（0.1％读数±0.1%满度值）时为合格。
同时，以V1和V2作线性最小二乘法拟合，拟合结果为V3，公式（3）为计算相对误差的方法。
δ=（MAX（|V1-V3|）/FS）×100%（3）
当最大相对误差<0.5％FS为合格。
表2最大误差和线性度测试
输入
（mV）
测量值V2
最大误差
拟合误差V3
线性度
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
……
1
2
3
4
5
6
……
1
2
3
4
5
6
……
1
2
5
10
30
70
100
130
160
200
220
最大输入
注：
86dB的动态范围对应在分辨力为10uV时，最大输入为200mV，以单峰值计算，因此测试时，当仪器的可测信号最大幅度超过200mV时，直接使输入为最大信号，以计算动态范围。
2.2.1.4电压分辨力
测试线路连接如图2。
图2电压分辨力测试图
信号发生器输出频率调为1Hz、分别给出不同幅度的正弦波电压信号，经过分压网络之后的输入V1至被测仪器进行测试，选取V1分别为1mV、10mV、100mV。
仪器采用为100Hz的采样频率采集该信号，每个幅度取100秒的采样数据，采用FFT方法计算相应的信号幅度V2，V1依次增加10uV，20uV，30uV，输出的测量结果也变化10uV，20uV，30uV，则仪器分辨力满足10uV；将分辨力测试结果记录在表3。
优于10μV（单峰值）即为合格。
表3分辨力测试记录
第1道（mV）
第2道（mV）
第3道（mV）
第4道（mV）
第5道（mV）
……
第9道（mV）
1
10
100
1
10
100
1
10
100
1
10
100
1
10
100
1
10
100
1
10
100
+0uV
+10uV
+20uV
2.2.1.5动态范围
利用2.2.1.4电压分辨力和2.2.1.3的最大输入信号幅度测试结果，利用公式（4）计算动态范围，记录入表4。
当结果大于86dB时为合格。
（4）
表4动态范围测试
通道1
通道2
通道3
通道4
通道5
满量程输入Vm（mV）
分辨力V0（uV）
动态范围（dB）
2.2.1.6道间串扰
测试连接如图2，信号发生器输出频率为10Hz，幅度为200mV的正弦信号V1，输入1个通道，其余通道短路。
同时截取各通道的信号周期10倍长度以上采样数据，采用FFT方法计算各短路通道的信号幅度V2。
当结果大于74dB时为合格。
利用公式（5）计算通道间干扰值，记录入表5。
Cr=20log（V1/V2）（5）
表5道间串扰测试记录表
道间串扰
V1
V2
通道号
0
1
2
3
4
5
6
7
8
幅度（uV）
Cr（dB）
2.2.1.7噪音水平测试
将仪器的输入端短路，仪器进行采集信号，取30分钟的采样数据，采用FFT方法计算相应的信号幅度。
在仪器频段范围内噪音水平小于10-3mV/Hz1/2为合格。
2.2.1.8环境温度适应性测试
该项测试试验参照相应的国家标准进行。
在温度适应性测试时，将被测仪器放置在高低温试验箱内，按照表6调节温度箱温度，各个温度梯度之间温度变化速率小于20℃/小时，在每一个温度点上，应使仪器达到热平衡才能进行测试，热平衡时间至少为1小时。
测试项目为最大允许误差和线性度，在-10℃~40℃的测试满足最大允许误差和线性度要求即为合格。
在工作温度范围上限时仪器至少运行4小时。
在湿度适应性测试时，将被测仪器放置在高低温试验箱内，在温度设定为20℃时，按照表7调节湿度，在每一个湿度点上应使仪器经热、湿平衡后进行性能测试，热平衡时间至少为1小时。
测试项目为最大允许误差和线性度,在20%~80%RH的测试满足最大允许误差和线性度要求即为合格按照2.2.1.3进行。
表6温度适应性测试记录表
温度
40℃
25℃
-10℃
最大允许误差和线性度测试
表7湿度适应性测试记录表
湿度（RH）
20%
50%
80%
最大允许误差和线性度测试
2.2.1.9输入阻抗测试
仪器电道的输入阻抗的测试方法，供参图3的电路。
图3输入阻抗测试电路
其中：
R=5MC=3.3nF。
电源电压500mV
当K1、K2处在下列位置时，稳定后分别读取被检仪器的不同指示数：
a）K1置于1，K2置于3时，指示值为V13
b）K1置于1，K2置于4时，指示值为V14
c）K1置于2，K2置于3时，指示值为V23
d）K1置于2，K2置于4时，指示值为V24
根据上述读数，可以按下列公式计算出被检仪器的输入电阻Ri：
和零电流：
测试结果记录在表8，各通道的输入阻抗大于10MΩ为合格。
表8输入阻抗测试记录表
通道1
通道2
通道3
通道4
通道5
通道6
通道7
通道8
通道9
V13（uV）
V14（uV）
V23（uV）
V24（uV）
Ri（M）
Io（pA）
2.2.2磁棒性能技术指标测试
2.2.2.1输出灵敏度测试
（一）测试条件
灵敏度的测试需要在已知均匀磁场环境下进行，必须具备一下条件：
1）测试设备
（1）动态信号分析仪（如SR785等同等功能仪器）
主要参数：
Ø带宽：
DC-102.4kHz
Ø信号动态范围：
90dB
Ø扫频动态范围：
145dB正弦扫频模式
Ø通道数：
2
Ø最大输入信号：
±57V
Ø输入噪音：
<10nVrms/√Hz（f>200Hz）
Ø源输出幅度精度：
±1%
（2）均匀磁场产生线圈
Ø频率范围：
DC~100kHz
Ø均匀场空间：
整个螺线管线圈中心处直径10cm×长度2.5m，均匀度<0.1%
（3）其他辅助设备
直流电源、标准电阻、笔记本电脑等
2）测试环境
Ø温度：
-10℃~40℃
Ø湿度：
<90%
（二）测试方法
1）测试方法
测试连接图如图5所示，信号分析仪的输出信号经过标准电阻，输出至均匀绕制的线圈，将感应式磁场传感器放入其中，在该磁场的激励下，测量磁场传感器的输出，并按照下式处理，即可获得灵敏度（或称转换系数）。
2）测试步骤
a）将所有设备按照图4所示进行连接，磁棒加电工作；
b）设置信号分析仪为扫频模式，并设置起始频率和终止频率，启动扫描；
c）将所得扫频数据除以标定线圈转换系数，即可得到输出灵敏度；
d）给出灵敏度（幅度、相位）随频率变化的数据和图像。
图4测试连接图
3）测试记录
测试结果记录在表9中，并给出测试灵敏度-频率曲线图。
表9输出灵敏度记录表
测试仪器
测试地点
测试时间
测试环境
测试人员
测试数据
频点序号
频率（Hz）
输出灵敏度（mV/nT）
备注
1
1/256
2
1/128
3
1/64
4
1/32
5
1/16
6
1/8
7
1/4
8
1/2
9
1
10
2
11
4
12
8
13
16
14
32
15
64Hz
……
2.2.2.2噪音水平
（一）测试条件
1）测试设备
（1）动态信号分析仪（如35670A等同等功能仪器）
技术指标
Ø频率范围：
DC~102.4kHz
Ø动态范围：
90dB
Ø精度：
0.15dB
Ø最大输入电压：
42V
Ø输入阻抗：
1MΩ
Ø噪音：
<-130dBVrms/√Hz（f>160Hz）
（2）屏蔽室
技术指标
Ø内部空间尺寸：
2m×2m×2m；
Ø屏蔽因子：
54dB@0.001Hz；
55dB@0.01Hz；
60dB@0.1Hz；
60dB@1Hz；
>70dB@>10Hz。
2）测试环境
Ø温度：
-10℃~40℃
Ø湿度：
<90%
（二）测试方法
1）测试方法
噪音水平的测量往往需要无磁空间，因此磁屏蔽设施将地磁场屏蔽，在其内部形成一个近似无磁场的环境。
磁棒含有低噪音放大器，其自身噪音水平经过放大后能够达到后端测试仪器采集和分析的需求，测量时的连接图如图5所示，将该磁棒放置在磁屏蔽室的中心位置，输出噪音在信号分析仪上显示。
图5含放大电路的磁棒等效电路图
2）测试步骤
a）将所有设备按照图6所示进行连接，磁棒加电工作；
b）设置信号分析仪为FFT模式，设置测量频带范围、窗函数、平均次数；
c）设置输出显示功率谱密度，读取各频点上的数值，即为磁棒在该频点的噪音水平。
图6磁棒噪音测试连接图
3）测试记录
测试结果记录在表10中。
同时，给出测试的噪音水平-频率曲线图。
表10噪音水平测试记录表
测试仪器
测试地点
测试时间
测试环境
测试人员
测试数据
频点序号
频率（Hz）
噪噪音水平（nT/Hz1/2）
备注
1
1/256
2
1/128
3
1/64
4
1/32
5
1/16
6
1/8
7
1/4
8
1/2
9
1
10
2
11
4
12
8
13
16
14
32
15
64Hz
2.2.2.3工作温度测试
1）高温工作
测试磁棒的温度上线，需在高温环境下工作，因此，测试环境需满足一下条件：
a）高温温度：
+40℃；
b）保持时间：
4h；
c）环境压力：
正常环境压力；
d）循环次数：
1次循环；
e）到达温度保持时间以后，设备从温箱中拿出，迅速放入屏蔽筒的标定线圈进行输出灵敏度测试，测试原理同2.2.2.1，测试设备包括屏蔽筒、均匀磁场产生线圈、动态信号分析仪以及其他辅助设备。
f）10分钟内1Hz以上频率测试完毕。
高温工作测试步骤：
a）在室温环境下，对设备加电，进行输出灵敏度测试。
为避免外界干扰，将设备放在屏蔽筒中进行测试。
将均匀磁场产生线圈放入屏蔽筒中，将被测设备放入均匀磁场产生线圈中，测试原理和方法同2.2.2.1，测试并记录输出灵敏度。
测试结束后设备断电，将被测设备放入温箱；
b）升高温箱温度直至满足试验温度要求，升温过程中要满足变温速率要求；
c）到达高温试验温度后进行温度保持，保持时间为4h；
d）到达保持时间后，将被测设备从温箱取出，迅速放入屏蔽筒的标定线圈中进行输出灵敏度测试，测试方法同1）；
e）降低温箱温度直至室温，试验结束。
2）低温工作
测试磁棒的温度下限，需在低温环境下工作，因此，测试环境需满足一下条件：
a）低温温度：
-10℃；
b）保持时间：
4h；
c）环境压力：
正常环境压力；
d）循环次数：
1次循环；
e）到达温度保持时间以后，设备从温箱中拿出，迅速放入屏蔽筒中进行输出灵敏度测试，测试原理同高温工作，测试设备包括屏蔽筒、均匀磁场产生线圈、动态信号分析仪以及其他辅助设备。
f）10分钟内1Hz以上频率测试完毕。
低温工作试验步骤：
1）在室温环境下，对设备加电，进行输出灵敏度测试。
为避免外界干扰，将设备放在屏蔽筒中进行测试。
将均匀磁场产生线圈放入屏蔽筒中，将被测设备放入均匀磁场产生线圈中，测试原理和方法同2.2.2.1，测试并记录输出灵敏度。
测试结束后设备断电，将被测设备放入温箱；
2）降低温度直至满足试验温度要求，降温过程中要满足变温速率要求；
3）到达低温试验温度后进行温度保持，保持时间为4h；
4）到达保持时间后，将被测设备从温箱取出，迅速放入屏蔽筒中进行输出灵敏度测试，测试方法同1）；
5）升高设备温度直至室温，试验结束。
表11温度适应性测试记录表
测试仪器
测试地点
测试时间
测试环境
测试人员
温度
40℃
室温（25℃左右）
-10℃
灵敏度指标
3.电磁扰动观测系统参数指标认定
3.1系统频率范围
在满足测量仪和磁棒性能指标要求的情况下，观测系统的频率范围取测量仪和磁棒低频的大值和高频的小值。
3.2系统响应
电场测道：
取测量仪的频率响应。
磁场测道：
取测量仪频率响应和磁棒频率响应的乘积。
3.3噪音水平
电场测道：
取测量仪的噪音水平
磁场测道：
取测量仪和磁棒噪音水平的和。
4.测量器功能性测试和要求
4.1电源供电
12V直流/100-240V交流供电：
分别采用12V直流/100-240V交流供电，检查测量仪能否正常工作。
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