CN104865547A - 积分型脉冲磁场测量系统信号注入标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种积分型脉冲磁场测量系统小信号注入标定方法，包括下列步骤：1)卸下积分型脉冲磁场测量系统的外接磁场环天线，测量磁场环天线的面积；2)在卸去磁场环天线的脉冲磁场测量系统输入端注入某一固定频率的正弦波小信号，在系统输出端得到同频的正弦波小信号，用示波器同时测量注入和输出的正弦信号；3)根据注入信号和输出信号的幅度和频率，计算积分型脉冲磁场测量系统特征系数；4)由磁场测量环天线的匝数、面积以及积分型脉冲磁场测量系统特征系数，计算磁场测量系统的测量系数。本发明的方法使得积分型脉冲磁场测量系统的标定成本非常低廉，操作方便，避免了标定人员受到脉冲磁场照射和触电风险，确保人身安全。

Description

积分型脉冲磁场测量系统信号注入标定方法

技术领域

本发明属于脉冲磁场测量领域，尤其涉及积分型脉冲磁场测量系统的测量系数标定方法。

背景技术

随着电子技术的发展，电磁兼容问题在各行各业彰显重要。雷电电磁脉冲和各种脉冲放电过程等都涉及到脉冲磁场的测量。脉冲磁场测量在电磁兼容测量中是个难题。脉冲磁场测量可通过巨磁阻（GMR）传感器测量。但巨磁阻传感器灵敏度较低，如果被测的脉冲磁场太弱，信号经放大后信噪比就降低了。还可以由光纤传感器测量脉冲磁场，但光纤传感器太复杂，成本高，使用不方便。常用的成本低、使用方便的脉冲磁场测量是用小环天线作传感器测量脉冲磁场，信号传输使用电缆或光纤传输系统来完成。使用环天线测量脉冲磁场时，得到的是脉冲磁场的微分信号，需要积分器对微分信号积分，还原成原来的磁场信号。这就是积分型脉冲磁场测量系统。

脉冲磁场测量系统测量到的往往是电压信号，需要乘上一个磁场测量系数才能得到以磁场单位（比如特斯拉，T）为量纲的磁场信号。这个磁场测量系数需要标定才能确定。一般的标定方法是研制（或购买）一套已知的标准脉冲磁场信号源，用于产生标准的脉冲磁场，用被标定的脉冲磁场测量系统来测量这个标准磁场，将其测量值与标准值进行比对，就可得到磁场测量系数。产生标准脉冲磁场的磁场源体积庞大，成本非常高，操作复杂，使用不方便。脉冲磁场测量系统有一定的体积，放到标准的脉冲磁场源中会对其产生的标准脉冲磁场产生扰动，产生标定误差。脉冲磁场源往往是高电压、大电流设备，使用这些设备有一定的触电风险。脉冲磁场对人体照射会产生一些生物效应，因此经常使用脉冲磁场源会影响操作人员的身体健康。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种使用方便、安全，且成本低廉的积分型脉冲磁场测量系统小信号注入标定方法，得到磁场测量系数。

本发明的积分型脉冲磁场测量系统信号注入标定方法，包括下列步骤：

1) 卸下积分型脉冲磁场测量系统的外接磁场环天线，并测量磁场环天线的面积A；

2) 卸下外接磁场环天线后，在测量系统输入端注入角频率为ω的正弦波小信号u _i(t)，在系统输出端得到同频率的正弦波小信号u _o(t)，用示波器同时测量u _i(t)和u _o(t)，其频域表达式为U _i(jω)和U _o(jω)；

3) 由U _i(jω)和U _o(jω)的幅度和角频率ω，通过公式

计算积分型脉冲磁场测量系统特征系数k；

4) 由磁场环天线的匝数n、面积A以及积分型脉冲磁场测量系统的特征系数k，通过公式

计算磁场测量系统的测量系数k _m ，也就是积分型脉冲磁场测量系统的标定参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、成本低廉，不需要昂贵标准脉冲磁场源，只要小信号源和示波器即可。

2、操作方便，只需测量系统的注入和输出的小信号幅度即可，不必回到实验室就能在测量地进行现场标定。

3、克服了传统的标定方法中的磁场探头对标定磁场的扰动引起的误差问题。

4、使用小信号注入标定，避免了标定人员受到脉冲磁场照射和触电风险，人身安全有保障。

附图说明

图1是本发明的测量磁场的磁场环天线等效电路图。

图2是本发明的脉冲磁场RC积分等效电路图。

图3是本发明的积分型脉冲磁场测量系统信号注入标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步地详细说明。

实施例1

采用磁场环天线来测量脉冲磁场的原理是基于法拉第电磁感应定律。磁场测量天线的等效电路如图1所示。图1中，e(t)、L _a、R _L、U _L分别代表脉冲磁场感应电压、环天线电感、环天线负载、负载R _L上的电压。计算脉冲磁场感应电压如式（1）：

　　　　　　　                    　（1）

式（1）中是穿过磁场小环天线的磁通，B是磁感应强度，A是环天线的面积，n是小环天线的匝数，θ是磁场极化方向与环天线轴向之间的夹角。

对式（1）进行傅里叶变换得

　           　                  （2）

由图1的等效电路可得

　　　　　　           （3）

根据式（3），由U _Ｌ （t）可以计算出B（t）。当R _L >> jωL _a 时，式（3）可简化成式（4）：

                           （4）

从式（4）看出，输出电压为被测磁场的微分，需要进行积分还原。

脉冲磁场积分电路由简单的RC积分电路实现，等效电路如图2所示。图2中，e(t)是磁场环天线感应的磁场电压信号，L _a是磁场环天线的等效电感，R _L是磁场环天线的负载电阻，R是积电阻，C是积分电容，U _L是磁场环天线输出的电压，U _o是磁场测量系统输出的电压。这里假定磁场测量系统的电压传输比为1，不影响公式推导和计算过程。

由图2可知，当R >>R _L时，有

                             （5）

当 jωRC >>1时，有

                              （6）

    由式（6）可得包含测量系统的电压传输比和RC积分常数信息的测量系统特征系数k：

                               （7）

由式（6）可知U _o是U _L的积分。将式（4）代入得

                       （8）

因此经过RC积分后由磁场测量系统的输出电压U _o得到被测磁场为

                              （9）

时域表达式为式（10）：

                            （10）

如果磁场正好垂直穿过磁场环天线，则得式（11）：

                       （11）

通过标定，可得到式（11）中的磁场测量系数k _m 。下面介绍小信号注入标定方法的实例，得到磁场测量系数k _m 。

本实施例的积分型脉冲磁场测量系统的信号注入标定方法，实现过程如图3所示，具体如下：

(1) 卸下积分型脉冲磁场测量系统的外接磁场环天线，测量磁场环天线半径r为0.1m，计算得到其面积A为0.0314 m²；

(2) 在卸下磁场环天线的磁场测量系统输入端注入频率为20 kHz、角频率为ω=2π×20000 rad/s的正弦波小信号u _i(t)，在测量系统输出端得到同频率的正弦波小信号u _o(t)，用示波器同时测量u _i(t)和u _o(t)，其幅度分别为2.94V和82.4mV；

(3) 由注入和输出信号的幅度和角频率ω，通过公式

计算该积分型脉冲磁场测量系统的特征系数 k=2π×20000×0.0824/2.94=3522.35 rad/s；

(4) 由磁场环天线的匝数n=1、面积A=0. 0314 m²以及积分型脉冲磁场测量系统的特征系数 k=3522.35 rad/s，通过公式

计算磁场测量系统的测量系数 k _m = -0.00904 T/V，也就是积分型脉冲磁场测量系统的标定参数。

Claims (1)

1.一种积分型脉冲磁场测量系统信号注入标定方法，其特征在于，包括下列步骤：

1) 卸下积分型脉冲磁场测量系统的外接磁场环天线，并测量磁场环天线的面积A；

2) 在卸下磁场环天线的测量系统输入端注入角频率为ω的正弦波小信号u _i(t)，在测量系统输出端得到同频率的正弦波小信号u _o(t)，用示波器同时测量u _i(t)和u _o(t)，其频域表达式为U _i(jω)和U _o(jω)；

3) 由U _i(jω) 和U _o(jω)的幅度和角频率ω，通过公式

计算积分型脉冲磁场测量系统特征系数k；

4) 由磁场环天线的匝数n、面积A以及积分型脉冲磁场测量系统特征系数k，通过公式

计算磁场测量系统的测量系数k _m ，也就是积分型脉冲磁场测量系统的标定参数。