海陸兩用磁力儀系統(tǒng)的研制

劉敬彪，關(guān)春燕，章雪挺

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018)

地震災(zāi)害是群災(zāi)之首，具有突發(fā)性和難預(yù)測性，頻度較高，并產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害，對社會也產(chǎn)生很大影響。震磁觀測、實(shí)驗(yàn)與理論研究結(jié)果以及地磁預(yù)報地震實(shí)踐，都說明地磁在地震預(yù)報中可以發(fā)揮較好作用，可以監(jiān)測到孕震過程中震源區(qū)與包括震源在內(nèi)的區(qū)域應(yīng)力場的地磁前兆異常[1]。 20世紀(jì)60 ～70年代，一些多地震國家相繼將地磁方法列入國家地震預(yù)測計(jì)劃，積極開展震磁前兆與地震預(yù)測研究，至今在震磁前兆及其機(jī)理研究與地磁預(yù)測地震試驗(yàn)等方面均已獲得了有意義的科研成果[2]。針對震磁前兆信息地磁總強(qiáng)度以及地磁各分量異常，研制了海陸兩用磁力儀系統(tǒng)，能監(jiān)測微弱地磁的三分量變化情況，可應(yīng)用于陸地地震臺基站以及海底地磁的測量，為震磁前兆研究提供寶貴資料。

1 磁力儀系統(tǒng)架構(gòu)

地磁觀測的任務(wù)是準(zhǔn)確地記錄地磁場的各種時間變化和空間分布規(guī)律，以捕捉變化量級小、具有區(qū)域性特征的震磁信息。地磁預(yù)報地震工作是以可靠的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[1]。海陸兩用磁力儀系統(tǒng)旨在對地球磁場強(qiáng)度的長期觀測，提供研究震磁關(guān)系以預(yù)測地震的數(shù)據(jù)資料。該磁力儀系統(tǒng)是基于磁阻傳感器的高靈敏度磁力測量技術(shù)的三分量地磁測量儀，以低功耗MSP430微處理器為核心，加上外圍各功能電路構(gòu)成。

該磁力儀電路部分主要由傳感器部分，信號處理部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，微處理器部分，置位復(fù)位部分，多軸運(yùn)動傳感器(ADIS16355)， SD卡存儲部分以及RS232串口通信部分等組成。而應(yīng)用于海洋等水下時，電路需封裝于高壓密封艙以承受海水的巨大壓力且不滲漏，再利用鎧裝同軸電纜傳輸信號至PC機(jī)，整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

圖1 海陸兩用磁力儀系統(tǒng)框架圖

2 磁力儀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路分析

傳感器部分 磁力儀傳感器部分采用霍尼韋爾的各向異性磁阻傳感器HMC1001和HMC1002組成三分量磁阻傳感器， 其磁場測量范圍是 ±2 Gs(1 Gs(Gauss)=10-4T)，靈敏度為 3.2 mV/(V?Gs-1)。具有體積小、價格低、溫度特性好、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)，特別是芯片自帶有offset與set/reset功能管角，可以排除靜場干擾和抵御強(qiáng)磁破壞[3]。對于HMC1001和HMC1002，其輸出的是差分電壓信號，與磁場強(qiáng)度和電橋電壓(即傳感器的工作電壓)成正比[4]，具體關(guān)系為：

因此在 5V供電的情況下， 傳感器的輸出結(jié)果為：

信號處理部分 傳感器所采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)過放大和濾波的信號處理，再進(jìn)行24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中儀器放大器使用AD623，該放大器是一個集成單電源儀表放大器，能在單電源(+3 V到+12 V)下提供滿電源幅度的輸出， 輸出電壓為：Vo=取RG為1.5 kΩ，則Gain=67.67。

由于地磁場變化緩慢，有用的磁信號均為低頻信號，且頻率集中在1 kHz以內(nèi)。需要對信號進(jìn)行濾波，以去除高頻噪聲信號。電路采用巴特沃思低通濾波器，巴特沃思濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零[6]。選用5階的MAX7410低通濾波器。該濾波器為單電源供電，截止頻率范圍為1-15 kHz，功耗低，源電流僅 1.2 mA。可使用內(nèi)部晶振，頻率為fOSC(kHz)=30×103/Cosc(pF)，設(shè)計(jì)時盡量減少寄生電容，防止影響內(nèi)部振蕩器頻率。不同的速率內(nèi)部振蕩器來調(diào)整濾波器的截止頻率，兩者關(guān)系為100∶1。因此試驗(yàn)中選擇電容值300 PF， fOSC(kHz)=100 kHz，fc=fCLK/100=1 kHz。

AD轉(zhuǎn)換部分 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用24 bit高精度的ADS1256，由四階Δ-Σ調(diào)制器和一個可編程數(shù)字濾波器組成，具有無噪聲精度、數(shù)據(jù)速率以及多種功能。ADS1256在實(shí)際應(yīng)用時，注意電源和地的布線。在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端一般要并聯(lián)一個小的陶瓷電容和一個大的鉭電容(或者陶瓷電容)，注意電容要盡量靠近輸入端，而且應(yīng)使小電容更靠近ADC。特別注意要為VRefN和VRefP提供干凈的電源[5]。

置位和復(fù)位電路

置位和復(fù)位控制，消除過去磁歷史的影響，把磁阻傳感器恢復(fù)到測量磁場的高靈敏度狀態(tài)。其連接電路如圖2。

圖2 傳感器置位/復(fù)位電路

ADIS16355 ADIS16355 是一組多軸動作傳感器，以具成本效益的方式將陀螺儀(Gyroscope)和振動加速度計(jì)(Accelerometers)加以結(jié)合，以便測量全部6組可能的機(jī)械性自由度(6DOF)——在X、Y與Z軸上的線性移動以及繞著X、Y與Z軸的旋轉(zhuǎn)動作。該傳感器包涵AD公司微機(jī)械和混合信息處理技術(shù)，是一個高度集成的解決方案，內(nèi)置嵌入式處理器用于傳感器校準(zhǔn)與調(diào)諧，提供校準(zhǔn)后的數(shù)字慣性感應(yīng)，并在溫度范圍內(nèi)對偏移與靈敏度進(jìn)行了校準(zhǔn)[6]。ADIS16355具有可以編程的串聯(lián)式外圍接口(SPI)端口，能夠?qū)V波、取樣速率、電源管理、自我測試、以及傳感器條件狀態(tài)和警示等的編程特點(diǎn)提供簡單的存取。

SD卡存儲部分 磁力儀電路設(shè)有SD卡存儲部分，當(dāng)磁力儀實(shí)施監(jiān)測地磁變化時，所得數(shù)據(jù)將存儲于SD卡中，以便于操作人員隨時查看地磁強(qiáng)度的歷史數(shù)據(jù)，該SD卡存儲容量可達(dá)4G。

2.2 海用磁力儀高壓密封艙的應(yīng)用

海用磁力儀主系統(tǒng)需置于高壓密封艙，以使電路密封不滲漏。水下電路采用電池供電，經(jīng)由幾千米的鎧裝同軸纜線使水下系統(tǒng)與海洋基站互連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信工作方式。主系統(tǒng)通過各向異性磁阻傳感器實(shí)現(xiàn)地磁三分量測量，通過慣性傳感器實(shí)現(xiàn)水下姿態(tài)判斷與坐標(biāo)系變換，通過大容量數(shù)據(jù)存儲實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自容工作方式。

2.3 磁力儀姿態(tài)計(jì)算

在姿態(tài)計(jì)算中主要涉及三個坐標(biāo)系，地球坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系和儀器坐標(biāo)系。研究物體的運(yùn)動時，考慮到慣性的敏感性和慣性系統(tǒng)的理學(xué)問題，通常將相對恒星所確定的參考坐標(biāo)系稱為慣性空間，空間中靜止或勻速直線運(yùn)動的參考坐標(biāo)系稱為地球坐標(biāo)系(E系)[7]。對于研究地球表面附近運(yùn)載體的導(dǎo)航定位問題，地球坐標(biāo)系的原點(diǎn)通常取在地心。地理坐標(biāo)系(T系)，即正東(X)、正北(Y)、地垂向上(Z)，不同經(jīng)緯度坐標(biāo)系不同，地球的轉(zhuǎn)動使得地理坐標(biāo)系相對地球坐標(biāo)系有轉(zhuǎn)動，它是運(yùn)載體為原點(diǎn)。固連在設(shè)備載體上的坐標(biāo)系為儀器坐標(biāo)系(B系)，它與磁力儀的X、Y、Z軸完全吻合。實(shí)際上，在導(dǎo)航定位中，運(yùn)載體相對地球的位置通常不用它在地球坐標(biāo)系中的直角坐標(biāo)來表示，而是用經(jīng)度λ、緯度φ和高度h(這里所指的是磁力儀的工作水深)來表示。圖2 表示了各坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

當(dāng)磁力儀在近海底中工作時，磁力儀相對地球的位置不斷發(fā)生改變，而地球上不同地點(diǎn)的地理坐標(biāo)系，其相對地球的坐標(biāo)系的角位置是不相同的。也就是說，磁力儀相對地球移運(yùn)動將引起地理坐標(biāo)系相對地球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動[4]。

由于設(shè)計(jì)的海用磁力儀工作于海底，磁場的總場值變化將受姿態(tài)的影響。因此，磁力儀的姿態(tài)數(shù)據(jù)(磁力儀載體的航向角γ，俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ)不可或缺。姿態(tài)數(shù)據(jù)可通過基于MEMS技術(shù)的慣性測量單元(IMU)獲得。

圖3 坐標(biāo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換

最后，可以根據(jù)(HX-BHY-BHZ-B)和載體的航向角φ，俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ求得在地平坐標(biāo)系中磁場值(HX-THY-THZ-T)。令：

可得：

3 磁力儀與上位機(jī)通信系統(tǒng)

磁力儀上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要基于Visual C++應(yīng)用程序開發(fā)工具。包括樣本數(shù)據(jù)顯示，連接設(shè)置，文件存儲，校時以及系統(tǒng)復(fù)位等功能。其中數(shù)據(jù)分別以數(shù)字和圖表顯示形式，顯示范圍可調(diào)。連接設(shè)置主要完成波特率，站位號，采樣周期等參數(shù)設(shè)置。另外包括復(fù)位下位機(jī)系統(tǒng)，校正下位機(jī)日期和時間，接收和刪除磁力儀所采集的數(shù)據(jù)等功能。其上位機(jī)與磁力儀下位機(jī)通信流程如圖4和圖5。

圖4 上位機(jī)串口通信發(fā)送端

圖5 下位機(jī)磁力儀接收端

其中部分程序：

void CSD_Contrl_PannelDlg：：OnMyMessage

(WPARAM wparam， LPARAM lparam)

{

uint32 Event=(uint32)wparam；

POSITION pos=m_FileList.GetFirstSelected

ItemPosition().TIF；Switch(Event)

{

case CMD_RST_SYS：AfxMessageBox("系統(tǒng)已

成功復(fù)位！ 請重新建立連接！")；

OnOpencom()；

break；

case CMD_SET_PARA：AfxMessageBox("參數(shù)

設(shè)置成功！")；break；

case CMD_SET_TIME_AND_DATA：AfxMes

sageBox("校時成功！")；break；

case CMD_DEL_FILE：m_FileList.DeleteItem

(DelItemNum)；

AfxMessageBox("文件刪除成功！")；break；

default：break；

}

}……

GetDlgItem(IDC_BtnConnect)-＞SetWindow

Text("連接")；

GetDlgItem(ID_OPENCOM)-＞SetWindowText

("打開串口")；

p

dlg-＞GetDlgItem(IDC_BtnConnect)-＞

SetWindowText("已連接")；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_XData)-＞SetWin

dowText(tXData)；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_YData)-＞SetWin

dowText(tYData)；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_ZData)-＞SetWin

dowText(tZData)；

pdlg-＞GetDlgItem(IDC_CaptureTime)-＞

SetWindowText(tTime)；

double all=sqrt(x1*x1 +y1*y1 +z1*z1)；

4 磁力儀系統(tǒng)調(diào)試

該磁力儀具有低功耗、高精度、存儲量大、測量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、工作時間長、實(shí)時觀測等優(yōu)勢。所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍0 ～200 000 nT，靈敏度＜0.67 nT；連續(xù)工作時間陸地3 mon，海底20 d；自容式存儲模塊指標(biāo)：最大數(shù)據(jù)空間4 G，最小采集間隔1 s。實(shí)時通信模塊指標(biāo)：通信最高速率115 200 bps，通信誤碼率≤10-6；水下嵌入式系統(tǒng)功耗≤15 W；可水下工作深度0 ～3 000 m。地球磁場在無干擾情況下， 地球磁場強(qiáng)度非常微弱， 約為0.3-0.6×10-4T。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)過程，首先在無干擾情況下測得地球磁場三分量數(shù)值以及磁場總強(qiáng)度為38 399 nT，監(jiān)測顯示結(jié)果如圖6。人體具有微弱磁性，圖7為顯示實(shí)驗(yàn)中人數(shù)次靠近和遠(yuǎn)離磁力儀引起磁力強(qiáng)度異常波動。

圖6 無異常時地球磁場強(qiáng)度

圖7 磁場強(qiáng)度顯示異常波動

5 結(jié)論

該海陸兩用磁力儀系統(tǒng)將采集的地磁變化信息經(jīng)過處理、轉(zhuǎn)換、傳輸和保存，以數(shù)據(jù)和圖線的形式直觀地顯示地磁三分量及其總強(qiáng)度。震磁前兆顯示由強(qiáng)地震引起的磁異常可能分布在較小范圍內(nèi)，而且異常能否捕捉到與觀測點(diǎn)的位置有一定關(guān)系，這就要求地磁臺站在空間分布上應(yīng)有一定的密度[8]。為全面了解震磁異常的時間過程，研究它們的形態(tài)規(guī)律，提取更加豐富的信息，實(shí)行長期連續(xù)觀測。

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