一种地震电磁扰动观测仪主机的制作方法

本实用新型涉及一种地震观测仪，尤其是一种地震电磁扰动观测仪主机。

背景技术：

目前，国外的地震电磁信号采集装置发展较为成熟，主要生产单位有：德国Metronix公司、俄罗斯圣彼得堡大学、加拿大Phoenix公司等。但是其设计的主要目的是用于物探(如油气勘测等)。相对我国的地震电磁前兆观测，引进国外设备不仅在运行维护方面具有一定的困难性，还会带来在观测频段和数据存储格式的统一等方面的问题。上述存在的问题促使国内开展用于地震电磁扰动观测的专业设备的研发。

地震电磁扰动观测被认为是大地震前很有希望的短期预报方法，中国在1976年唐山地震后开始了地震电磁扰动的监测研究工作，在一些强震、中强震前取得了震前电磁扰动变化的资料。地震电磁扰动观测对象为0.01Hz～20Hz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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够对地震电磁前兆进行实时观测的地震电磁扰动观测仪主机。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种地震电磁扰动观测仪主机，包括核心控制单元、FPGA采集卡、GPS模块、后置信号调理电路、电前置放大电路、磁前置放大电路、电极以及磁棒；电极的信号端与电前置放大电路的输入端相连；磁棒的信号端与磁前置放大电路的输入端相连；电前置放大电路和磁前置放大电路的输出端均与后置信号调理电路的对应输入端相连；后置信号调理电路的输出端连接至FPGA采集卡的A/D采集端；GPS模块的授时和定位数据端连接至FPGA采集卡的UART端口；FPGA采集卡的信号输出端通过PC104总线连接至核心控制单元的PC104端口。

采用GPS模块实现授时和定位的功能，使得地震电磁扰动观测数据严格的对应真实的观测地理位置和时间，保证采集到数据的时间精度，对后续的分析处理至关重要；采用电前置放大电路、磁前置放大电路以及后置信号调理电路对电极和磁棒的采集信号进行前置和后置处理，有效增强了电磁信号采集的有效性和可靠性。

作为本实用新型的进一步限定方案，还包括一个标定信号发生器；标定信号发生器的输入端与核心控制单元的UART端口相连；标定信号发生器的输出端与磁棒的标定线圈相连。采用标定信号发生器能够生成标定信号，从而有效增强磁棒信号采集数据的精确性。

作为本实用新型的进一步限定方案，还包括一个显示屏；显示屏的信号输入端与核心控制单元的VGA端口相连。采用显示屏能够实时显示采集的电磁数据，方便观察人员进行现场查看。

作为本实用新型的进一步限定方案，电前置放大电路和磁前置放大电路的输出端均通过屏蔽电缆与后置信号调理电路的对应输入端相连。采用屏蔽电缆能够有效增强电磁信号传输的抗干扰能力，方便进行远程网络传输，不仅使得地震前兆观测资料更易于远程获取和共享，还能够让多个设备组成局部监测网络。

作为本实用新型的进一步限定方案，电极包括南向长电极、北向短电极、东向长电极、西向短电极、竖向长电极以及竖向短电极；磁棒包括南北向磁棒、东西向磁棒和竖向磁棒。采用南北向、东西向以及竖向分方向进行电磁观测，具有完备的观测分量，变化电场和磁场传播和观测可分为近场区、感应区和辐射区，在近场区，电场更具有静电场特性，磁场更具有稳恒磁场特性，同时采集三个正交分量具有较好的观测效果。

本实用新型的有益效果在于：(1)采用GPS模块实现授时和定位的功能，使得地震电磁扰动观测数据严格的对应真实的观测地理位置和时间，保证采集到数据的时间精度，对后续的分析处理至关重要；(2)采用电前置放大电路、磁前置放大电路以及后置信号调理电路对电极和磁棒的采集信号进行前置和后置处理，有效增强了电磁信号采集的有效性和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的地震电磁扰动观测仪主机结构示意图；

图2为本实用新型的电前置放大电路处理结构示意图；

图3为本实用新型的磁前置放大电路处理结构示意图；

图4为本实用新型的后置信号调理电路处理结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的地震电磁扰动观测仪主机包括：核心控制单元、FPGA采集卡、GPS模块、后置信号调理电路、电前置放大电路、磁前置放大电路、标定信号发生器、显示屏、电极以及磁棒。

其中，电极的信号端与电前置放大电路的输入端相连；磁棒的信号端与磁前置放大电路的输入端相连；电前置放大电路和磁前置放大电路的输出端均通过屏蔽电缆与后置信号调理电路的对应输入端相连；后置信号调理电路的输出端连接至FPGA采集卡的A/D采集端；GPS模块的授时和定位数据端连接至FPGA采集卡的UART端口；FPGA采集卡的信号输出端通过PC104总线连接至核心控制单元的PC104端口；标定信号发生器的输入端与核心控制单元的UART端口相连；标定信号发生器的输出端与磁棒的标定线圈相连；显示屏的信号输入端与核心控制单元的VGA端口相连；电极包括南向长电极、北向短电极、东向长电极、西向短电极、竖向长电极以及竖向短电极；磁棒包括南北向磁棒、东西向磁棒和竖向磁棒。

其中，FPGA采集卡采用的是32位∑-ΔA/D数据采集，使得A/D采集端具有32位的采集性能，具有更高的A/D转换器精度。现有地震电磁信号采集装置大多采用24位AD转换器。随着32位∑-ΔA/D的普及，将32位AD应用到电磁扰动观测仪中成为主流。这不仅能够提升采集数据的精度，还能够增加设备的动态范围。

本实用新型的电极和磁棒主要布设在空旷场地，与室内设备通过屏蔽电缆连接。由于电极和磁棒的工作原理不同，所以设计的电前置放大电路和磁前置放大电路也是不同的。前置放大电路一方面使得处理后的电信号与被测量成平滑的比例关系，另一方面使得传感器信号以最小失真进行远程传输。

如图2所示，本实用新型的电前置放大电路包括共模电感、耦合电容、分压电阻、无源滤波、保护电路、差分放大、有源滤波以及单端转差分；上述的共模电感、耦合电容、分压电阻、无源滤波、保护电路、差分放大、有源滤波以及单端转差分均为现有技术中常用的电路结构，具体电路不在此处详述；电极的采集信号依次经过共模电感、耦合电容、分压电阻、无源滤波、保护电路、差分放大、有源滤波以及单端转差分处理转换后通过屏蔽电缆远程送入后置信号调理电路进行信号调理放大。

如图3所示，本实用新型的磁前置放大电路包括共模电感、分压电阻、匹配电容、保护电路、差分放大、补偿电路、有源滤波以及单端转差分；上述的共模电感、分压电阻、匹配电容、保护电路、差分放大、补偿电路、有源滤波以及单端转差分均为现有技术中常用的电路结构，具体电路不在此处详述；磁棒的采集信号依次经过共模电感、分压电阻、匹配电容、保护电路、差分放大、补偿电路、有源滤波以及单端转差分处理转换后通过屏蔽电缆远程送入后置信号调理电路进行信号调理放大。

如图4所示，本实用新型的后置信号调理电路包括共模电感、无源滤波、保护电路、差分放大、陷波滤波器、抗混叠滤波器、差分放大以及单端转差分；上述的共模电感、无源滤波、保护电路、差分放大、陷波滤波器、抗混叠滤波器、差分放大以及单端转差分均为现有技术中常用的电路结构，具体电路不在此处详述；后置信号调理电路的主要目的是把前置电路传递过来的有效信号调理成A/D转换器能够接受的电平，电路采用OPx177系列放大器组成抗混叠电路，由于经过这部分电路以后，模拟有效信号将被采样和量化成数字量，因此这部分电路需要将测量信号的频段限制在满足采样定理的频带范围之内。同时，这部分电路也会根据被测信号中含有的噪声成分，设计对应的噪声抑制电路。

FPGA采集卡是位于模拟被测信号与数字被测信号之间的桥梁。采用FPGA(Altera EP3C25)构架，AD芯片采用ADS128.该单元并不是简单的执行A/D转换，而是一个独立的数据采集和GPS管理单元。由于后置信号调理电路接收了9路前置放大电路的信号，所以在输出端需要连接两路FPGA采集卡，即第一FPGA采集卡和第二FPGA采集卡，该单元与控制核心之间通过PC104总线连接，周期的把采集到的数据与对应的地理和时间信息打包，然后通过中断通知控制核心单元读取。同时该单元还能够响应主控单元的控制命令。

核心控制单元由PC104主板(Intel Atom N455核心)和运行在上面的软件组成，是整个仪器的中心枢纽，一方面负责本地数据采集和事务管理，另一方面负责远程访问控制。该单元将从采集卡获得的数据信息进行数字滤波以后打包成符合要求的观测数据文件格式存储在本地硬盘中，当存储数据过多时删除最久记录到的历史数据，同时该单元还具有显示各个通道实时波形的能力。对于用户从本地应用程序界面或者远程界面发出操作仪器、设置参数、以及访问数据的请求，该单元是实际的执行者。该单元把采集卡配置命令通过采集卡驱动发送给对应的采集卡，把自动标定指令转换成一系列标定信号发生器能够响应的命令，并响应其他改变仪器状态的请求。核心控制单元还设置RJ45接口和USB接口。

本实用新型的地震电磁扰动观测仪主机主要技术指标包括：

通道数量：9个(3个磁通道+6个电通道)

监测频率范围： 0.01～20Hz；带内平坦度：0.1dB；

采样率：100次/秒

最大测量误差： ≤±(0.1％读数±0.1％满度值)

线性度：≤0.5％满度值

电压分辨力：优于10μV@1Hz(单峰值)

动态范围：>86dB

时间服务差：不应大于1s

道间串扰抑制： ≥74dB(相当于5000倍)

输入阻抗：≥10MΩ

A/D转换：32位

满量程电压：-2.5V～+2.5V

数据存储：至少存储15天

标定信号：可调正弦信号

接口：USB,RJ45

工作方式：长期运行

正常工作条件：

环境温度 -10～40℃

相对湿度 ≤80％

大气压力 86Pa～106Pa

工作电源 交流220V±10％，直流12V。