CN104977549A - 三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法，其中测量装置包括：巨磁阻传感器和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；3块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交，且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体；测量装置的底面水平放置，第1块PCB板的底线与x轴平行；利用3个巨磁阻传感器的测量值B1、B2和B3，可解算得到三维直角坐标轴方向的磁场分量Bx、By和Bz。本发明的PCB板与传感器、装置外壳一体化设计，结构简单，体积小，安装方便，价格低廉；能量和信号由光缆传输，抗电磁干扰能力强，克服了外接电缆对被测场的扰动。
Description
技术领域
本发明涉及一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法，可广泛应用于瞬变电磁脉冲磁场的测量，特别是一种用于三维雷电电磁脉冲磁场的测量装置与方法。
背景技术
雷电是自然界普遍存在的超强放电现象，其发展过程通常伴随强烈的电磁辐射。在信息化电子设备广泛应用的今天，由雷电电磁脉冲场造成的设备损坏率骤然上升，造成的损失也越来越严重。然而，当前对雷电现象的认识还远远不够，大量的科学问题尚未解决，需要进行深入细致的科学观测、理论探讨和实验验证。
以雷电电磁脉冲磁场而言，对其进行细致的观测对研究雷电物理、雷电损伤效应、雷电定位和雷电防护等都有极大的促进作用。早期的雷电电磁脉冲磁场测量装置采用线圈作为传感器，线圈体积较大，用于三维磁场测量时，标定、安装均不方便，且三维之间可能产生较大的互耦。与线圈相比，巨磁阻传感器体积小，频率响应范围宽，特别适合磁场的测量，且巨磁阻材料的磁阻效应可使传感器的电阻值随外加磁场的变化而改变。当巨磁阻材料受到与其敏感轴方向相平行的磁场作用时，受洛仑兹力的影响，电子的流动方向发生改变、路径加长，导致磁阻阻值增大，因此可用巨磁阻搭建电桥来测量磁场。常见的巨磁阻磁场测量装置，用两个相同的切向对磁场敏感的巨磁阻传感器测量水平方向上的二维磁场，再用一个法向对磁场敏感的巨磁阻传感器测量垂直方向上的一维磁场，合成三维磁场。此类测量装置的三个巨磁阻传感器通常安装在同一块PCB电路板上，位置并不对称，且两种类型的巨磁阻性能不一致（一种法向磁场敏感，另一种切向磁场敏感）。因此上述结构的巨磁阻传感器在三维方向上的互耦较大，同时结构非对称，不利于做成差分，共模干扰大。
发明内容
针对现有脉冲磁场三维测量中存在的问题与不足，本发明的目的是设计一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，利用PCB制作装置外壳，巨磁阻磁场传感器安装在外侧的PCB板铜层上，PCB板中间有接地铜层，起到屏蔽电磁干扰作用，内侧PCB铜层布线和安装贴片元件，其加工、安装方便，成本低廉，且对称的三棱锥形结构可以确保通过差分计算消除共模干扰。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，包括巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；3块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。
所述的巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化，其巨磁阻磁场传感器和调理电路制作于同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层的三角形重心位置直接安装切向敏感的表面贴装（贴片）巨磁阻磁场传感器，方向指向三棱锥顶；第二层铜层为地层，起屏蔽作用；第三层铜层为布线层；第四层铜层为元件层，用于安装贴片电子元器件。
所述的由3块等腰直角三角形的多层PCB电路板和等边三角形底板构成的三棱锥形四面体，在PCB制板时，其TopSolder层边沿留出一条上锡且接地的线条，并在四面体组装时，由细长的薄铜条将接缝用锡焊接起来，使整个测量装置构成一个完整的屏蔽体。
所述的调理电路中，巨磁阻磁场传感器电桥的两个信号输出端与运算放大器的差分输入端连接，实现对每一个巨磁阻磁场传感器信号的差分放大。
所述的电光转换模块将调理电路输出的磁场信号转换成光信号，经由光缆从测量装置输送至远处的光接收机，转换成电信号，再由数字采集系统转换成计算机处理的数字信号。
所述的激光供能模块将远处激光器发出并通过光缆送来的激光能量转换成电能，给巨磁阻磁场传感器、调理电路和电光转换模块提供电能。
所述的全介质光缆包括传输供能激光的光缆和传输测量信号的光缆，不含金属加强筋，从测量装置的底板穿过。
用三棱锥形脉冲磁场测量装置测量脉冲磁场的方法如下：
（1）用磁场模拟器对三棱锥形脉冲磁场测量装置的每一个巨磁阻磁场传感器分别标定；被标定的巨磁阻磁场传感器磁场敏感方向与磁场模拟器磁场方向一致，根据磁场模拟器产生的脉冲磁场峰值和测量输出的电压峰值，分别算出3个巨磁阻磁场传感器的磁场测量灵敏系数k1，k2，k3；
（2）测量时将测量装置按给定的位置放置，使测量装置的底面与xoy水平面平行，第1块PCB电路板的底线与x轴平行；
（3）由三棱锥形巨磁阻磁场传感器测量得到的脉冲磁场输出电压分别除以对应的磁场测量灵敏系数k1，k2，k3，得到巨磁阻磁场传感器切向上的磁场B1、B2和B3；
（4）利用公式(1)~(3)分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交磁场分量Bz、By和Bx；
(1)
(2)
(3)
（5）上述3个正交分量，矢量合成得到被测三维磁场。
本发明的脉冲磁场测量原理如下：
假设三棱锥的第1块等腰直角三角形PCB板（三棱锥第1侧面）底边位于x轴，三棱锥的底面在xoy水平面内，三棱锥侧面与xoy平面的夹角为α，则有
(4)
(5)
以直角坐标轴所指方向为三维磁场的参考方向，3个正交分量的大小分别为Bx、By和Bz，则被测三维磁场为上述3个矢量分量之和，即
(6)
由于切向磁场敏感的巨磁阻磁场传感器安装在三棱锥侧面的三角形重心，方向指向三棱锥顶，且三个巨磁阻磁场传感器型号相同，位置结构对称。因此有
巨磁阻磁场传感器1（在三棱锥第1侧面上）对被测磁场的响应B1为
(7)
巨磁阻磁场传感器2（在三棱锥第2侧面上）对被测磁场的响应B2为
(8)
巨磁阻磁场传感器3（在三棱锥第3侧面上）对被测磁场的响应B3为
(9)
根据3个巨磁阻磁场传感器测得的3个磁场响应值B1、B2和B3，利用公式(10) ~ (12)即可求得被测磁场在三维直角坐标轴方向上的三个正交分量Bz、By和Bx，
(10)
(11)
(12)
利用公式(6)进行Bz、By、Bx矢量求和，得到被测磁场。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1、PCB电路板与测量装置外壳一体化设计，结构简单，加工精度高，且生产加工和安装调试方便，价格低廉；
2、感应磁场的巨磁阻传感器与调理电路制作于同一块多层PCB电路板上，消除了传感器与调理电路电缆连接时存在的电磁干扰；
3、使用对称的三棱锥结构，易于对水平二维磁场实现差分测量，克服了共模干扰；
4、利用光纤传输激光来供能，输出信号也由光纤传输，消除了外接电缆对被测场的干扰，且不需要蓄电池供电，易于维护；
5、采用巨磁阻磁场传感器，体积小，利用磁场模拟器对其进行灵敏系数标定时较为方便；
6、三维磁场可通过对3个三棱锥侧面上相同类型巨磁阻磁场传感器所测的信号进行解算得到，减小了磁场在三维方向上的互耦，提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明涉及的三棱锥形三维脉冲磁场测量装置原理图；
1、2、3—巨磁阻磁场传感器 4、5、6—对应于1、2、3传感器的调理电路 7、8、9—对应于1、2、3传感器的电光转换模块 10、11、12、14—全介质光缆 13—激光供能模块
图2是本发明的脉冲磁场测量调理电路原理图；
图3是本发明的三棱锥形三维脉冲磁场PCB板坐标图；
ABC—位于xoy平面内的装置底面 D—三棱锥顶。
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详细说明。
实施例：参考图1，三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，包括巨磁阻磁场传感器1、2、3，调理电路4、5、6，电光转换模块7、8、9，激光供能模块13，以及全介质光缆10、11、12、14；其特征在于，巨磁阻磁场传感器和对应的调理电路制作在同一块等腰直角三角形的4层PCB电路板上，完全一致的3块等腰直角三角形的4层PCB电路板相互正交，组合在一起成直角锥状，倒扣在一个等边三角形底板上，构成一个三棱锥形的四面体。每一块4层PCB电路板中，最外层（第1层）铜层的三角形重心位置直接安装切向敏感贴片的巨磁阻磁场传感器，方向指向三棱锥顶；第2层铜层为地层，起屏蔽作用；第3层铜层为布线层；第4层铜层为元件层，用于安装调理电路。元件均采用贴片元件，体积小、抗电磁干扰能力强。PCB制板时，在其TopSolder层边沿设计一条上锡且接地的线条。在四面体组装时，由细长的薄铜条将接缝用锡焊接起来，使整个测量装置构成一个完整的屏蔽体。整个三棱锥形三维磁场测量电路与装置外壳浑然一体。
三棱锥内装激光供能模块13，由PPC-6E光电池构成，将远处激光器发出并通过光缆14送来的激光能量转换成电能，给整个测量装置供电。脉冲磁场信号通过电光转换模块7、8、9转换成光信号由光缆10、11、12输出，在远端由光接收机将磁场光信号转换成电信号，再由数字采集装置转换成数字信号，进行处理。传输远端发出的供能激光的光缆14和传输测量信号的光缆10、11、12为全介质光缆，并从测量装置的底板穿过。
参考图2，巨磁阻磁场传感器电桥的两个信号输出端与运算放大器的差分输入端连接，实现对巨磁阻磁场传感器信号的差分放大。
三维的巨磁阻磁场传感器既不水平放置，也不垂直放置，水平和垂直方向的磁场分量均经计算还原得到。
参考图3，三棱锥的第1块等腰直角三角形PCB板（三棱锥第1侧面）底边位于x轴，三棱锥的底面ABC位于xoy平面内，D为三棱锥顶。
设三棱锥侧面与xoy平面的夹角为α，则有
(1)
(2)
以直角坐标轴所指方向为三维磁场的参考方向，3个正交分量分别为Bx、By和Bz，则被测三维磁场为3个正交矢量之和，表示为
(3)
由于切向磁场敏感的巨磁阻磁场传感器安装在三棱锥侧面的三角形重心，方向指向三棱锥顶，3个巨磁阻磁场传感器型号相同，且位置结构对称。因此，
巨磁阻磁场传感器1（在三棱锥第1侧面上）对被测磁场的响应B1为
(4)
巨磁阻磁场传感器2（在三棱锥第2侧面上）对被测磁场的响应B2为
(5)
巨磁阻磁场传感器3（在三棱锥第3侧面上）对被测磁场的响应B3为
(6)
根据3个巨磁阻磁场传感器测得的3个磁场响应值B1、B2和B3，由公式(7) ~ (9)可求得被测磁场在三维直角坐标轴方向上的3个正交分量Bz、By和Bx，
(7)
(8)
(9)
利用公式(3)进行Bz、By、Bx矢量求和，得到被测磁场。
利用三棱锥形脉冲磁场测量装置测量脉冲磁场的方法如下：
（1）用磁场模拟器对三棱锥形脉冲磁场测量装置的每一个巨磁阻磁场传感器分别标定；被标定的巨磁阻磁场传感器磁场敏感方向与磁场模拟器磁场方向一致，根据磁场模拟器产生的脉冲磁场峰值和测量输出的电压峰值，分别算出3个巨磁阻磁场传感器的磁场测量灵敏系数k1，k2，k3；
（2）测量时将测量装置按给定的位置放置，使测量装置的底面与xoy水平面平行，第1块PCB电路板的底线与x轴平行；
（3）由三棱锥形巨磁阻磁场传感器测量得到的脉冲磁场输出电压分别除以对应的磁场测量灵敏系数k1，k2，k3，得到巨磁阻磁场传感器切向上的磁场B1、B2和B3；
（4）利用公式(7)~ (9)分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交磁场分量Bz、By和Bx；
（5）上述3个正交分量，矢量合成得到被测三维磁场。
Claims (8)
1.一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法，测量装置包括巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；其特征在于，3块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。
2.根据权利要求1，所述的巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化，其特征在于，巨磁阻磁场传感器和调理电路制作到同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层的三角形重心位置直接安装切向敏感的贴片巨磁阻磁场传感器，方向指向三棱锥顶；第2层铜层为地层，起屏蔽作用；第3层铜层为布线层；第4层铜层为元件层，用于安装贴片电子元器件。
3.根据权利要求1，所述的由3块等腰直角三角形的多层PCB电路板和等边三角形底板构成的三棱锥形四面体，其特征在于，PCB制板时，在其TopSolder层边沿留出一条上锡且接地的线条，四面体组装时，由细长的薄铜条将接缝用锡焊接起来，使整个测量装置构成一个完整的屏蔽体。
4.根据权利要求1，所述的调理电路，其特征在于，巨磁阻磁场传感器电桥两个信号输出端与运算放大器的差分输入端连接，实现对每一个巨磁阻磁场传感器信号的差分放大。
5.根据权利要求1，所述的电光转换模块，其特征在于，将调理电路输出的磁场信号转换成光信号，由光缆从测量装置输送至远处的光接收机，转换成电信号，再由数字采集系统转换成计算机处理的数字信号。
6.根据权利要求1，所述的激光供能模块，其特征在于，将远处激光器发出且通过光缆送来的激光能量转换成电能，给巨磁阻磁场传感器、调理电路和电光转换模块提供电能。
7.根据权利要求1，所述的全介质光缆，其特征在于，包括传输供能激光的光缆和传输测量信号的光缆，不含金属加强筋，从测量装置的底板穿过。
8.三棱锥形脉冲磁场测量装置测量脉冲磁场的方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）用磁场模拟器对三棱锥形脉冲磁场测量装置的每一个巨磁阻磁场传感器分别标定；被标定的巨磁阻磁场传感器磁场敏感方向与磁场模拟器磁场方向一致，根据磁场模拟器产生的脉冲磁场峰值和测量输出的电压峰值，分别算出3个巨磁阻磁场传感器的磁场测量灵敏系数k1，k2，k3；
（2）测量时将测量装置按给定的位置放置，使测量装置的底面与xoy水平面平行，第1块PCB电路板的底线与x轴平行；
（3）由三棱锥形巨磁阻磁场传感器测量得到的脉冲磁场输出电压分别除以对应的磁场测量灵敏系数k1，k2，k3，得到巨磁阻磁场传感器切向上的磁场B1、B2和B3；
（4）利用公式(1)~(3)分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交磁场分量Bz、By和Bx；
(1)
(2)
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