CN111308402A

CN111308402A - 一种雷电磁场的测量方法及装置

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Publication number: CN111308402A
Application number: CN202010148396.XA
Authority: CN
Inventors: 王彩霞; 张潇艺; 田杨萌; 刘琳; 崔丽兰
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2020-06-19

Abstract

本发明实施例公开了一种雷电磁场的测量方法及装置，其中，所述方法包括：在三维正交的空间支架的三个轴上，分别安置相互正交的磁场测量装置，所述磁场测量装置中包括霍尔元件；连接所述磁场测量装置的电路，并为其中的所述霍尔元件通上工作电流；将所述霍尔元件置于待测量磁场中的指定测试点，当达到霍尔电压触发阈值时，装置自动开始记录所述霍尔元件所产生的霍尔电压值，记录时间长度可以自己设定，如1秒；根据所述霍尔元件的电压、所述霍尔元件的霍尔系数以及所述工作电流的电流值，在各个方向上确定所述待测量磁场的大小。本发明实施例提供的技术手段，能够提高雷电磁场测量的便捷性和准确度。

Description

一种雷电磁场的测量方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及数据测量技术领域，具体涉及一种雷电磁场的测量方法及装置。

背景技术

现有的雷电磁场测量方法一般是利用电磁感应规律来进行测量。一种是当穿过正交的两个天线环面(其法线方向均与地面平行)的磁场变化时，会在环上产生相应的电流，根据测量出的电流特征可以反演得出磁场的两个分量大小。另一种是利用螺线管来测量雷电磁场，原理与第一种类似，不同的是该方法使用螺线管代替单环天线，其实质是用n匝线圈的螺线管来代替单匝线圈，以增大信号增益、提高仪器灵敏度、增强所测信号的强度，目前这两种方法基本都是只测与地面平行的两个方向的磁场分量。

现有的雷电磁场测量系统分为两部分，室外部分是两个垂直正交的环天线，室内部分为信号处理电路和采集记录。其中，感应探头是两个垂直正交的天线，每个天线环的面积相同。所测磁场信号经放电电路放大后经同轴电缆传输到室内的记录和处理系统，磁场信号用示波器或者采集卡进行记录。根据电磁感应定律，现有的雷电磁场测量系统实际上测量的是雷电的磁场变化量随时间的变化，测出来的并非是磁场本身，如果要得到磁场大小，尚需对信号进行积分后获得。另外目前仪器中大多只测出雷电磁场变化与地面平行的两个分量的大小，而没有测与地面垂直的磁场方向的雷电磁场变化，所采用的天线线圈环路(尤其是单匝线圈的天线)占用面积大不便于携带，信号相对弱，噪声影响较大。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种雷电磁场的测量方法及装置，能够提高雷电磁场测量的便捷性和准确度。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种雷电磁场的测量方法，所述方法包括：

在三维正交的空间支架的三个轴上，分别安置相互正交的磁场测量装置，所述磁场测量装置中包括霍尔元件；

连接所述磁场测量装置的电路，并为其中的所述霍尔元件通上工作电流；

将所述霍尔元件置于待测量磁场中的指定测试点，当达到霍尔电压触发阈值时，所述磁场测量装置自动开始记录所述霍尔元件所产生的霍尔电压值，记录时间长度可以自己设定。

进一步地，各个所述磁场测量装置与所述空间支架的原点之间的距离相等。

进一步地，所述磁场测量装置按照以下方式制作：

将三个霍尔元件固定于一支架上的竖直、东西、南北三个不同方向，并使各自霍尔元件的法线方向同三维坐标轴方向一致；

进一步地，每个方向上的霍尔元件分属三个电路，每个电路都包含一个限流电阻、一个电流源和一个开关，且每一个电路及其元器件、参数、连接方式完全相同。

进一步地，各个霍尔元件获得的待测磁场为其法线方向上磁场的大小：

在当前霍尔元件法线的方向上，根据霍尔电压的值，并按照以下公式在所述当前轴的方向上计算磁场的大小：

B＝U_H/(K_HI_S)

其中，B表示所述当前轴的方向上磁场的大小，U_H表示所述当前轴的方向上霍尔电压的值，K_H表示霍尔灵敏度，I_S表示所述工作电流的电流值；

进一步地，三个霍尔元件各自使用独立的电流源，并且各自具备相同大小的限流电阻，三个霍尔元件分属的电路各自独立。

为了实现上述目的，本发明另一方面提供一种雷电磁场的测量装置，所述装置包括：

装置安装单元，用于在三维正交的空间支架的三个轴上，分别安置相互正交的磁场测量装置，所述磁场测量装置中包括霍尔元件；

通电单元，用于连接所述磁场测量装置的电路，并为其中的所述霍尔元件通上工作电流；

电压记录单元，自动触发，可设阈值触发，将所述霍尔元件置于待测量磁场中的指定测试点，当达到霍尔电压触发阈值时，所述磁场测量装置自动开始记录所述霍尔元件所产生的霍尔电压值，记录时间长度可以自己设定。

进一步地，所述装置还包括：

数据传输单元，各自电路输出信号以后利用单片机进行传输；

数据处理单元，根据所述霍尔元件的电压、所述霍尔元件的霍尔系数以及所述工作电流的电流值，在各个方向上确定所述待测量磁场的大小。

进一步地，将三个霍尔元件固定于一支架上的竖直、东西、南北三个不同方向，并使各自霍尔元件的法线方向同三维坐标轴方向一致。

由上可见，本申请提供的技术方案，利用霍尔效应测量雷电磁场，测得的是雷电磁场本身，而不是雷电磁场的变化量，且具有成本低廉、在室外安装方便、可直流电源供电、信号噪声小等特点。并且，能够测量三个方向的磁场大小，提供了更加全面的测量数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种雷电磁场的测量方法步骤示意图；

图2为本发明实施例提供的一种雷电磁场的测量装置的功能模块示意图；

图3为本发明实施例提供的霍尔元件对应的电路示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供一种雷电磁场的测量方法，请参阅图1，所述方法包括：

S1：在三维正交的空间支架的三个轴上，分别安置相互正交的磁场测量装置，所述磁场测量装置中包括霍尔元件；

S2：连接所述磁场测量装置的电路，并为其中的所述霍尔元件通上工作电流；

S3：将所述霍尔元件置于待测量磁场中的指定测试点，当达到霍尔电压触发阈值时，装置自动开始记录所述霍尔元件所产生的霍尔电压值，记录时间长度可以自己设定。

S4：根据所述霍尔元件的电压、所述霍尔元件的霍尔系数以及所述工作电流的电流值，在各个方向上确定所述待测量磁场的大小。在一个实施方式中，各个所述磁场测量装置与所述空间支架的原点之间的距离相等(在不影响测量结果的情况下尽可能小)。

在一个实施方式中，所述磁场测量装置按照以下方式制作：

将三个霍尔元件固定于一个支架上的三个不同方向(竖直、东西、南北)，并使各自霍尔元件的法线方向同三维坐标轴方向一致；

在一个实施方式中，所述磁场测量装置中还包括限流电阻、开关和电流源，所述开关用于对连接的电路进行连通和切断。

在一个实施方式中，在各个轴的方向上确定所述待测量磁场的大小包括：

在当前轴的方向上，确定霍尔电压的值，并按照以下公式在所述当前轴的方向上计算磁场的大小：

B＝U_H/(K_HI_S)

其中，B表示所述当前轴的方向上磁场的大小，U_H表示所述当前轴的方向上霍尔电压的值，K_H表示霍尔灵敏度，I_S表示所述工作电流的电流值。

在一个实施方式中，每个方向上的霍尔元件分属三个电路。每个电路都包含一个限流电阻、一个电流源和一个开关，且每一个电路及其元器件、参数、连接方式完全相同(见图3)，这三个电路相互独立。

在一个具体应用示例中，使用霍尔效应原理制作而成的磁场测量装置，它将信号滤波、放大等处理电路与霍尔元件集成在同一芯片上。当霍尔元件所制成的装置置于雷电磁场中时，由于霍尔效应现象在霍尔元件两端会产生电压输出信号，该电压信号的幅度是由外部雷电磁场的强度、霍尔灵敏度、霍尔片上所通的电流决定。进行磁电转换的元件主要有以下三种：感应线圈、霍尔元件、磁敏电阻，其中霍尔元件能够直接检测雷电磁场强度大小。霍尔元件的灵敏度、覆盖范围、空间分辨率等是由其敏感区域形状、几何尺寸以及晶体性质决定的。对于一个已知霍尔灵敏度的导体，通过一个已知方向、大小的电流，同时测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小，就可以得出该导体所处雷电磁场的方向和大小。以坐标轴的形式制作一个三维的空间支架，分别在x，y，z轴距离原点相同距离处安置三个如上测量雷电磁场的装置，就可以将三维空间中的磁场进行有效的确定。这种方法可以对磁场自身进行测量，也能够对磁场周围的环境进行测量，可以用于对雷电磁场这种磁场环境进行三维测量，并且线路设计简易，可以放置在室外进行测量。各自电路输出信号以后利用单片机进行传输并记录，实际操作中数据记录可以设计成自动触发模式，通常使用阈值触发方式。

霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于雷电磁场和所给电流方向的两个端面之间会出现电势差，这个电势差就被叫做霍尔电势差。导体中的载流子在雷电磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与雷电磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。因此，对于一个已知霍尔系数的导体，通过一个已知方向、大小的电流，同时测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小，空间测量需要测出三维磁场，考虑以坐标轴的形式制作一个三维正交空间支架，分别在x，y，z轴方向上放置正交的霍尔元件，就可以得出该导体所处雷电磁场的三个方向的大小。

要严格的保证装置的固定程度。霍尔片的工作电流由直流电源提供，霍尔电压由数据记录单元进行记录。为了能够对电路进行全方面的保护，每个电路需要一只电阻作为限流电阻，还需要利用开关，将电路进行接通和切断。

测量方法：

将电路开关打开，给霍尔元件通一小的工作电流(小于10mA)。

将装置放置于未知磁场的某一点，达到触发阈值时，装置自动记录在三个正交方向上霍尔元件的电压值。

装置的数据处理单元根据记下的霍尔电压值，由公式：

B＝U_H/(K_HI_S)

算出的磁感应强度值即为该点磁场的大小；请参阅图3，本申请还提供一种雷电磁场的测量装置，所述装置包括：

电压记录单元，自动触发，可设阈值触发。将所述霍尔元件置于待测量磁场中的指定测试点，当达到霍尔电压触发阈值时，装置自动开始记录所述霍尔元件所产生的霍尔电压值，记录时间长度可以自己设定。

数据传输单元，各自电路输出信号以后利用单片机进行传输。

其中，可以将三个霍尔元件固定于一支架上的竖直、东西、南北三个不同方向，并使各自霍尔元件的法线方向同三维坐标轴方向一致。

雷电各参数测量是进行雷电研究的基础工作，对于研究雷电特性、分析雷害事故、鉴定雷击跳闸事故、探讨防雷对策具有十分重要的意义。利用霍尔效应测量雷电磁场是利用霍尔效应制作而成的磁感应装置，对于现有的方法而言提供了新思路；另外利用霍尔效应测量雷电磁场测得的是雷电磁场本身，而不是雷电磁场变化量，且具有成本低廉、在室外安装方便、可直流电源供电、信号噪声小等特点；和以往的测两个分量的方案相比能够测量三个分量的磁场。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种雷电磁场的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个所述磁场测量装置与所述空间支架的原点之间的距离相等。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁场测量装置按照以下方式制作：

将三个霍尔元件固定于一支架上的竖直、东西、南北三个不同方向，并使各自霍尔元件的法线方向同三维坐标轴方向一致。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个方向上的霍尔元件分属三个电路，每个电路都包含一个限流电阻、一个电流源和一个开关，且每一个电路及其元器件、参数、连接方式完全相同。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各个霍尔元件获得的待测磁场为其法线方向上磁场的大小：

B＝U_H/(K_HI_S)

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三个霍尔元件各自使用独立的电流源，并且各自具备相同大小的限流电阻，三个霍尔元件分属的电路各自独立。

7.一种雷电磁场的测量装置，其特征在于，所述装置包括：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，将三个霍尔元件固定于一支架上的竖直、东西、南北三个不同方向，并使各自霍尔元件的法线方向同三维坐标轴方向一致。