现有电磁扰动仪器技术改进方案.docx
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现有电磁扰动仪器技术改进方案
现有电磁扰动仪器技术改进方案
1编写目的
为规范我国的地震电磁扰动观测,特制订本技术改进方案。
本技术改进方案在制定的过程中,引用和参考了地震行业标准《地震地电观测方法电磁扰动观测》(DB/T35—2009),《地震地电观测方法地电场观测》(DB/T34—2009),《地震台站建设规范地电台站第2部分:
地电场台站》(DB/T18.2-2006),国家标准《电子测量仪器温度试验》(GB6587.2-86),国家标准《电子测量仪器湿度试验》(GB6587.3-86)以及相关的调研结果。
本技术改进方案对电磁扰动观测的观测对象、仪器的主要技术指标要求和相应的测试方法、产出数据格式要求,以及观测场地要求。
2电磁扰动观测对象及要求
电磁扰动的观测目的是监测与地震孕育及发生相关的电磁异常现象。
地震电磁扰动观测对象为0.01Hz~20Hz频率范围内地表地电场强度和磁场强度,获得选定地点该频率范围内地表电场、磁场强度随时间的变化。
依据地震电磁扰动观测频段0.01Hz-20Hz,以及信号源(震源)到观测点(台站)得距离,地震电磁扰动的观测区是近场区,因此,其电场和磁场观测都需三分量观测。
3观测原理
3.1地电场观测原理
图1地电场观测原理
对地表电场Ex的测量(图1)是通过测量地表两点B1和B2之间的电位差
和距离(B1B2)得到的,在观测区电场是均匀的条件下,O点(B1与B2的中点)的电场强度
可按公式
(1)计算。
(1)
3.2磁场测量原理
对于一定频率范围内交变磁场的测量以法拉第电磁感应原理为基础,通过一个感应式磁传感器将磁场信号转换为电压信号进行测量。
根据电磁感应定律,把一个测量线圈置于被测磁场中,当线圈相对磁场做机械运动或磁场本身发生变化时,该线圈中的磁通发生变化,从而在测量线圈中产生感应电动势
:
(4)
对于一个匝数为
的线圈,当穿过它的磁通量
发生变化时,线圈上产生的感应电动势
为:
(5)
磁通量
与磁场强度
关系为:
(6)
式中:
是线圈的有效面积,
是有效导磁率。
由此可得到线圈的感应电动势
为:
(7)
对周期性变化的磁场信号,其磁场强度
,则线圈上的感应电动势为:
(8)
被测磁场强度
为:
(9)
这样,就可以通过测量线圈中感应电动势间接地测量磁场强度。
4测量系统性能指标要求
4.1测量仪器
测量仪器的主要技术指标要求:
(1)频率范围:
0.01Hz-20Hz;带内平坦度:
0.1dB,阻带衰减大于80dB(30Hz及以上);
(2)采样率:
100次/秒;
(3)最大测量误差:
≤±(0.1%读数±0.1%满度值);
(4)线性度:
0.5%满度值;
(5)电压分辨力:
优于10μV@1Hz(单峰值);
(6)测量动态范围:
≥86dB(相当于最大输入200mV);
(7)时间服务误差:
不应大于1s;
(8)测量通道:
9个(6个电通道+3个磁通道)
(9)道间串扰抑制:
≥74dB(相当于5000倍);
(10)输入阻抗:
≥10MΩ;
(11)数据存储:
满足数据存储至少15天;
(12)工作环境:
温度范围:
-10℃-40℃
湿度范围:
≤80%
(13)电源:
交流:
220V±10%,直流:
12V
4.2磁传感器
磁传感器主要技术指标应满足:
(1)灵敏度:
≥2mV/nT@(0.1Hz~10Hz);
(2)频率特性:
定量给出0.01Hz~40Hz范围的幅频特性;
(3)噪声:
≤0.002nT/Hz1/2@(0.01Hz~20Hz);
(4)温度范围:
-10℃-40℃。
4.3功能性要求
(1)接口:
RJ45网络接口;
(2)数据下载:
具备通过FTP和WEB页面数据下载功能;
(3)系统具有对磁传感器的自标定功能;
(4)自动校时功能(SNTP和GPS自动校时功能);
(5)具有现场或远程修改工作参数、实时显示观测结果等功能;
(6)磁传感器具有一定的防水能力(IP68),可直接埋设地下观测;
(7)数据产出要求:
A、按照100Hz采样率,保存所有观测数据,并按秒和分计算并保存各测道的有效值;
B、数据按列保存。
100Hz数据文件每个文件的开头第一行为时间标记,时间标记单独占用一行,格式为:
TIMEYYYY-MM-DDHH:
MM:
SS,随后是系统的实际测试的幅频特性结果,格式为SENSITIVITY,之后为实际的幅频特性数据,幅频特性数据格式为第一列为频率,第二列为对应频率的灵敏度),然后开始为观测数据。
从第二个十分钟开始,只给出时间标记。
C、文件命名为:
100Hz采样数据文件命名:
AAAAAXXXXYYYYMMDDHH.dat,秒值文件命名:
AAAAAXXXXYYYYMMDD.SEC,分钟值文件命名:
AAAAAXXXXYYYYMMDD.MIN。
其中AAAAA为5位台站代码,XXXX为4位仪器代码。
D、100Hz采样数据按照每小时以十进制格式保存一个文件。
E、保存的100Hz采样数据的单位为mV。
按秒和分钟保存的数据电场单位为mV/km,磁场单位为nT(灵敏度按照0.1Hz-20Hz的平均灵敏度计算),数据全部保留2位小数,缺数以“999999”表示。
F、以上时间格式中字母的含义为:
YYYY指年份,MM两位月份,DD两位日期,HH、MM、SS分别为两位的小时、分钟和秒值。
5仪器技术指标测试方法
5.1主要测试设备
(1)低频信号发生器
(2)数字存储示波器
(3)频率计/计数器
(4)精密电阻若干。
5.2测试环境
(1)室温10-30℃,相对湿度≤80%。
(2)无强电磁干扰。
5.3测量仪器技术指标测试
5.3.1测试设备连接
图2是对测量仪器进行性能测量时测试设备连接示意图。
图2测试设备连接
5.3.2测试方法
(1)频率范围
线路连接如图2。
信号发生器产生幅度为100mV(Vpp),频率为0.005-30Hz的正弦波电压V1作为输入信号;仪器采集该信号,取100秒的采样数据,采用FFT方法计算相应的信号幅度,给出测量信号幅度,通过计算得出频率范围。
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
0.005
0.008
0.01
0.05
0.1
1
2
5
10
15
18
19
20
21
25
28
30
32
当测试结果的-3dB带宽符合0.01-20Hz为合格。
(2)采样率
测试线路连接如图2。
信号发生器产生幅度为100mV(Vpp),频率为1Hz的正弦波电压V1作为输入信号,取100秒的采样数据,数据总数在9995-10005为合格。
(3)最大测量误差和线性度
测试线路连接如图2。
信号发生器输出频率为1Hz、不同幅度的正弦波电压V1。
仪器采集该信号,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,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,计算相对误差δ=(MAX(|V2-V3|)/FS)×100%,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
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
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。
(4)电压分辨力
测试线路连接如图3。
信号发生器输出频率为1Hz、不同幅度的正弦波电压V1,选取V1分别1mV、10mV、100mV、仪器采集该信号,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。
图3电压分辨力测试图
表3分辨力测试记录
通道1
1mV
10mV
100mV
合格
+0uV
+10uV
+20uV
通道2
+0uV
+10uV
+20uV
通道3
1mV
10mV
100mV
+0uV
+10uV
+20uV
通道4
+0uV
+10uV
+20uV
通道5
1mV
10mV
100mV
+0uV
+10uV
+20uV
(5)动态范围
利用分辨力和准确度测试最大输入信号幅度,利用公式(9)计算动态范围,记录入表4。
(9)
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)
当结果大于86dB时为合格。
(6)道间串扰
测试连接如图2,信号发生器输出频率为1Hz,幅度为200mV的正弦信号V1,输入1个通道,其余通道短路。
取100秒的采样数据,采用FFT方法计算各短路通道的信号幅度V2。
利用公式(12)计算通道间干扰值,记录入表8。
Cr=20log(V2/V1)(12)
表8道间串扰测试记录表
道间串扰
V1
V2
通道号
1
2
3
4
5
幅度(uV)
Cr(dB)
当结果大于74dB时为合格。
(7)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9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10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。
表8温度适应性测试记录表
温度
-10
0
10
30
40
最大允许误差和线性度测试
表9湿度适应性测试记录表
湿度(RH)
20%
40%
60%
80%
最大允许误差和线性度测试
5.4磁传感器指标测试
5.4.1频率范围和灵敏度测试
该测试可在零磁空间进行,也可在电磁环境干扰较小的实验室内进行。
(1)测试原理
零磁空间是人工制成的磁场强度极小的空间,在此空间内有一标定线圈(实验室测试时采用长螺线管线圈作为标定线圈),在标定线圈供入不同频率和大小的电流,在零磁空间中会产生一个可知的交变磁场,将传感器置于标定空间中,对应不同的磁场强度传感器有相应的输出电压(如图5所示),从而得到磁传感器的幅频特性和灵敏度。
图5磁感应传感器测试原理示意图
(2)测试设备连接
各测试设备按照图6所示连接。
图6幅频特性和灵敏度测试原理图
(3)测试方法
按照图6连接设备。
信号发生器产生幅度为100mV(相当于10nT的磁场强度),频率为0.005—40Hz的正弦波电压Ui作为输入信号;用电磁扰动主机(或高精度数据采集器仪器)采集该信号,取100秒的采样数据,采用FFT方法计算相应的信号幅度Uo,通过计算得出频率范围,并将计算结果记录于表8。
具体的计算方法如下:
A根据输入信号计算标定线圈的电流:
B根据电流计算标定线圈产生的磁场强度H:
其中:
是标定线圈的常数。
C根据输出电压计算灵敏度S:
D找出表8中最大灵敏度Sm,并按照公式(13)计算各个频率与其的比例关系,得到磁传感器的幅频响应。
(13)
表8幅频特性和灵敏度测试结果
频率(Hz)
输入电压(V)
输出电压(V)
灵敏度(mV/nT)
幅频响应
0.005
0.008
0.01
0.05
0.1
1
2
5
10
15
18
19
20
21
25
30
35
40
45
5.4.2噪声测试
按照图6连接测试设备,使零磁空间标定线圈的输入电流为0,或者将磁传感器置于屏蔽筒中,将磁传感器与电磁扰动仪主机连接,启动电磁扰动仪主机,开始记录数据,记录时间长度2分钟。
计算0.01Hz~20Hz区间的幅度谱密度V0。
对记录的数据按照磁传感器的灵敏度测试结果,按照公式(14)计算出磁传感器的噪声N。
N=V0/S(14)
S为0.01Hz~10Hz区间平均灵敏度。
6观测场地及台站试验观测要求
6.1观测场地要求
观测环境应符合《地震地电观测方法电磁扰动观测》(DB/T35—2009)和《地震台站建设规范地电台站第2部分:
地电场台站》(DB/T18.2-2006)的要求。
6.2观测系统架设
6.2.1电极布设
电极可选用铅板、不锈钢及固体不极化电极,铅板尺寸大于200mm×200mm×3mm。
电极布设采用南北、东西和垂直3个方向布设,方位误差小于1°,极距50-100m,可采用图7的“L”或“+”字型方式布设电极,电极埋设深度大于2米。
电极引线应为抗老化绝缘屏蔽线,线路对地绝缘电阻大于5MΩ,导线电阻小于20Ω/km,拉断力大于2000N。
通过地埋方式进入观测室,与主机连接。
(A)L型(B)+字型
图7电极布设方式
6.2.2磁传感器埋设
磁传感器埋设深度大于2米,磁传感器按照南北、东西和垂直方向布设,方位误差小于1°。
磁传感器之间的距离应大于5米。
见图8。
图8磁传感器布设示意图
磁传感器电缆线应为抗老化绝缘屏蔽电缆,采取地埋方式引入观测室与仪器连接。