论文总字数：33824字

摘 要

地震的科学性研究是从二十世纪五六十年代才开始的，其中利用电磁场力学对地磁扰动前兆进行研究是比较常用的方法。而监测地磁扰动的工具便是感应式磁传感器。目前国内外研究制作的感应式磁传感器多用于地质勘探等方面，在地震预测的地磁扰动观测领域，指标较为优秀的感应式磁传感器十分罕见。本文将从观测天然磁场信息为出发点，设计并实现一个符合标准的感应式磁传感器。

本文分别从本体结构、硬件电路、底层软件、上位机软件四个方面对整个地磁扰动观测系统进行详细阐述。本体结构分析从其等效电路出发，分析传感器磁芯线圈输出电压相对磁传感强度的传递函数，进而提出磁通负反馈的方法以消除谐振频率对工作频带的限制；并对整个传感器的噪声来源进行分析以从结构、选型、制作等方面来减小噪声。硬件电路从斩波放大原理入手，阐述如何将信号与噪声进行分离进而滤除噪声；电路的主体功能以框图形式展示，并从器件选型、各部分电路示意图等方面详细分析电路。底层软件首先给出软件需求，随后以程序流程图的方式进对实现方法进行阐述，并对数据协议进行了介绍。上位机软件同样是先给出软件需求并进行分析，之后给出软件流程图，针对数据接收、实时波形、数据保存、数据删除进行了详细的介绍。

在本文的最后给出了系统各部分的测试效果以及整体的测试效果，通过实验验证了感应式磁传感器的性能指标。

关键词：感应式磁传感器，磁通负反馈，1/f噪声，斩波放大，数据采集

Abstract

The scientific research of earthquakes began in the 1950s and 1960s. Electromagnetic field mechanics is a common method for studying geomagnetic disturbance precursors. The tool for monitoring geomagnetic disturbance is the inductive magnetic sensor. Nowadays, inductive magnetic sensors manufactured at home and abroad are mostly used in geological exploration. In the field of geomagnetic disturbance observations for earthquake prediction, inductive magnetic sensors with excellent specifications are very rare. For the observation of natural magnetic field information, a standard inductive magnetic sensor must be designed and implemented.

The entire geomagnetic disturbance observation system is elaborated from four aspects: ontology structure, hardware circuit, underlying software, and PC software. The ontology structure analysis starts from its equivalent circuit and analyzes the transfer function of the sensor core coil output voltage relative to the magnetic sensing intensity, and then proposes a magnetic flux negative feedback method to eliminate the effect of resonant frequency on the operating frequency band; to reduce noise from the aspects of structure, type selection, and production, analyzing the noise source of the entire sensor is necessary. Starting from the principle of chopper amplification, the circuit describes how to separate the signal from the noise and then filters out the noise; the main function of the circuit is shown in the form of a block diagram, and the circuit is analyzed in detail from the device selection and schematic diagram of each part of the circuit. The underlying software first gives the software requirements, followed by a process flow diagram to illustrate the implementation method, and the data protocol is introduced. The PC software also gives the software requirements and analysis, and then gives the software flow charts, which provide detailed introduction to data receiving, real-time waveform drawing, data storage and data deletion.

At the end of this paper, the results of the various parts of the system are given. The performance of the inductive magnetic sensor was verified through experiments.

KEY WORDS: Inductive magnetic sensor, Magnetic flux feedback, 1/f noise, Chopping amplifier, data collection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2 研究现状 3

1.3 关键问题 4

1.4 论文研究内容 5

1.5 论文内容与组织结构 5

第二章 系统框架概述 7

2.1 系统整体框架 7

2.2 感应式磁传感器设计需求分析 7

2.2.1 传感器本体结构需求分析 8

2.2.2 信号处理电路设计需求分析 9

2.3 数据采集系统需求分析 9

2.4 本章小结 10

第三章 感应式磁传感器本体结构与原理分析 11

3.1 感应式磁传感器的基本结构与原理 11

3.1.1 磁线圈等效电路分析 11

3.1.2 磁通负反馈原理分析 13

3.2 噪声理论分析 15

3.2.1 磁芯材料噪声 15

3.2.2 感应线圈热电阻 15

3.2.3 放大器噪声 15

3.3 感应式磁传感器本体结构 16

3.4 本章小结 18

第四章 感应式磁传感器电路设计与实现 19

4.1 斩波放大原理 19

4.2 放大电路结构选择及设计 20

4.2.1 电路结构 20

4.2.2 模拟开关选型及分析 20

4.2.3 前级放大器与运放的选型与分析 22

4.2.4 调制器设计 23

4.2.5 前级放大电路设计 24

4.2.6 解调电路设计 26

4.2.7 滤波电路设计 27

4.2.8 反馈网络设计 27

4.3 控制电路设计 29

4.3.1 电源电路设计 29

4.3.2 斩波时钟发生器电路设计 30

4.3.3 斩波时钟发生器软件设计 31

4.4 本章小结 31

第五章 数据采集软件设计与实现 32

5.1 底层软件设计与实现 32

5.1.1 软件需求 32

5.1.2 程序设计流程图 32

5.1.3 自定义的数据传输协议规范 33

5.2 上位机软件设计与实现 33

5.2.1 软件需求 33

5.2.2 上位机软件功能布局 34

5.2.3 主程序设计流程图 35

5.2.4 实时波形绘制 38

5.3 本章小结 39

第六章 系统测试与说明 40

6.1 斩波时钟信号测试 40

6.2 信号放大电路测试 40

6.3 磁传感器整体性能测试 41

6.4 数据采集软件测试 42

6.5 本章小结 43

第七章 总结与展望 44

7.1 总结 44

7.2 展望 44

致 谢 46

参考文献 47

附录 49

绪论

研究背景及意义

地震是从古至今人们都一直畏惧的、能够造成重大生命财产损失的自然灾害。地震的可怕在于它不仅仅会影响震中区域，各种辐射效应会使更远的地方都会受到波及。更不必说由地震引起的泥石流、瘟疫等一系列危害人类生命安全和财产安全的问题。1960年智利地震引起的海啸甚至波及到了日本、俄罗斯等地，对全球许多地区造成了重大的生命财产损失^[1]。从中国这几十年来看，有预测成功的海城大地震，但也有唐山、汶川地震这两次让世界人民都为之心痛的事件。

20世纪五十至六十年代，世界上一些地震研究较为先进的国家才正式开始科学性的地震预测研究。预测地震方法有地质方法、电磁场力学方法还有统计学方法这三类。地球物理学方法，其实是相对另外两种方法来说更直观的方法，但最大的问题在于人类对于地球内部的认识以及监测手段太少。现有的地球物理学常识只能让人们推断出测点附近的某个地区有比较大的概率发生地震， 并不能做到精确进行预报，这和天气预报有着本质上的区别。目前统计学方法是从过去发生的地震的时间、地点等数据中去探索可能存在的规律。这种方法首先是需要基于大量历史记录，其次总结的规律也只是目前为止还存在，这个地震数列的下一项是否仍符合这个规律也是不可知的。电磁场力学方法可以间接推知地球内部发生的物理变化，如地下介质电导率的异常变化^[3]，而这些变化往往意味着附近地区有地震孕育。这种方法通过观测和分析地震孕育过程中激发的电磁场信息从而实现地震预测，是如今地震电磁前兆研究的重要内容之一。

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