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感应式磁力计的传感器及其前置电路的分析和设计

郭旭艳  
【摘要】: 感应式磁力计具有稳定、可靠以及工作原理简单等优点,在地震电磁辐射观测领域应用广泛,实践证明其在短临预报方面存在着很大的潜力,因此分析和设计一种高性能感应式磁力计对于提高地震预报水平意义深远。 本文主要对感应式磁力计的传感器及其后续的低噪声前置放大电路这两个重要部分进行了分析和探讨,并对整个系统的外场测试数据进行了分析。 首先,分析了传感器中的各组成参数如线圈匝数、线圈长度、导线直径以及磁芯长度等对其性能的影响,主要包括对其转移灵敏度以及输出信噪比的影响。经过分析,发现各参数对传感器的转移灵敏度的影响不是非常明显,而磁芯长度和导线直径是决定传感器输出信噪比的两个主要参量。同时,传感器的转移灵敏度在整个带宽内不平坦,为调整其频率响应,采用了一种频率补偿网络,由三级高通和低通滤波网络组合而成,理论上得到了理想的效果,明显地缩小了整个系统的动态范围。最后,鉴于现有传感器尺寸稍大的事实,理论上探讨了传感器小型化的设计方法,得出对实际操作具有一定指导意义的参数调整方案,有待试验验证。 其次,讨论了对传感器后接电路性能影响较大的外部干扰源,并提出了对应的解决措施,主要采用高导电材料屏蔽电磁干扰、单点接地方式避免形成地回路、采用双绞线避免磁场耦合以及信号地与电源地分开传输等方法。对低噪声前置电路的设计,通过对几种设计方案的比较分析,采用了分立差分对管与低噪声集成运放组合的形式。该电路在理论上估算其输入噪声量级为0.1Hz时30nV/ Hz ,通过对实际测试数据的分析,其等效到输入端的噪声为53.4nV/ Hz ,两者在量级上基本吻合,基本满足系统的低噪声的要求。 最后,对磁力计的外场测试数据进行了处理,针对信号中出现的强脉冲干扰采用了小波分层阈值去噪的方法,并采用滤波器进行平滑处理,明显观测到地球波导谐振腔中存在着的舒曼谐振现象。


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