CN106353606A - 一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法，准各向同性电场检测天线阵包含三个互相垂直的电场检测面天线，每一个面天线对电场法线方向的辐射进行检测，准各向同性磁场检测天线阵包含三个互相垂直的磁场检测环天线，每一个环天线对垂直于天线平面的磁场辐射进行检测，实现了对工频电磁场进行全向检测的目的；而且准各向同性电场检测天线阵与准各向同性磁场检测天线阵的一体化设计，探测处理单元收到来自每一个面天线和环天线的信号，产生正比于收到的工频电磁场辐射信号强度的输出信号，然后送到上位机进行显示，通过采用该装置可以实现5Hz‑1MHz频率范围内的工频电磁场辐射的超宽带全向探测及强度显示。

Description

一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁场辐射领域，尤其涉及一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法。

背景技术

电磁场辐射是一种看不见、摸不着、难以感知的“隐形污染”。当在一定的空间中，电磁辐射强度达到一定限值以后，将对人身健康或动物的生存安全等产生不良影响，同时也对电子仪器、设备，包括通信设备的安全运行产生影响。在电力工业中，精确地测量电力设备周围空间电磁场及变化，对电力设备的设计制造和安全运行有重要的意义。除电力系统电磁兼容问题外，很多其它领域也存在电磁兼容问题，都需要工频电磁场的测量作为其实验支持。

早期人们测量工频电场主要采用电学原理的方法，如小球法、电容充电法等电位平衡的方法及电荷法等。电位平衡法的测量原理是通过测量电位分布来进行电场测量，准确性较差；电荷法的测量原理是通过计算小球在电场中捕获的电荷来测量电场，具有很大的局限性。近年来，在测量包括工频电场在内的强电场时，以电学原理为基础设计的电荷感应式电场仪仍然得到广泛应用；在测量幅值小、频率高的电场时，基于光学原理的电场仪应用较多。

尤其是在电力系统工程应用中，常常需要了解设备表面和内部的工频电场，如超高压输电线路导体表面和附近的电场分布、绝缘子表面电场分布、高压电器内部电场分布等，从而更好地研究设备运行的状态及优化改进设备；在电磁效应研究领域，准确地确定电场强度，及时发现电场过高、不适于长时间工作的区域，对长期处于高压强电场环境下人员的人身安全和健康具有重要意义。目前，常用的工频电场辐射检测器的传统方案是采用球形传感器进行电场辐射检测，如图1所示的，通过球形传感器将一中空的球壳分成两部分，分隔后的上半球面和下半球面为传感器的两个电极。通过绝缘物质将其连接在一起，在传感器的电极间接入测量电容后，电容上产生的电压便可作为测量信号。但其结构复杂，很难加工及固定，同时该检测器只能针对一个方向的电场进行检测，难以实现电场全向检测，该电场检测器只是简单的进行电场强度的检测，无法识别辐射电场的频率。因工频频率范围内的电场和磁场无法直接互相换算，该探测器也无法进行工频磁场强度的检测。

因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供的一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法，以实现对工频电磁场进行全向检测的目的。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种用于工频电磁场全向检测的装置，其包括探测处理单元，其中，探测处理单元一部分的外壁上均匀布置有三个电场检测面天线，探测处理单元剩余部分的外壁上均匀布置有三个磁场检测环天线；三个电场检测面天线所在的平面相互垂直，且相互连接，形成准各向同性电场检测天线阵，三个磁场检测环天线所在的平面相互垂直，形成准各向同性磁场检测天线阵；三个电场检测面天线所在的平面与三个磁场检测环天线所在的平面形成一个六面体，上述探测处理单元位于该六面体的中心；三个电场检测面天线、三个磁场检测环天线均与上述探测处理单元电路连接。

所述的装置，其中，上述探测处理单元包括模数变换电路，模数变换电路与现场可编程门阵列处理电路相连接，现场可编程门阵列处理电路与光电转换电路相连接；三个电场检测面天线、三个磁场检测环天线均与模数变换电路相连接。

所述的装置，其中，上述电场检测面天线包括与探测处理单元外壁相连接的第一导电层，第一导电层与探测处理单元电路连接，第一导电层外侧设置有第二导电层，第一导电层与第二导电层之间设置有介质层，第一导电层、第二导电层与介质层形成一容性结构，容性结构对入射到导电层法线方向的电场辐射进行响应。

所述的装置，其中，上述磁场检测环天线为电小环天线，其包括用于固定在探测处理单元外壁上述的支撑结构，支撑结构上缠绕有多圈导电线圈，导电线圈与探测处理单元电路连接，多圈导电线圈在上述探测处理单元外壁形成圆形的横截面，横截面对入射到线圈法线方向的磁场辐射进行响应。

所述的装置，其中，上述现场可编程门阵列处理电路包括ADC数据解串模块，ADC数据解串模块与一数据降采样模块相连接，数据降采样模块与一FIFO缓存模块相连接，FIFO缓存模块与一FFT变换模块相连接，FFT变换模块与一数据拟合模块相连接，数据拟合模块与一数据缓存相连接；ADC数据解串模块与模数变换电路相连接，数据缓存与光电转换电路相连接。

一种使用所述装置的方法，其中，准各向同性电场检测天线阵、准各向同性磁场检测天线阵将检测到的数据传输至模数变换电路，经过数据解串，降采样，FIFO缓存，然后通过FFT变换得到该信号的频谱数据，然后对信号的FFT运算结果进行数据拟合，最后将处理后的数据经过光电转换后发送到上位机进行显示。

本发明提供的一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法，准各向同性电场检测天线阵包含三个互相垂直的电场检测面天线，每一个面天线对电场法线方向的辐射进行检测，准各向同性磁场检测天线阵包含三个互相垂直的磁场检测环天线，每一个环天线对垂直于天线平面的磁场辐射进行检测，实现了对工频电磁场进行全向检测的目的；而且准各向同性电场检测天线阵与准各向同性磁场检测天线阵的一体化设计，探测处理单元收到来自每一个面天线和环天线的信号，产生正比于收到的工频电磁场辐射信号强度的输出信号，然后送到上位机进行显示，通过采用该装置可以实现5Hz-1MHz频率范围内的工频电磁场辐射的超宽带全向探测及强度显示，能进行工频磁场辐射的全向检测；探测处理单元结构紧凑，布局合理，可直接将探测处理单元放置于相应天线的中心区域，实现了工频电场及磁场的同步全向检测，具有结构简单、体积小、工作带带宽、可实现工频电磁场同步全向检测并提供频谱显示等等优点。

附图说明

图1为现有技术中电磁场辐射检测装置的结构示意图；

图2为本发明中装置的结构示意图；

图3为本发明中装置的拆分结构示意图；

图4为本发明中探测处理单元的结构示意图；

图5为本发明中一个电场检测面天线的结构示意图；

图6为本发明中一个磁场检测环天线的结构示意图；

图7为本发明中现场可编程门阵列处理电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于工频电磁场全向检测的装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于工频电磁场全向检测的装置，如图2与图3所示的，其包括探测处理单元1，其中，探测处理单元一部分的外壁上均匀布置有三个电场检测面天线2，探测处理单元1剩余部分的外壁上均匀布置有三个磁场检测环天线3；三个电场检测面天线2所在的平面相互垂直，且相互连接，形成准各向同性电场检测天线阵，三个磁场检测环天线3所在的平面相互垂直，且相互连接，形成准各向同性磁场检测天线阵；三个电场检测面天线2所在的平面与三个磁场检测环天线3所在的平面形成一个六面体，上述探测处理单元1位于该六面体的中心；三个电场检测面天线2、三个磁场检测环天线3均与上述探测处理单元1电路连接。

更进一步的，如图4所示的，上述探测处理单元1包括模数变换电路4，模数变换电路4与现场可编程门阵列处理电路6相连接，现场可编程门阵列处理电路6与光电转换电路7相连接；光电转换电路7用于与外界上位机相连接。三个电场检测面天线2、三个磁场检测环天线3均与模数变换电路4相连接，从而使各个数据能准确的传输至探测处理单元1内进行处理。

更进一步的，如图5所示的，上述电场检测面天线2包括与探测处理单元1外壁相连接的第一导电层8，第一导电层8与探测处理单元1电路连接，第一导电层8外侧设置有第二导电层9，第一导电层8与第二导电层9之间设置有介质层10，第一导电层8、第二导电层9与介质层10形成一容性结构，容性结构对入射到导电层法线方向的电场辐射进行响应。

而且如图6所示的，上述磁场检测环天线3为电小环天线，其包括用于固定在探测处理单元外壁上述的支撑结构12，支撑结构12上缠绕有多圈导电线圈11，导电线圈11与探测处理单元1电路连接。如图4所示的，其具体的是：第一导电层8、导电线圈11均与模数变换电路4相连接。多圈导电线圈11在上述探测处理单元1外壁形成圆形的横截面，横截面对入射到线圈法线方向的磁场辐射进行响应。

在本发明的另一较佳实施例中，如图7所示的，上述现场可编程门阵列处理电路6包括ADC数据解串模块13，ADC数据解串模块13与一数据降采样模块14相连接，数据降采样模块14与一FIFO缓存模块15相连接，FIFO缓存模块15与一FFT变换模块16相连接，FFT变换模块16与一数据拟合模块17相连接，数据拟合模块17与一数据缓存18相连接；ADC数据解串模块13与模数变换电路4相连接，数据缓存18与光电转换电路7相连接。

为了更进一步的描述本发明，以下列举更为详尽的实施例进行说明。

用于工频电磁场全向检测的装置结构及各组成部分如图2与图3所示的，该装置由准各向同性的电场检测天线阵、准各向同性的磁场检测天线阵及探测处理单元1构成。准各向同性电场检测天线阵包含三个互相垂直的电场检测面天线2，每一个面天线2对电场法线方向的辐射进行检测。准各向同性磁场天线阵包含三个互相垂直的磁场检测环天线3，每一个环天线3对垂直于天线平面的磁场辐射进行检测。探测处理单元1由三个通道的磁场检测电路、三个通道的电场检测电路、多通道模数变换电路4、现场可编程门阵列处理电路6及光电转换电路7构成，电路结构紧凑，探测处理单元1可直接安置在电场检测天线阵及磁场检测天线阵的中心区域，如图2、图3与图4所示。探测处理单元1收到来自每一个面天线2和电小环天线3的信号，通过电磁场检测电路的调理，然后进行模数变换，送到现场可编程门阵列处理电路6处理电路中产生正比于收到的工频电磁场辐射信号强度的输出信号，通过光电转换电路连接光纤送到上位机进行显示。

准各向同性电场检测天线阵包含三个电场检测面天线2，确定了三个互相垂直的平面和一个顶点。每一个面天线2对电场辐射产生响应，这些辐射入射方向垂直于面天线2的表面，并且产生一个正比于入射量的输出信号，从而实现了电场辐射的准全向检测。每一个面天线2的结构如图5所示。每一个面天线2包含第一导电层8、第二导电层9和介质层10。介质层10在第一导电层8和第二导电层9之间，形成一个容性结构，容性结构是对入射到导电层法线方向的电场辐射进行响应。

准各向同性磁场天线阵包含由三个互相垂直的磁场检测环天线3。每一个电小环天线3对磁场辐射产生感应，磁场辐射入射方向垂直于电小环天线3的线圈，并且产生一个正比于入射量的输出信号，从而实现了磁场辐射的准全向检测。每一个电小环天线3的结构如图6所示，包含多圈导电线圈11及其支撑结构12，导电线圈11形成一个圆形的横截面。每一个电小环天线3对入射到线圈法线方向的磁场辐射产生响应。一般为环体结构，导电线圈11缠绕在其支撑结构12上。

其具体的事将采集到的数据进行快速傅里叶变换后从到上位机进行频谱显示，现场可编程门阵列处理电路6通过总线将模数转换后的实时数据，在FPGA内部进行数据处理，经过数据解串，降采样，FIFO缓存，然后通过FFT变换得到该信号的频谱数据，然后对信号的FFT运算结果进行数据拟合，最后将处理后的数据光电转换后发送到上位机显示。

而且本发明还提供了一种使用上述装置的方法，具体的包括准各向同性电场检测天线阵、准各向同性磁场检测天线阵将检测到的数据传输至模数变换电路4，现场可编程门阵列处理电路6经过数据解串，降采样，FIFO缓存，然后通过FFT变换得到该信号的频谱数据，然后对信号的FFT运算结果进行数据拟合，最后将处理后的数据经过光电转换后发送到上位机进行显示。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.一种用于工频电磁场全向检测的装置，其包括探测处理单元，其特征在于，探测处理单元一部分的外壁上均匀布置有三个电场检测面天线，探测处理单元剩余部分的外壁上均匀布置有三个磁场检测环天线；三个电场检测面天线所在的平面相互垂直，且相互连接，形成准各向同性电场检测天线阵，三个磁场检测环天线所在的平面相互垂直，形成准各向同性磁场检测天线阵；三个电场检测面天线所在的平面与三个磁场检测环天线所在的平面形成一个六面体，上述探测处理单元位于该六面体的中心；三个电场检测面天线、三个磁场检测环天线均与上述探测处理单元电路连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上述探测处理单元包括模数变换电路，模数变换电路与现场可编程门阵列处理电路相连接，现场可编程门阵列处理电路与光电转换电路相连接；三个电场检测面天线、三个磁场检测环天线均与模数变换电路相连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上述电场检测面天线包括与探测处理单元外壁相连接的第一导电层，第一导电层与探测处理单元电路连接，第一导电层外侧设置有第二导电层，第一导电层与第二导电层之间设置有介质层，第一导电层、第二导电层与介质层形成一容性结构，容性结构对入射到导电层法线方向的电场辐射进行响应。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上述磁场检测环天线为电小环天线，其包括用于固定在探测处理单元外壁上述的支撑结构，支撑结构上缠绕有多圈导电线圈，导电线圈与探测处理单元电路连接，多圈导电线圈在上述探测处理单元外壁形成圆形的横截面，横截面对入射到线圈法线方向的磁场辐射进行响应。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，上述现场可编程门阵列处理电路包括ADC数据解串模块，ADC数据解串模块与一数据降采样模块相连接，数据降采样模块与一FIFO缓存模块相连接，FIFO缓存模块与一FFT变换模块相连接，FFT变换模块与一数据拟合模块相连接，数据拟合模块与一数据缓存相连接；ADC数据解串模块与模数变换电路相连接，数据缓存与光电转换电路相连接。

6.一种使用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，准各向同性电场检测天线阵、准各向同性磁场检测天线阵将检测到的数据传输至模数变换电路，经过数据解串，降采样，FIFO缓存，然后通过FFT变换得到该信号的频谱数据，然后对信号的FFT运算结果进行数据拟合，最后将处理后的数据经过光电转换后发送到上位机进行显示。