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用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，包括用于采集地球表面天然脉冲电磁场信号的传感器、控制单元以及用于供电的电源单元，所述控制单元采用MSP430F169IPM芯片，所述传感器采用地球天然脉冲电磁场甚低频接收传感器。传感器的输出端通过用于对传感器采集的信号进行二级调理的前端调理单元连接于用于进行信号放大的程控放大单元，所述程控放大单元与控制单元双向连接，所述控制单元与3G通信模块和PC连接。本发明利用传感器采集地表天然电磁场脉冲信号，然后进行预处理，并在控制单元的设定下进行程控放大，整个监测仪器电路简单、体积小、稳定、效率高，仅需直流电供电，方便野外作业。
【专利说明】用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，属于地球探测与信息【技术领域】，可应用于地震前兆研究与地震预测领域、油气勘探研究和滑坡电磁预警领域。

【背景技术】
[0002]地球天然脉冲电磁场(Earth，snatural pulse electromagnetic field,简称为ENPEMF)是指在地表能够接收到的由天然场源所产生的电磁场信号。地球表面千姿百态和地球内部各种岩石错综分布，各种断层、裂隙、褶皱的存在、地球内部压力、温度的差异，以及各种地下介质的导电性、介电常数、导磁率和电化学性质千差万别，使得地电磁场的发生、发展及分布均十分复杂。信号的场源既可反映地表上空中的各种电磁学现象，更能反映来自地壳内的“地下雷暴”。
[0003]地球天然场源的频率分布甚广，低于IHz的超低频段，IHz至IKHz的极低频段以及IKHz至10KHz的甚低频段(VLF)均有分布。虽然地球天然电磁场的频谱相当广泛，但其能量分布主要在IHz至数kHz范围内。ENPEMF产生的脉冲不仅来源于大气中，而且更多的来源于地壳构造-电能转换之间的过程。地震孕震区构造断裂带活动，类似岩样产生剪切破裂和摩擦滑动，在断裂缝周围放置各类频率的天线，采用自动快速连续观测系统，能记录下大量的从几百赫兹?几十千赫兹的电磁信号。所以地震前的断层活动是地球天然电磁脉冲电磁场的场源之一。
[0004]现有的天然脉冲电磁场信号的监测仪器为了保证数据精度，电路极其复杂，导致体积庞大、处理复杂、信号处理的容错率差，并且供电要求高，不方便野外作业。


【发明内容】

[0005]为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，利用传感器采集地表天然电磁场脉冲信号，然后通过集成芯片及外围电路将信号送到前端调理单元进行放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护、AD转换等进行预处理，然后在控制单元的设定下进行程控放大，以满足数据分析的要求，整个监测仪器电路简单、体积小、信号处理稳定、效率高，并且仅需直流电供电，方便野外作业。
[0006]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，包括用于采集地球表面天然脉冲电磁场信号的传感器、控制单元以及用于供电的电源单元，所述传感器的输出端通过用于对传感器采集的信号进行二级调理的前端调理单元连接于用于进行信号放大的程控放大单元，所述程控放大单元与控制单元双向连接，所述控制单元与3G通信模块和PC连接；所述传感器为地球天然脉冲电磁场甚低频接收传感器，包括线圈、磁芯以及外屏蔽套管，磁芯呈圆柱状，其直径为8?10mm，长度为160?180mm，磁芯采用锰锌铁氧体材料制成；所述的线圈用于接收地表天然脉冲电磁场并转换成电信号，线圈沿同一方向均匀、紧密的缠绕在磁芯上，缠绕有1900?2100匝；所述的外屏蔽套管为圆筒状的接地的铜管，外屏蔽套管套在磁芯和线圈上，其内径为9?IImm,其长度比磁芯长度大8?12mm,线圈的两端由外屏蔽套管上的同一端开口处伸出，磁芯与外屏蔽套管之间的缝隙处填充有固体胶，所述固体胶将磁芯和线圈固定在外屏蔽套管内；所述的外屏蔽套管的底部沿轴向开有一条长度与磁芯长度相同的开口。
[0007]所述的线圈为直径0.1mm的漆包线。
[0008]所述前端调理单元采用仪表放大器INA128芯片和双运算放大器0PA2227芯片的第一通道构成的二级调理电路，其中第一级调理放大电路采用仪表放大器INA128芯片，其I脚通过510 Ω的电阻0P_R1与8脚连接，其6脚通过串联的0.1uF的电容0P_C9和1K Ω的电阻0P_R2接地；第二级调理电路采用双运算放大器0PA2227芯片的第一通道，其I脚通过910 Ω的电阻0P_R3与2脚连接，其2脚通过100 Ω的电阻0P_R4接地，其3脚通过1K Ω的电阻0P_R3接地；仪表放大器INA128芯片的2脚和3脚与传感器的输出端连接；所述程控放大单元采用双运算放大器0PA2227芯片的第二通道、模拟开关sn741vc2g53芯片、数模转换器DAC7811芯片、电压运算放大器0PA277，其中双运算放大器0PA2227芯片第一通道的I脚连接数模转换器DAC7811芯片的脚9 ;双运算放大器0PA2227芯片第二通道的输出端7脚与100 Ω电阻0P_R7的一端和1K Ω电阻0P_R6的一端连接，电阻0P_R7和电阻0P_R6的另一端再分别连接模拟开关sn741vc2g53芯片的6脚和7脚，作为放大倍数的可选控制端，同时双运算放大器0PA2227芯片第二通道的输出端7脚为程控放大单元的输出端；数模转换器DAC7811芯片的I脚、2脚和10脚分别与电压运算放大器0PA277的2脚、3脚和6脚连接；电压运算放大器0PA277的6脚通过100 Ω电阻0P_R5连接于双运算放大器0PA2227芯片第二通道的6脚。
[0009]所述控制单元采用MSP430F169IPM芯片，其通过模数转换芯片ADS8361与程控放大单元连接，其中模数转换芯片ADS8361的6脚连接于MSP430F169IPM芯片的30脚；所述控制单元通过MSP430F169IPM芯片的任选的常规控制端口连接3G通信模块。
[0010]所述控制单元通过串行收发器SP202EEN-LTR芯片与PC连接，其中，MSP430F169IPM芯片的32脚和33脚分别与SP202EEN-LTR芯片的10脚和9脚连接，再与PC连接。
[0011]本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于:
[0012](I)本发明的传感器接收的信号经过前端调理单元和程控放大单元，能够进行放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护、AD转换等预处理，然后在控制单元的设定下进行程控放大，以满足数据分析的要求，稳定性高、操作简单；
[0013](2)本发明的控制单元采用MSP430F169IPM芯片，设有3G通信模块，能够实现通过网络上传数据；同时控制单元与PC连接，能够将采集的数据传输至PC进行处理；
[0014](3)本发明的用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器电路简单、体积小、信号处理稳定、效率高，并且仅需直流电供电，适用于长期野外作业；
[0015](4)本发明的传感器采用地球天然脉冲电磁场甚低频接收传感器，能将地球表面变换的天然磁场转变为线性变化的电信号，并将电压信号进行输出；所设置的外屏蔽套管解决了人工场干扰的难题，同时又能有效的接收甚低频频段天然脉冲地磁信号；利用该传感器采集甚低频频段天然脉冲地磁信号，再利用前端调理单元和程控放大单元对信号进行放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护、AD转换等预处理，稳定性高、精确度高，能够满足科学分析研究的需要，对地球物理学勘探、地质学分析和自然灾害的前兆研究有积极的意义。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1是一种用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器的结构示意图。
[0017]图2是前端调理单元和程控放大单元电路连接示意图。
[0018]图3是控制单元电路连接示意图。
[0019]图4是控制单元与PC连接的电路连接示意图。
[0020]图5是模数转换电路连接示意图。
[0021]图6是磁芯和线圈的结构示意图。
[0022]图7是地球天然脉冲电磁场甚低频接收传感器的整体结构示意图。
[0023]图8是外屏蔽套管的截面图。
[0024]图中:1-磁芯，2-线圈，3-外屏蔽套管。

【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0026]参照图1，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，包括用于采集地球表面天然脉冲电磁场信号的传感器、控制单元以及用于供电的电源单元，所述传感器的输出端通过用于对传感器采集的信号进行二级调理的前端调理单元连接于用于进行信号放大的程控放大单元，所述程控放大单元与控制单元双向连接，所述控制单元与3G通信模块和PC连接。
[0027]所述传感器采用地球天然脉冲电磁场甚低频接收传感器，其整体结构如图7所示，由线圈2、磁芯I以及外屏蔽套管3组成，所述的磁芯I呈圆柱状，其直径为8?10mm，长度为160?180mm，磁芯采用锰锌铁氧体材料制成；所述的线圈2用于接收地表天然脉冲电磁场并转换成电信号，线圈沿同一方向均勻、紧密的缠绕在磁芯上，缠绕有1900?2100匝，如图6所示，所述的线圈2为直径0.1mm的漆包线。所述的外屏蔽套管3为圆筒状的接地的铜管，外屏蔽套管3套在磁芯和线圈上，其内径为9?11mm，其长度比磁芯长度大8?12_，线圈的两端由外屏蔽套管上的同一端开口处伸出，磁芯与外屏蔽套管之间的缝隙处填充有固体胶，所述固体胶将磁芯和线圈固定在外屏蔽套管内；所述的外屏蔽套管的底部沿轴向开有一条长度与磁芯长度相同的开口，如图8所示。同时为了减小背景噪声信号的影响，天线外部套一切口为3mm的铜管，铜管接地，如图8所示。
[0028]参照图2，所述前端调理单元采用仪表放大器INA128芯片和双运算放大器0PA2227芯片的第一通道构成的二级调理电路，其中第一级调理放大电路采用仪表放大器INAl28芯片，其I脚通过510 Ω的电阻0P_R1与8脚连接，其6脚通过串联的0.1uF的电容0P_C9和1K Ω的电阻0P_R2接地，即Sce_30端接Sce_3I端；第二级调理电路采用双运算放大器0PA2227芯片的第一通道，其I脚通过910 Ω的电阻0P_R3与2脚连接，其2脚通过100 Ω的电阻0P_R4接地，其3脚通过1K Ω的电阻0P_R3接地；仪表放大器INA128芯片的2脚和3脚与传感器的输出端连接。第一级调理电路和第二级调理电路的固定增益均为10倍。
[0029]所述程控放大单元采用双运算放大器0PA2227芯片的第二通道、模拟开关sn741vc2g53芯片、数模转换器DAC7811芯片、电压运算放大器0PA277，其中双运算放大器0PA2227芯片第一通道的I脚连接数模转换器DAC7811芯片的脚9 ;双运算放大器0PA2227芯片第二通道的输出端7脚与100 Ω电阻OP_R7的一端和1K Ω电阻OP_R6的一端连接，电阻OP_R7和电阻OP_R6的另一端再分别连接模拟开关sn741vc2g53芯片的6脚和7脚，作为放大倍数的可选控制端，同时双运算放大器OPA2227芯片第二通道的输出端7脚为程控放大单元的输出端；数模转换器DAC7811芯片的I脚、2脚和10脚分别与电压运算放大器OPA277的2脚、3脚和6脚连接；电压运算放大器OPA277的6脚通过100 Ω电阻OP_R5连接于双运算放大器OPA2227芯片第二通道的6脚，即Sce_4I端连接Sce_40端。程控放大单元的增益为可选的-10倍至-1倍。
[0030]参照图3、图4和图5，所述控制单元采用MSP430F169IPM芯片，其通过模数转换芯片ADS8361与程控放大单元连接，其中模数转换芯片ADS8361的6脚连接于MSP430F169IPM芯片的30脚；所述控制单元通过MSP430F169IPM芯片的任选的常规控制端口连接3G通信模块。所述控制单元通过串行收发器SP202EEN-LTR芯片与PC连接，其中，MSP430F169IPM芯片的32脚和33脚分别与SP202EEN-LTR芯片的10脚和9脚连接，再与PC连接。图中的Header3是接线插头,3表示有3个连接引线。
[0031]传感器的采集的信号频率为5KHz?25KHz，连续记录每天24小时各时刻的脉冲数目，米集频率为秒。
【权利要求】
1.用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，包括用于采集地球表面天然脉冲电磁场信号的传感器、控制单元以及用于供电的电源单元，其特征在于:所述传感器的输出端通过用于对传感器采集的信号进行二级调理的前端调理单元连接于用于进行信号放大的程控放大单元，所述程控放大单元与控制单元双向连接，所述控制单元与3G通信模块和PC连接；所述传感器为地球天然脉冲电磁场甚低频接收传感器，包括线圈、磁芯以及外屏蔽套管，磁芯呈圆柱状，其直径为8?1mm,长度为160?180mm,磁芯采用猛锌铁氧体材料制成；所述的线圈用于接收地表天然脉冲电磁场并转换成电信号，线圈沿同一方向均匀、紧密的缠绕在磁芯上，缠绕有1900?2100匝；所述的外屏蔽套管为圆筒状的接地的铜管，外屏蔽套管套在磁芯和线圈上，其内径为9?11mm，其长度比磁芯长度大8?12mm，线圈的两端由外屏蔽套管上的同一端开口处伸出，磁芯与外屏蔽套管之间的缝隙处填充有固体胶，所述固体胶将磁芯和线圈固定在外屏蔽套管内；所述的外屏蔽套管的底部沿轴向开有一条长度与磁芯长度相同的开口。
2.根据权利要求1所述的用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，其特征在于:所述的线圈为直径0.1mm的漆包线。
3.根据权利要求1所述的用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，其特征在于:所述前端调理单元采用仪表放大器INA128芯片和双运算放大器OPA2227芯片的第一通道构成的二级调理电路，其中第一级调理放大电路采用仪表放大器INA128芯片，其I脚通过510Ω的电阻0P_R1与8脚连接，其6脚通过串联的0.1uF的电容OP_C9和1K Ω的电阻OP_R2接地；第二级调理电路采用双运算放大器OPA2227芯片的第一通道，其I脚通过910 Ω的电阻OP_R3与2脚连接，其2脚通过100 Ω的电阻0P_R4接地，其3脚通过1K Ω的电阻OP_R3接地；仪表放大器INA128芯片的2脚和3脚与传感器的输出端连接； 所述程控放大单元采用双运算放大器OPA2227芯片的第二通道、模拟开关sn741vc2g53芯片、数模转换器DAC7811芯片、电压运算放大器OPA277，其中双运算放大器OPA2227芯片第一通道的I脚连接数模转换器DAC7811芯片的脚9 ;双运算放大器OPA2227芯片第二通道的输出端7脚与100 Ω电阻OP_R7的一端和1K Ω电阻OP_R6的一端连接，电阻OP_R7和电阻OP_R6的另一端再分别连接模拟开关sn741vc2g53芯片的6脚和7脚，作为放大倍数的可选控制端，同时双运算放大器OPA2227芯片第二通道的输出端7脚为程控放大单元的输出端；数模转换器DAC7811芯片的I脚、2脚和10脚分别与电压运算放大器OPA277的2脚、3脚和6脚连接；电压运算放大器OPA277的6脚通过100 Ω电阻OP_R5连接于双运算放大器OPA2227芯片第二通道的6脚。
4.根据权利要求3所述的用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，其特征在于:所述控制单元采用MSP430F169IPM芯片，其通过模数转换芯片ADS8361与程控放大单元连接，其中模数转换芯片ADS8361的6脚连接于MSP430F169IPM芯片的30脚；所述控制单元通过MSP430F169IPM芯片的任选的常规控制端口连接3G通信模块。
5.根据权利要求4所述的用于接收地球天然脉冲电磁场信号的监测仪器，其特征在于:所述控制单元通过串行收发器SP202EEN-LTR芯片与PC连接，其中，MSP430F169IPM芯片的32脚和33脚分别与SP202EEN-LTR芯片的10脚和9脚连接，再与PC连接。
【文档编号】G01V3/40GK104391337SQ201410805153
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】郝国成, 殷玉可, 骆云彤, 赵娟 申请人:中国地质大学（武汉）