现有电磁扰动仪器技术改进方案

1、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/T 352009），地震地电观测方法 地电场观测（DB/T 342009），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

2、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0.01Hz20Hz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.

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f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

4、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10V1Hz（单峰值）；（6）测量动态范围：86 dB（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：10M；（

5、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：12V4.2磁传感器磁传感器主要技术指标应满足：（1）灵敏度：2mV/nT (0.1 Hz10 Hz)；（2）频率特性：定量给出0.01 Hz40 Hz范围的幅频特性；（3）噪声：0.002 nT/Hz1/2 (0.01 Hz20 Hz)；（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

6、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：TIME YYYY-MM-DD HH: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

7、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、M

8、M、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

9、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50.005 0.008 0.01 0.050.11 2 510 1518 19202125283032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

10、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=（MAX(|V2-V3|)/FS）×100%，当最大相对误差<0.5FS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12345123451234512345125102030405060708090100110120130140150160170180190200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

11、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，20 uV，30 uV，输出的测量结果也变化10uV，20 uV，30 uV，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）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

13、。Cr=20log(V2/V1) （12）表8 道间串扰测试记录表道间串扰V1V2通道号12345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、

14、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-100103040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

15、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0.00540Hz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

16、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 0.050.11 2 510 1518 19202125303540455.4.2 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0.01 Hz20 Hz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0.01 Hz10 Hz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/T 352009）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