CN110441716A - 低频磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频磁场测量装置，低频的范围为20Hz～20kHz，装置包括：感应线圈式磁场传感器模块，感应线圈式磁场传感器模块由多个相互正交的线圈组成，用于同时测量多个正交方向的磁场信号，并将磁场信号转换成电信号；信号调理模块，信号调理模块由至少一级放大电路组成，用于低通滤波并放大电信号；信号采集模块，用于采集放大后的电信号；信号处理模块，用于对采集到的电信号进行时频分析，以得到磁场测量结果。该装置有利于定量评估自然电磁环境以及人为电磁环境，能直接显示20Hz～20kHz频段内的低频磁场时频信息，性能稳定、成本低，易于实现和制作。

Description

低频磁场测量装置

技术领域

本发明涉及磁场测量仪器技术领域，特别涉及一种低频磁场测量装置。

背景技术

低频20Hz～20kHz的电磁波覆盖了极低频、超低频和甚低频频段，是无线电频谱中极具特点的频段。地磁场、电网的工频电磁辐射及谐波电磁辐射、人工发射站所产生的电磁场均属于该频段。在此频段，电磁场波长较长，信号的传播损耗小、幅度和相位稳定，能够沿地-电离层波导传播很远的距离为远端设备接收，同时能渗透一定深度的土壤和海水为地下或水下设备接收，因而被广泛应用于超远程导航、授时、通信，特别是对潜艇通信和导航等方面。在地震电离层扰动检测、太阳耀斑/日食等天气监测、闪电定位，以及地下矿藏/地质/地下的水及断层勘探中也有着广泛应用。另外，大量研究认为较高强度的极低频电磁场对生物体有明显影响，因而可能对健康产生危害，而较低强度(包括自然环境中)的极低频电磁场对健康的危害尚无法确定。因此，低频电磁场或电磁辐射的监测具有重要意义。然而，稳定、高分辨率监测20Hz～20kHz全频段三维弱磁场是需要解决的技术问题。

相关技术中，在测量磁场时通常将其转换成电信号然后再配合信号调理和数据采集电路来实现。磁电转换元件有：感应线圈传感器、磁通门传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、超导效应传感器等。

然而，感应线圈磁力计根据法拉第电磁感应定律工作，不能探测静态磁场，低频响应差；磁通门具有较高的分辨率和良好的鲁棒性，但体积较大，频率响应较低，不能长期暴露在高磁场环境下；霍尔传感器灵敏度差，噪声水平及静态偏移较大；磁阻传感器体积小、灵敏度高，对温度依赖性大且非线性强，一般不能准备测量弱磁场；超导量子干涉装置在所有磁场传感器中灵敏度最高，但结构复杂、体积庞大且价格昂贵。

商用化的磁场测量装置普遍关注工频、MHz、GHz的磁场的测量。如德国narda的EHP-50低频电磁辐射分析仪，其测量范围从1Hz-400kHz，使用正交线圈进行磁场测量(可同时测量X Y Z三个方向)，分辨率0.1nT(高场强0.1uT)，(售100000￥左右)可以与PC进行通信也可以额外增加手持设备NBM-550(售价80000￥左右)来进行测量。美国ets-lindgren公司生产的HI-3604型低频场强测量仪，使用单向绕制线圈进行磁场测量，其测量频率范围为30-2000Hz，其专为测量工频(50/60Hz)电磁场设计，只能测量单方向的电磁场数据，其留有专用接口来输出线圈中感应电压的波形，可以外接示波器进行观察，无波形保存功能。Gigahertz Solutions公司的ME3840B低频电磁辐射检测仪，其测量范围可从从5Hz～100Khz。其有一个4位液晶显示屏用来显示测量到的电场/磁场RMS值，并无通信功能，仅用于电磁场的实地测量(售价3000￥左右)。

上述设备或者灵敏度太高，导致测量结果受外界电磁环境的随机干扰而变得不稳定；或者频谱分辨率低，无法分辨极低频(3Hz～30Hz)的电磁辐射信号；或者无法显示电磁辐射的时频变化；或者价格昂贵，不利于推广应用；或者无法同时测出电磁辐射的三分量，不利于对测量数据深入分析和研究。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种低频磁场测量装置，该装置性能稳定、成本低，易于实现和制作。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种低频磁场测量装置，所述低频的范围为20Hz～20kHz，装置包括：感应线圈式磁场传感器模块，所述感应线圈式磁场传感器模块由多个相互正交的线圈组成，用于同时测量多个正交方向的磁场信号，并将所述磁场信号转换成电信号；信号调理模块，所述信号调理模块由至少一级放大电路组成，用于低通滤波、并放大所述电信号；信号采集模块，用于采集放大后的电信号；信号处理模块，用于对采集到的电信号进行时频分析，以得到磁场测量结果。

本发明实施例的低频磁场测量装置，够同时测量三维磁场辐射，有益于地球物理学科以及空间物理学科的科研人员或工程技术人员对磁场信号进行深入分析，例如，波矢分析以确定磁场的传播特性；能测量20Hz～20kHz微弱磁场信号，最低3.7×10^-5pT(25KHz)，例如，舒曼谐振波、电网工频和谐波电磁辐射、甚低频发射站辐射等，也可测量强磁场辐射0.6uT～1mT(50Hz)，有利于定量评估自然电磁环境以及人为电磁环境；能直接显示20Hz～20kHz频段内的低频磁场时频信息，性能稳定、成本低，易于实现和制作。

另外，根据本发明上述实施例的低频磁场测量装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，相互正交的线圈的数量可以为三个。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述线圈设置于非金属材质的骨架内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述骨架的表面可以设置有铝箔胶带或者铜箔胶带等。

进一步地，在本发明的一个实施例中，感应线圈式磁场传感器模块还用于在测量的磁场信号强度大于热噪声信号强度的预设值时，忽略所述热噪声信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信号调理模块具体包括：第一级放大电路，所述第一级放大电路包括输入端和输出端，其中，所述输入端与所述线圈的两端相连，用于低通滤波、并放大所述电信号；第二级放大电路，用于进一步放大经过所述第一级放大电路放大的电信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信号调理模块还包括：至少一个开关，所述至少一个开关设置于所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间，通过所述至少一个开关的通断调整放大倍数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信号调理模块放置于金属屏蔽盒中。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的低频磁场测量装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的正交线圈的框架结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的缠绕好的外侧线圈示意图；

图4为根据本发明一个实施例的放大电路的原理图；

图5为根据本发明一个实施例的不同档位下信号调理电路幅频响应曲线示意图；

图6为根据本发明一个实施例的信号调理电路的PCB图；

图7为根据本发明一个实施例的放置在金属屏蔽盒中的信号调理电路；

图8为根据本发明一个实施例的低频磁场测量装置的测量信号流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的低频磁场测量装置。

图1是本发明一个实施例的低频磁场测量装置的结构示意图。

如图1所示，该低频磁场测量装置10包括：感应线圈式磁场传感器模块100、信号调理模块200、信号采集模块300和信号处理模块400。

其中，感应线圈式磁场传感器模块100感应线圈式磁场传感器模块由多个相互正交的线圈组成，用于同时测量多个正交方向的磁场信号，并将磁场信号转换成电信号。信号调理模块200信号调理模块由至少一级放大电路组成，用于低通滤波、并放大电信号。信号采集模块300用于采集放大后的电信号。信号处理模块400用于对采集到的电信号进行时频分析，以得到磁场测量结果。本发明实施例的装置10可以用于测量频率范围为20Hz～20kHz的低频，性能稳定、成本低，易于实现和制作。

其中，在本发明的一个实施例中，相互正交的线圈的数量可以为三个。此时，感应线圈式磁场传感器模块100可以为三个正交线圈传感器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述线圈设置于非金属材质的骨架内，且所述骨架的表面设置有铝箔胶带。其中，非金属材质可以为木质材质，当然也可以为其他材质，比如，塑料，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，在此不做具体限定。另外，骨架的表面也可以缠绕其他导电性能好、导磁性差的材质，从而使得空间磁场可以轻易透过而几乎没有损耗，而电场会被铝箔胶带屏蔽在外，从而实现电场屏蔽功能。

具体而言，感应线圈式磁场传感器模块100可以为感应线圈式磁场传感器。感应线圈式磁场传感器利用电磁感应原理，将磁场信号转换成电信号，本发明实施例采用三个相互正交的线圈组成，可以同时测量三个正交方向的磁场信号。

当线圈测量微弱磁场时，要考虑热噪声的影响。当磁场信号远大于热噪声(可取大于热噪声的10倍)时，可忽略热噪声；当磁场信号和热噪声接近甚至小于热噪声时，磁场信号无法被检测出。具体地，由于线圈电阻的“热噪声\电阻噪声”而使得线圈中存在噪声，且线圈噪声为线圈的固有噪声，无法避免、也无法滤除，因此，在线圈的设计过程中通过合理的线圈尺寸和匝数来尽量避免线圈热噪声的影响，从而测量到的信号强度大于热噪声。例如，本发明实施例可以使用合适的尺寸与匝数以使热噪声对测量结果的影响降到最低，为了保证10Hz以上的信号不被线圈的热噪声所淹没，本发明实施例的线圈可以由的漆包铜线(AWG26)绕制而成；形状为正方形，尺寸475mm×475mm；匝数为235匝；如图2所示，线圈可以使用木质骨架。

如图3所示，在制作正交线圈时，为避免螺钉等金属制品对线圈周围的磁场产生影响，正交框架可以采用木板、PVC线槽、热熔胶、双组份环氧树脂ab胶等进行搭建和固定；线圈缠绕完后，在漆包线末端焊上BNC连接头以便信号的引出；接着盖上PVC电线管的盖子并在外面缠绕上铝胶带，由于铝的导电性较好而导磁性很差，因此空间磁场可以轻易透过铝胶带而几乎没有损耗，而电场会被铝胶带屏蔽在外，从而实现电场屏蔽功能。

进一步地，在本发明的一个实施例中，信号调理模块200具体包括：第一级放大电路和第二级放大电路。

其中，第一级放大电路包括输入端和输出端，其中，输入端与线圈的两端相连，用于低通滤波(20Hz-20kHz)、并放大电信号。第二级放大电路用于进一步放大经过第一级放大电路放大的电信号。

具体而言，信号调理模块200可以为信号调理电路(信号调理电路也可以称为前置信号放大电路)，信号调理电路可以采用如图4所示的双级放大电路，第一级放大电路可以采用双端输入单端输出的差分放大电路，运放输入端分别接线圈两端，有效地放大差模信号即线圈中的电信号，同时抑制共模信号即线圈中的噪声。第一级放大电路可以使用AD797运算放大器。第二级放大电路可以使用OP27精密运算放大器，其高速、低噪声和高增益的特性使低电平信号能够精确放大。

进一步地，在本发明的一个实施例中，信号调理模块200还包括：至少一个开关。其中，所述至少一个开关设置于所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间，通过所述至少一个开关的通断调整放大倍数。

具体而言，如图4所示，通过开关P2、P3的不同通断组合可以选择不同阻值的电阻接入信号调理电路，从而改变增益，将信号调理电路设置在1-6的不同放大倍数档位。开关通断组合和档位对应情况如表1。通过Tina-TI软件对电路进行仿真，可以获得在不同档位下电路1Hz-100kHz幅频响应的情况，仿真结果如图5所示。其中，表1为信号调理电路不同档位对应开关P2、P3通断情况表。

表1

经过实际测试，在设备要求的10Hz-20kHz频率范围内，信号调理电路可以满足要求。

信号调理电路的PCB图如图6所示，实际电路如图7所示。电路板使用12V锂电池供电，并且为防止信号在传输和放大过程中，外界电磁辐射等对其造成干扰，信号通过同轴电缆传输，并将信号调理电路放置在金属屏蔽盒中，进一步减少外界电磁辐射对设备的干扰。

进一步地，为了保证信号的准确性，信号采集模块300可以采用16位数据采集卡，并且为了能够测到20kHz的信号，要求数据采集卡的采样频率至少40kHz。本发明实施例提供两种信号采集方式：外置声卡或专用数据采集卡。其中，外置声卡具有价格低廉、与计算机兼容性好、性能稳定、灵活通用，等优点，可以利用计算机直接控制其采样率、采样时间等参数，最大的缺点是只有两个通道，要想同时测得磁场三个方向的分量，要求数据采集卡至少三个通道。专用数据采集卡相比较外置声卡更专业化，采样频率可达数百kHz，通道数也较多，但是价格昂贵。无论采用那种数据采集卡，其采样操作以及采样参数均由上位机控制，本领域技术人员可以根据实际的情况选择具体的采集方式，在此不做具体限定。另外，信号采集的方式并不限定于上述两种，还包括很多种方式，为避免冗余，不再赘述。

本发明实施例中信号处理模块400可以由上位机完成，采用两种方法对前端，即信号采集模块300采集的电压信号进行处理：采用傅里叶变换得到信号的频谱分量；采用短时傅里叶变换得到信号的时频谱图。

下面将结合图8对低频磁场测量装置10的测量流程进行进一步说明。

首先，将本发明实施例的装置10置于待测的环境磁场中；然后，三个正交线圈传感器同时测量三个正交方向的磁场信号，并将磁场信号转换成电信号，并通过二级放大调理电路放大该电信号之后，由声卡或专用数据采集卡采集该放大之后的电信号；最后，经过上位机对该信号进行时频分析之后得到测量结果。

根据本发明实施例提出的低频磁场测量装置，够同时测量三维磁场辐射，有益于地球物理学科以及空间物理学科的科研人员或工程技术人员对磁场信号进行深入分析，例如，波矢分析以确定磁场的传播特性；能测量20Hz～20kHz微弱磁场信号，最低3.7×10^-5pT(25KHz)，例如，舒曼谐振波、电网工频和谐波电磁辐射、甚低频发射站辐射等，也可测量强磁场辐射0.6uT～1mT(50Hz)，有利于定量评估自然电磁环境以及人为电磁环境；能直接显示20Hz～20kHz频段内的低频磁场时频信息，性能稳定、成本低，易于实现和制作。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种低频磁场测量装置，其特征在于，所述低频的范围为20Hz～20kHz，装置包括：

感应线圈式磁场传感器模块，所述感应线圈式磁场传感器模块由多个相互正交的线圈组成，用于同时测量多个正交方向的磁场信号，并将所述磁场信号转换成电信号；

信号调理模块，所述信号调理模块由至少一级放大电路组成，用于低通滤波、并放大所述电信号；

信号采集模块，用于采集放大后的电信号；

信号处理模块，用于对采集到的电信号进行时频分析，以得到磁场测量结果。

2.根据权利要求1所述的低频磁场测量装置，其特征在于，相互正交的线圈的数量为三个。

3.根据权利要求2所述的低频磁场测量装置，其特征在于，所述线圈设置于非金属材质的骨架内。

4.根据权利要求3所述的低频磁场测量装置，其特征在于，所述骨架的表面设置有铝箔胶带或铜箔胶带。

5.根据权利要求1所述的低频磁场测量装置，其特征在于，所述信号调理模块具体包括：

第一级放大电路，所述第一级放大电路包括输入端和输出端，其中，所述输入端与所述线圈的两端相连，用于低通滤波、并放大所述电信号；第二级放大电路，用于进一步放大经过所述第一级放大电路放大的电信号。

6.根据权利要求5所述的低频磁场测量装置，其特征在于，所述信号调理模块还包括：

至少一个开关，所述至少一个开关设置于所述第一级放大电路和所述第二级放大电路之间，通过所述至少一个开关的通断调整放大倍数。

7.根据权利要求6所述的低频磁场测量装置，其特征在于，所述信号调理模块放置于铝制金属屏蔽盒中。