CN103439586B - 一种用于测量室内电磁辐射的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测室内电磁辐射的便携式电磁波辐射测量装置及其测量方法。本发明包括装置本体以及用于感应并检测电磁辐射信号的探头，所述探头连接用于将检测到的电磁辐射信号划分为不同频率段的分频滤波器电路，所述分频滤波器电路输出的信号经与所述分频滤波器电路连接的放大电路放大后，由与所述放大电路连接的单片机进行信号处理。本发明根据室内环境电磁波的传播特点，将电磁波划分为三个频段，分别为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz，通过选择响应频率在100kHz～3GHz的探头实现一台设备对不同频率的分段测量，测量值仅为该频率段内的辐射源对电磁环境造成的辐射影响而不是所有辐射源总体造成的结果，保证了测量结果的科学性。

Description

一种用于测量室内电磁辐射的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于电磁场理论与电子电路设计的交叉技术领域，具体的说是涉及一种用于检测室内电磁辐射的便携式电磁波辐射测量装置及其测量方法。

背景技术

世界卫生组织已将电磁辐射污染列为继水、空气、噪声污染之后的第四大环境污染。随着城市工作和居住区迅速扩张，使得一些大中型广播电视发射塔与无线电通信站逐渐被新开发的居民区包围；移动通信技术的迅猛发展，城市市区内高层建筑上架起成百上千个移动通信发射基站；加之现代科学技术的发展，微波炉、电磁炉等常用电器走入了千家万户，使得电磁环境污染问题愈加复杂，严重威胁着人类生存和健康状况，不同频段的电磁辐射对人体的危害体现在心血管系统、神经系统、免疫系统、生殖系统和内分泌系统等几个方面。

随着目前电磁辐射种类的日益增多，现有的便携式检测设备在给出定性测量数据的同时，大多没有根据频段、远场和近场特点等情况选择科学的检测方法。很多用单片机实现电磁辐射测量的装置，其测量的结果在该探头测量频率范围内与频率无关，致使测量结果与检测标准相脱节，导致测量结果没有说服力、缺乏科学性。由于不同频段的电磁波对人体的作用机理不同，国内标准中不同频段的防护限值差别是很大的。而传统测量设备测量出的场强综合值由于不确定属于哪类电磁波而不好直接判断是否超标。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种新型的电磁波辐射测量装置，该装置具有检测结果准确且能够实现对电磁波进行分段测量等优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种用于测量室内电磁辐射的装置，包括装置本体以及用于感应并检测电磁辐射信号的探头，其特征在于：所述探头连接用于将检测到的电磁辐射信号划分为不同频率段的分频滤波器电路，所述分频滤波器电路输出的信号经与所述分频滤波器电路连接的放大电路放大后，由与所述放大电路连接的单片机进行信号处理。

鉴于室内环境电磁波的传播特点，室内常见电磁辐射源的频率主要分布在3GHz以下的特点，结合《环境电磁波卫生标准》及其相关标准，所述分频滤波器电路的响应频率为100kHz～3GHz，并依据检测信号的频率采用分别为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz频段的分频滤波器响应电路。

具体的在100kHz～30MHz频段采用LC无源3阶低通滤波器电路；在30MHz～300MHz频段采用LC无源2阶带通滤波器电路；在300MHz～3GHz频段采用4阶高通微带滤波器电路。

工作原理：将探头内的电磁辐射传感器检测到的信号分别送至上述三个分频电路中，即可实现将电磁波划分为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz三个频段，选用合适的放大电路分别将三个分频信号进行放大后，信号被送至单片机中进行信号处理，即可实现对电磁波的分段测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明根据室内环境电磁波的传播特点，室内常见电磁辐射源的频率主要分布在3GHz以下，结合《环境电磁波卫生标准》及其相关标准，将电磁波划分为三个频段，分别为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz，通过选择响应频率在100kHz～3GHz的探头(或者频带更宽的探头)实现一台设备对不同频率的分段测量，测量值仅为该频率段内的辐射源对电磁环境造成的辐射影响而不是所有辐射源总体造成的结果。通过将测量值与《环境电磁波卫生标准》及其相关标准对应的频段限值进行比较，得出电磁波辐射的程度情况，真正意义上做到令测量值“有法可依”，保证了测量结果的科学性。

附图说明

图1、本发明在100kHz～30MHz频率段采用LC无源3阶巴特沃斯低通滤波技术的电路图；

图2、本发明在100kHz～30MHz频率段采用LC无源3阶巴特沃斯低通滤波技术的滤波效果图；

图3、本发明在30MHz～300MHz频率段采用LC无源2阶巴特沃斯带通滤波技术的电路图；

图4、本发明在30MHz～300MHz频率段采用LC无源2阶巴特沃斯带通滤波技术的滤波效果图；

图5、本发明在300MHz～3GHz频率段采用4阶巴特沃斯高通微带滤波技术的电路图；

图6、本发明在300MHz～3GHz频率段采用4阶巴特沃斯高通微带滤波技术的滤波效果图；

图7、是本发明实施实例的原理示意图；

图8、是本发明实施实例中运算放大电路的结构示意图；

图9、是本发明实施实例LED显示部分电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例进一步说明本发明的技术方案：

如下表1，根据《环境电磁波卫生标准》的规定，辐射强度的限值是按照不同频段进行划分。

表1环境电磁波容许辐射强度分级标准

而由于不同频段的电磁波对人体造成伤害的机理不同，对于不同频率的电磁波，人体的主要吸收部位也不一样，因此标准中每个频段的防护限值差别是很大的。传统测量设备测量出的场强综合值由于不确定属于哪类电磁波而不好直接判断是否超标。

本发明的设计思想：根据室内环境电磁波的传播特点，室内常见电磁辐射源的频率主要分布在3GHz以下，结合《环境电磁波卫生标准》及其相关标准，将电磁波划分为三个频段，分别为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz，通过选择响应频率在100kHz～3GHz的探头(或者频带更宽的探头)实现一台设备对不同频率的分段测量，测量值仅为该频率段内的辐射源对电磁环境造成的辐射影响而不是所有辐射源总体造成的结果。通过将测量值与《环境电磁波卫生标准》及其相关标准对应的频段限值进行比较，得出电磁波辐射的程度情况，真正意义上做到令测量值“有法可依”，保证了测量结果的科学性。

为了实现上述的电磁波分段测量，本发明分别对所述三个频段采用不同的滤波器电路，对于响应频率在100kHz～3GHz的探头，在100kHz～30MHz频段采用LC无源3阶低通滤波器电路；对于30MHz～300MHz频段采用LC无源2阶带通滤波器电路；对于300MHz～3GHz频段采用4阶高通微带滤波器电路。而对于响应频率更大的探头，可分别对上述三个频段采用对应的带通滤波技术可实现相同的效果。

其具体的实现过程：

在电磁辐射检测设备探头(内部设置用于检测待检测环境的电磁辐射信号的电磁辐射传感器)的天线后方连接分频滤波器电路，图1为100kHz～30MHzLC无源3阶低通滤波器电路图，该滤波器响应类型为巴特沃斯类型，主要考虑其具有通频带内都有平稳的幅频特性特点，当然根据不同的测量精度需要也可选用切比雪夫、贝塞尔或是椭圆形类型滤波器，以获得不同的幅频特性；所述100kHz～30MHz低通滤波器也可以选用一阶RC滤波器，虽然体积要小、成本要低，但滤波效果不如LC滤波器。所述100kHz～30MHzLC低通滤波器的输入阻抗为探头天线的输出负载，其优选值为50Ω，也可以根据不同天线的参数进行更改。所述低通滤波器的输出负载为放大电路的放大器的输入阻抗，这里我们选用放大电路的放大器AD620的输入阻抗为10GΩ。所述三阶低通滤波器的两个电容值分别选用51pF、150pF，电感值选用390nH。由图2可以看出本滤波电路在30MHz时的幅频特性为-2.9dB(＞-3dB)满足通频带的要求，而在50MHz时衰减较大，达到-14dB。

对于30MHz～300MHz频段采用LC无源2阶带通滤波器电路，同样该滤波器响应类型为巴特沃斯类型。对于各个频段滤波器阶数的确定，通常阶数越高滤波效果越好，但对于便携式电磁辐射检测设备来说，需要同时考虑滤波器带来的损耗和成本问题，带通滤波器的结构较为复杂，因此如图3选用二阶结构，所述二阶带通滤波器的两个电容值分别选用120pF、16pF，电感值分别选用24nH和180nH。由图4可以看出在30MHz、300MHz时的幅频特性分别为-2.4dB、-2.8dB(＞-3dB)满足通频带的要求，而在阻带10MHz、500MHz时衰减较大，分别达到-21dB和-11dB。所述低通、带通滤波器电路的电容值、电感值均为常用标准值，可直接购买且所述低通、带通滤波器电路还可以通过级联的方式来提高滤波效果，原理是相同的。

无源滤波器电路在高达几百MHz的频率还可以很好地工作，但超过这个范围元件将显著偏离理想值，寄生开始起支配作用，使得元件值变得没有实际意义。

因此在所述300MHz～3GHz频段不能再简单的使用LC无源滤波器，本发明选用的是4阶巴特沃斯高通微带滤波器电路，该滤波器的特点在于重量轻、体积小、易于集成。由于滤波器体积的减小，使得单位面积中的结构更加紧凑，也可以适当增加滤波器的阶数以提高滤波的效果，所述微带滤波器基板相对介电常数Er选用2.55，基板厚度为1.27mm，金属层厚度为30μm，微带线的具体设置如图5所示。而由图6可以看出微带线滤波器的性能较好，符合300MHz高通滤波的要求。

将探头内的辐射传感器检测到的信号分别送至上述三个分频电路中，如图7所示，可实现将电磁波划分为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz三个频段，放大器的放大电路可选用AD620+OP07运放电路，其中AD620的1、8管脚接电阻39kΩ，AD620与OP07之间以及OP07的2管脚连接5.1kΩ，OP07的3管脚连接20kΩ的滑动变阻器，如图8所示。也可根据不同频段电磁波的特点分别选择不同特性的放大电路。最后将信号分别送至单片机中进行信号处理，即可实现对电磁波的分段测量。

为了将本分频测量的结果更直观清晰的表示出来，除了利用常规的LCD显示屏显示测量数值外，还设计了利用红黄绿LED发光二极管灯组显示各个分频段内不同限值范围的显示电路，使用者无需考虑当前测量数值对应的电磁辐射的辐射超标范围是何种数值，直接观察各个分频段对应的红黄绿LED发光二极管灯组的亮\灭情况，即可了解当前环境是否安全。

具体的显示部分的电路原理如图9所示，将所述电磁波分频处理后的三个信号分别送至PIC单片机对应的RA0、RA1、RA2输入端口进行信号处理，PIC单片机内设置比较运算程序，并依据上述分频段的频段范围以及环境电磁辐射规定等数值范围要求划分对应当前频段的一级、二级、三级(超标)限值范围，各个频段的一级、二级、三级(超标)限值范围对应设置9个输出端口，各个频段的一级限值范围对应的输出端口连接绿色LED发光二极管；各个频段的二级限值范围对应的输出端口连接黄色LED发光二极管；各个频段的三级限值范围对应的输出端口连接红色LED发光二极管，若是经过单片机计算后的测量值落入到相应的限值范围内时，则PIC单片机对应的输出端口输出高电平，控制相应的LED灯点亮。

基于上述原理而设计的检测电磁辐射量的方法如下：1、利用电磁辐射传感器感应并检测待检测环境的电磁辐射信号；2、将检测到的电磁辐射信号送至分频滤波器电路进行分频滤波处理；3、所述分频滤波器电路输出的信号放大后，送至单片机进行信号处理，即可实现对电磁波的分段测量。

所述信号处理包括分频滤波处理之后各个分频信号利用LED灯组显示的过程：ⅰ、将检测到的分频滤波处理后的各个分频信号分别送至PIC单片机各个分频段对应的输入端口；ⅱ、PIC单片机计算当前分频信号的测量值，并将所述测量值与PIC单片机内预设的各个分频段对应的预设值范围进行比较；ⅲ、若所述测量值落入各个分频段对应的预设值范围内，则PIC单片机各个分频段对应的预设值范围对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的LED发光二极管点亮。

所述的各个分频段对应的预设值范围均包括三种不同的限值范围，分别为一级限值范围，二级限值范围，三级限值范围，一级限值范围对应的输出高电平的输出端口连接绿色LED发光二极管,二级限值范围对应的输出高电平的输出端口连接黄色LED发光二极管,三级限值范围对应的输出高电平的输出端口连接红色LED发光二极管；若是测量的当前分频信号经PIC单片机计算后的测量值与PIC单片机内预设的分频段对应的预设值范围进行比较后，落入一级限值范围值内，则对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的绿色LED发光二极管点亮；落入二级限值范围值内，则对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的黄色LED发光二极管点亮；落入三级限值范围值内，则对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的红色LED发光二极管点亮。

本方法依据的分频滤波器电路的分频原理是根据室内环境电磁波的传播特点，室内常见电磁辐射源的频率主要分布在3GHz以下并结合《环境电磁波卫生标准》及其相关标准行划分的，具体的可将电磁波划分为三个频段，分别为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz，为了实现上述的电磁波分段测量，分别对所述三个频段采用不同的滤波技术，在100kHz～30MHz频段采用LC无源3阶低通滤波；对于30MHz～300MHz频段采用LC无源2阶带通滤波；对于300MHz～3GHz频段采用4阶高通微带滤波。本方法能够实现一台设备对不同频率的分段测量，测量值仅为该频率段内的辐射源对电磁环境造成的辐射影响而不是所有辐射源总体造成的结果。对不同频率的电磁波分段测量的设计，考虑中国国内电磁辐射标准的相关特点，使电磁辐射测量值真正意义上做到“有法可依”，进而保证了测量结果的科学性，尤其适用于便携式设备用于电磁环境污染的综合检测。

具体的实施例如图9，本方法所述三个频段的每一个频段都对应一组绿灯、黄灯和红灯。经过单片机计算后的信号测量值，分别与所述三个频率段相应的限值范围进行比较：当100kHz～30MHz频段(长、中、短波频段)的电磁波输入到RA0端口的测量值达到相应标准的一级限值范围时，单片机的RB0端口输出高电平，LED1绿灯亮，根据《环境电磁波卫生标准》的规定，在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群(包括婴儿、孕妇和老弱病残者)，均不会受到任何有害的影响；若输入到RA0端口的测量值达到二级限值范围，则单片机的RB1端口置1输出高电平，LED2黄灯亮，表示在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群(包括婴儿、孕妇和老弱病残者)可能引起潜在性的不良反应，建议采取必要的防护措施；而当该频段的测量值达到三级限值范围时，单片机RB2置高电平，LED3红灯亮，说明该频段的电磁强度超标，会对人体可带来有害影响。具体限值范围可以依据实际使用需求或者环境电磁波卫生标准进行划分。

同理，30MHz～300MHz频段(超短波频段)的电磁波输入到RA1端口的测量值达到相应标准的一级限值范围时，RD0输出高电平，LED4绿灯亮；达到二级限制范围时，RD1置高电平，LED5黄灯亮；达到三级限值范围时，RD2置高电平，LED6红灯亮；300MHz～3GHz频段(微波频段)的电磁波输入到RA2端口的测量值达到相应标准的一级限值范围时，LED7绿灯亮；达到二级限值范围时，LED8黄灯亮；达到三级限值范围时，LED9红灯亮。

综上所述，当本便携式测量设备的测量值符合《环境电磁波卫生标准》对应频段的一级限值范围时，绿灯亮表示该频段的电磁辐射程度是安全的不会造成任何有害影响；当检测值处于二级限制范围时，黄灯亮说明该频段的电磁环境可能对人体存在潜在性的危害，可以考虑适当采取些防护措施；然而当红灯亮时就表明电磁辐射强度已经超过二级限制范围，会对人体造成伤害，对于人群经常活动的区域必须采取措施或者限制辐射时间。只有当三组LED灯的三个绿灯或者是绿灯和黄灯同时亮起时，才表示该区域的电磁环境是安全的，对于非专业的操作者不需要记住每一频段的辐射限值，通过观察LED灯组就能快速判断出电磁环境的辐射强度是处于“健康”的、“亚健康”的还是“疾病”的状态，同时也有助于针对特定频段的电磁辐射超标采取恰当的防护措施。

以上所述，仅为本发明的具体思路和设计方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的思路范围内，根据本发明的设计方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于测量室内电磁辐射的装置，包括装置本体以及用于感应并检测电磁辐射信号的探头，其特征在于：所述探头连接用于将检测到的电磁辐射信号划分为不同频率段的分频滤波器电路，所述分频滤波器电路输出的信号经与所述分频滤波器电路连接的放大电路放大后，由与所述放大电路连接的PIC单片机进行信号处理，其中所述的分频滤波器电路的响应频率为100kHz～3GHz，并依据检测信号的频率采用分别为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz三个频段的分频滤波器响应电路；所述的分频滤波器响应电路在100kHz～30MHz频段采用LC无源3阶低通滤波器电路，响应类型为巴特沃斯类型；在30MHz～300MHz频段采用LC无源2阶带通滤波器电路，响应类型为巴特沃斯类型；在300MHz～3GHz频段采用4阶高通微带滤波器电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述LC无源3阶低通滤波器电路的响应类型可选用切比雪夫、贝塞尔或是椭圆形类型中任意一种替代。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述LC无源3阶低通滤波器电路的输入阻抗为探头天线的输出负载值，其值为50Ω；所述LC无源3阶低通滤波器电路的输出负载为放大器的输入阻抗；所述LC无源3阶低通滤波器电路的两个电容值分别选用51pF、150pF，电感值选用390nH。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述LC无源2阶带通滤波器电路的两个电容值分别选用120pF、16pF，电感值分别选用24nH和180nH。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述4阶高通微带滤波器电路的微带滤波器基板相对介电常数Er选用2.55，基板厚度为1.27mm，金属层厚度为30μm。

6.一种使用如权利要求1所述的装置检测电磁辐射量的方法，其特征在于：包括：ⅰ、利用所述探头内的电磁辐射传感器感应并检测待检测环境的电磁辐射信号；ⅱ、将检测到的电磁辐射信号送至分频滤波器电路进行分频滤波处理，所述分频滤波处理包括将待测电磁波划分为100kHz～30MHz、30MHz～300MHz、300MHz～3GHz三个频段后进行分频滤波处理；并对所述三个频段采用不同的滤波技术，对100kHz～30MHz频段采用LC无源3阶低通滤波，对30MHz～300MHz频段采用LC无源2阶带通滤波，对于300MHz～3GHz频段采用4阶高通微带滤波；ⅲ、将所述分频滤波器电路输出的信号放大后，送至PIC单片机进行信号处理，完成对检测电磁波的分段测量过程。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述信号处理包括分频滤波处理之后各个分频信号利用LED灯显示的过程：ⅰ、将检测到的分频滤波处理后的各个分频信号分别送至PIC单片机各个分频段对应的输入端口；ⅱ、PIC单片机计算当前分频信号的测量值，并将所述测量值与PIC单片机内预设的各个分频段对应的预设值范围进行比较；ⅲ、若所述测量值落入各个分频段对应的预设值范围内，则PIC单片机各个分频段对应的预设值范围对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的LED发光二极管点亮。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的各个分频段对应的预设值范围均包括三种不同范围的限值范围，分别为一级限值范围，二级限值范围，三级限值范围，一级限值范围对应的输出高电平的输出端口连接绿色LED发光二极管,二级限值范围对应的输出高电平的输出端口连接黄色LED发光二极管,三级限值范围对应的输出高电平的输出端口连接红色LED发光二极管,若是测量的当前分频信号经PIC单片机计算后的测量值与PIC单片机内预设的分频段对应的预设值范围进行比较后，落入一级限值范围值内，则对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的绿色LED发光二极管点亮；落入二级限值范围值内，则对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的黄色LED发光二极管点亮；落入三级限值范围值内，则对应的输出端口输出高电平，控制与输出端口连接的红色LED发光二极管点亮。