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多分量地震监测系统AETA的感应式抗干扰磁环,传感器磁棒研制

2021-06-16 11:09:14

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永欣电子是集生产、经营、科研、技术开发及信息服务为一体的科技先导型企业磁环厂家,为高新技术企业,具有多年行业经验。主要生产抗干扰磁芯、磁环、抗干扰磁环、滤波磁芯、铁粉芯、扣式磁环、铁氧体磁环、RH磁环、T型磁环、磁棒、电感磁棒系列和电感系列,非晶磁环系列,滤波磁珠系列500余种规格的产品。

本文选择绕线匝数 N=20000,  线圈在磁芯方向的

宽度(1h 的 x 倍,  其中 x 为线圈分段的段数)

cu

h 为 30 

cm,  漆包线选择c

u

d =0.3 mm, wd =0.339 mm。根据式

(6),  可计算得到直流电阻为 5.006 kΩ。根据式(7),  可

计算得到理论电感为 9.55 H。根据式(8),  计算得到骨

架段数为 5 段时对应的分布电容最小,  为 88.7552  

p F。根据长径比得到1h =6 cm, 

2

h =2 mm。根据匝数

和段数2d =45 mm,  得到骨架内径厚度为 1 mm。 

2.3   反馈线圈参数设计 

根据磁感应线圈的幅频和相频特性,  在线圈谐

振点处有相位突变现象。本文采用磁反馈的方法, 

可以解决相位突变问题,  并使得传感器有较大的平

坦区域。我们的方法是根据传感器的实际输出电

压,  通过绕制在感应线圈外面的反向的反馈线圈, 

将电流值转换成与感应磁场相反的磁场,  从而形成

负反馈。 

如图 5 所示, Ls为反馈线圈的电感值, L

p为感应

线圈的电感值,  RL

 为感应线圈的直流电阻,  C 为感

应线圈的分布电容, Rf为反馈电阻, G 表示放大器的

放大倍数, If为反馈电流,  反馈线圈和反应线圈的互

感为 M。根据磁负反馈的等效电路可以得知,  在频

带内幅频特性的幅度由反馈电阻 Rf、磁芯长度 l 和

反馈线圈匝数 Ns 共同决定。本文根据设计指标磁

传感器的频带范围,  确认反馈线圈的匝数为 100 匝, 

均匀绕制在感应线圈外圈的隔离筒上,  方向与感应

线圈相反。为了减小感应线圈与反馈线圈之间的分

布电容,  同时对电信号(工频信号)进行屏蔽,  我们 

 

 

图 4   感应线圈骨架示意图 

Fig. 4   Structure illustration of inductive magnetic sensor 雍珊珊等   多分量地震监测系统 AETA 的感应式磁传感器磁棒研制   

 

499 

 

图 5   磁负反馈原理示意图 

Fig. 5   Principle of magnetic negative feedback 

 

在感应线圈与反馈线圈之间加入屏蔽层工艺。 

3   感应式磁传感器磁棒结构设计与

工艺实现 

根据以上的参数分析,  我们对感应式磁传感器

进行设计,  主体结构为磁芯骨架、反馈屏蔽筒、外

壳以及用于衔接主体结构的固定件和盖子,  如图6

所示。 

磁芯骨架结构与图 4 一致,  内部为方形空心, 

用于放置磁芯,  磁芯的叠片数为 200 片,  在生产时

采用层间绝缘工艺,  保证每片坡莫合金之间绝缘。

感应线圈绕制在磁芯骨架上,  骨架上可看见 5 段用

于绕线的凹槽,  每段均匀绕制4000匝,  共20000匝。 

反馈屏蔽筒首先绕制屏蔽层,  屏蔽层采用带状

铜箔,  螺旋式的绕制方法,  每圈之间保持一定的间

隙,保证不接触导通。完成屏蔽层的绕制后,  将屏蔽

层用高温胶带做好保护和隔离。在屏蔽层上均匀绕

制 100 匝的反馈线圈,  反馈线圈与感应线圈绕制的

方向相反。然后将感应线圈的两个引出端(即信号

和地)通过双芯屏蔽线引出,  反馈线圈的两个引出

端(即反馈信号和地)通过双芯屏蔽线引出,  同时在

结构内将感应线圈的地、反馈线圈的地以及屏蔽层 

 

图 6   感应线圈骨架结构 

Fig. 6   Structure design of inductive magnetic sensor 

引出端(即地)连在一起。最后将电磁传感器组装好, 

并做好测试,  确保内部接线无误后,  用填充胶灌满

整个壳体,  保证传感器内部各个部件不受振动影

响。填充胶选择具有较好的温度特性的固化胶。 

本文设计的感应式磁传感器磁棒如图 7 所示, 

传感器采用 PVC 材料制作骨架和壳体,  尺寸为直

径 6 cm,  长度为 48 cm,  重量为 3 kg。 

4   感应式磁传感器磁棒及其应用的

测试 

4.1   感应式磁传感器磁棒测试 

本文设计的感应式磁传感器用于弱磁环境下信

号的检测和接收,  对交变的磁信号比较敏感,  但是, 

由于没有严格的无磁空间,  加之试验环境中存在50 

Hz 工频干扰及各种磁噪声,  传感器很容易达到饱

和,  因此在实验中采用放大的弱磁信号进行测试, 

采用均匀绕制的螺线管提供激励信号。激励线圈采

用直径为0.5 mm 的铜漆包线,  均匀地绕制在直径为

16 cm 的 PVC 管上,  成为螺线管。为了防止电流过

大,  需在线圈上串联一个阻值为1 kΩ 的限流电阻。

螺线管接通激励电压后,  管内产生的电流在桶内形

成激励磁场。若螺旋线圈为无限长,  那么筒内形成

的激励磁场是一个与激励电流和激励线圈的匝密

度 n 有关的均匀磁场。激励线圈管加载信号为 1 V 

电压信号,  输出设置为偏移为 0,  且高阻输出。从测

试结果可知,  加载在激励线圈的电流为14.9 mA,  激

励线圈管内磁场分布计算结果如图 8(a)所示。 

将感应线圈部分放在激励线管中央近似均匀磁

场的范围内,  改变信号的频率值,  得到感应线圈的

幅频特性曲线,  如图 8(b)所示。根据图 8(b)可知, 

传感器的谐振频率有 4 个,  见表 1,  其中主谐振点

在1.5  kHz 左右。通过对 5 个传感器的测试,  发现谐 

 

图 7   感应式磁传感器磁棒 

Fig. 7   Inductive magnetic sensor 北京大学学报(自然科学版)   第 54 卷   第 3 期   2018 年 5 月 

500 

 

图 8   激励线圈内磁场分布(a)和感应线圈幅频特性曲线(b) 

Fig. 8   Magnetic-field distribution of excitation coil (a) and the amplitude frequency characteristics of induction coil (b) 

 

表 1   感应线圈谐振频率分布 

Table 1   Resonance frequency of induction coil 

谐振点  频率/kHz 

主谐振点  1.5 

第 2 谐振点  6.0 

第 3 谐振点  10.0 

第 4 谐振点  10.2 

 

振频率基本上一致。传感器在 0.1 Hz~1.5 kHz 之间

的幅频曲线为线性上升,  在谐振频率后,  线性下降。 

4.2   感应式磁传感器应用实例及测试结果 

本文设计的感应式磁传感器应用于多分量地震

监测系统 AETA 的电磁传感探头中,  如图 9 所示, 

在中国地震局组织下,  我们在中国科学院电子学研

究所对该电磁传感探头进行灵敏度测试和噪声水平

测试。 

在灵敏度测试中,  使用任意波形函数发生器

(AFG3252)产生正弦信号。信号加载至标定线圈中, 

磁棒放置于标定线圈中,  使用 AETA 系统数据收录

存储被标定磁棒输出的数字化信号。手动进行变换

频率,  实现点频信号发射与接收,  最终实现设计工

作带宽内的扫频标定。通过对 AETA 系统数据收

录仪存储的数字化信号进行数字化处理分析,  获得

被标定磁传感器的灵敏度曲线。 

噪声水平测试时,  将磁传感器平稳放置在磁屏

蔽室内,  在屏蔽室外使用 AETA 系统数据收录软件

进行数字信号的收录与存储。由于 AETA 系统数

据收录软件每次只能存储约 1 分钟的数据长度,  所

以分段采集多次数据段,  最后通过数据分析来获取

传感器噪声水平。 

如图 10 所示,  测试结果显示电磁传感探头的

带宽为 10 Hz~10 kHz,  灵敏度为 66.5 mV/nT@2 kHz,  

 

图 9   电磁探头实物图以及灵敏度、噪声水平的测试环境 

Fig. 9   Electronic-magnetic probe, the test environment of sensitivity and noise level 雍珊珊等   多分量地震监测系统 AETA 的感应式磁传感器磁棒研制   

 

501 

 

图 10   电磁探头灵敏度曲线(a)和电磁探头输出电压噪声曲线(b) 

Fig. 10   Sensitivity of electronic-magnetic probe (a) and the noise character of electronic-magnetic probe’s output (b) 

噪声水平为0.1~0.2 pT/Hz1

/2

@(10 Hz~1 kHz),  基本

上符合设计要求。 

5   结束语 

基于历史震例数据,  本文提出适用于地震监测

的感应式磁传感器的设计与实现,  在满足基本观测

性能的同时,  还从降低成本、减小体积以及集成、

易于安装等方面进行设计。本文从磁感原理出发, 

分析感应式传感器的参数,  并结合设计要求,  给出

具体的设计参数,  在结构和工艺设计上考虑了实现

的成本和难度。针对感应式磁传感器的磁棒进行了

性能测试,  结果表明,  谐振频率在1.5  kHz 左右时, 

磁棒一致性较好。同时,  在多分量地震监测系统

AETA 的应用中,  测试结果在低频段(小于1 kHz)具

有较好的频率特性和噪声水平。本文提出的感应式

磁传感器已经应用于多分量地震监测系统 AETA

中,  并在云南、四川、西藏和河北等地区布设,  开

展观测工作。 

参考文献 

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  永欣电子是集生产、经营、科研、技术开发及信息服务为一体的科技先导型企业磁环厂家,为高新技术企业,具有多年行业经验。主要生产抗干扰磁芯、磁环、抗干扰磁环、滤波磁芯、铁粉芯、扣式磁环、铁氧体磁环、RH磁环、T型磁环、磁棒、电感磁棒系列和电感系列,非晶磁环系列,滤波磁珠系列500余种规格的产品。

作者: 永欣电子
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Copyright (©) 2021 南浔双林永欣电子元件厂   备案号:浙ICP备2021013425号

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