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。
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