CN114460514A - 一种低频磁场校准装置 - Google Patents

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周鹰
韩晓东
陈开权
宋帅
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Abstract

本发明涉及一种低频磁场校准装置，包括闭环式磁场线圈和谐振式稳压激励源组成部分，闭环式磁场线圈与谐振式稳压激励源相互串联，闭环式磁场线圈能通电产生10kHz～100kHz的磁场，其线圈所产生的磁场具有0.5％非均匀度水平的磁场均匀区，并且线圈电感参数随频率上升而下降；谐振式稳压激励源能在10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点上匹配闭环式磁场线圈的阻抗参数并构成谐振电路，能以大电流低电压驱动闭环式磁场线圈产生10kHz～100kHz、1mT量级的磁场。本发明能够通过谐振工作的模式，以较低的能耗复现100kHz、1mT的均匀磁场空间，磁场均匀度优于0.5％，具有降低能耗、高均匀度磁场空间、提高现有磁场校准装置工作频率范围的效果。

Description

一种低频磁场校准装置
技术领域
本发明属于交变磁场测量仪器校准技术领域，涉及一种低频磁场校准的装置。
背景技术
低频磁场测量仪器，通常用于电力、卫生、环保、国防等领域，进行环境低频磁场监测,因涉及到人身安全应用，低频磁场测量仪器对环境电磁辐射的测量准确与否，影响重大。
参考ICNIRP导则《限制时变电场和磁场曝露的导则》，其要求覆盖到100kHz以上范围磁辐射，适用于该导则的测量仪器主要以磁场参数为主，如日置公司的3470磁场探测仪可以测量10Hz～400kHz频率范围内的磁感应强度，测量误差±3.5％读数±0.5％量程。我国的住房与城乡建设部也在组织研发替代国外产品的建筑磁场辐射探测设备，其技术标准参照ICNIRP导则。
目前的校准装置或者频率范围不足，或者测量准确度低不足以校准低频磁场测量仪器。国内现有的具有均匀场特性的交变磁场校准装置，还不足以在10mT量级的磁感应强度下稳定工作到100kHz。例如国防计量行业所用的10kHz交变弱磁场标准装置，采用了功率源直接推动磁场线圈的工作方式，输出最高1mT、1kHz/0.1mT、10kHz的交变磁场，其原理图如图1所示，该装置输出10kHz以上的磁场时，因为线圈阻抗随频率呈指数上升，导致交变磁场的磁感应强度急剧下降，无法形成10kHz以上稳定的磁场输出。
另一种方法是采用单环线圈作为发射天线,在给定距离上对低频磁场测量仪器进行校准。该方法磁场强度低，磁场均匀性差，定位等问题导致磁场准确度低。其测试系统框图如图2所示，所利用的原理是毕奥萨伐定律计算出标准磁场值，
Figure BDA0003443476720000021
式中：
B——发射天线在其轴线上d/m处产生的磁感应强度，T；μ0——真空磁导率，H/m；r——发射天线的等效半径，m；I——发射天线中的电流，A；N——发射天线的匝数，d——发射天线轴线上测试点到发射天线平面的距离，m。
该方法所复现的交变磁场在300nT附近，且由于被校仪器的探头通常存在相当的体积，很难对距离d进行精确定位，导致标准磁场的不确定度通常在10％的量级。
基于上述缺陷，本发明采用了设计电感-频率曲线下降的闭环式磁场线圈和谐振工作方式实现了高准确度且具备均匀磁场特性的低频磁场校准装置，解决复现100kHz、1mT量级的均匀磁场校准难题。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决10kHz以上均匀磁场复现过程中，因为磁场线圈电感较大导致激励电源的功率大幅度上升，进而导致100kHz、1mT量级的均匀磁场难以实现的问题，提出一种低频磁场校准装置。
本发明装置是通过下述技术方案实现的：
一种低频磁场校准装置，包括闭环式磁场线圈和谐振式稳压激励源组成部分，闭环式磁场线圈与谐振式稳压激励源相互串联，闭环式磁场线圈能通电产生10kHz～100kHz的磁场，其线圈所产生的磁场具有0.5％非均匀度水平的磁场均匀区，并且线圈电感参数随频率上升而下降；谐振式稳压激励源能在10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点上匹配闭环式磁场线圈的阻抗参数并构成谐振电路，能以大电流低电压驱动闭环式磁场线圈产生10kHz～100kHz、1mT量级的磁场。
进一步的，闭环式磁场线圈的电感、电阻和谐振式稳压激励源的电容、电阻等串联成一个谐振回路，谐振回路通过改变电容，将谐振频率调整到10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点。
进一步的，闭环式磁场线圈由螺线管线圈的引出线采用四根平行导线进行闭合形成。
进一步的，谐振式稳压激励源包括功率源、阻抗匹配与谐振部分，其中功率源为信号发生器和10kW功率放大器串联而成；阻抗匹配，采用初级线圈和与次级线圈合适的匹配变压器，实现匹配谐振端与功率放大器之间的阻抗关系；谐振部分主要由谐振电容和谐振电阻并联组成，用于抵消在工作频率下的输入阻抗的虚部。
进一步的，谐振式稳压激励源上设置有五个开关S1～S5用于选择工作频率段，五个开关控制谐振回路中电容C1～C5的变化，对应将谐振频率调整到10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz谐振频率点。
进一步的，谐振式稳压激励源上的输出电压大小控制交变磁场的磁感应强度变化。
有益效果
本发明提出的装置，对比已有技术，能够通过谐振工作的模式，以较低的能耗复现100kHz、1mT的均匀磁场空间，磁场均匀度优于0.5％，具有降低能耗、高均匀度磁场空间、提高现有磁场校准装置工作频率范围的效果。
附图说明
图1为现有技术10kHz交变弱磁场标准装置系统框图；
图2为现有技术单环线圈(发射天线)校准系统框图；
图3为本发明低频磁场校准装置的电路原理框图；
图4为低频磁场校准装置的闭环式磁场线圈原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施方式做详细说明，
一种低频磁场校准装置，包括闭环式磁场线圈和谐振式稳压激励源组成部分，闭环式磁场线圈与谐振式稳压激励源相互串联，闭环式磁场线圈能通电产生10kHz～100kHz的磁场，其线圈所产生的磁场具有0.5％非均匀度水平的磁场均匀区，并且线圈电感参数随频率上升而下降；谐振式稳压激励源能在10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点上匹配闭环式磁场线圈的阻抗参数并构成谐振电路，能以大电流低电压驱动闭环式磁场线圈产生10kHz～100kHz、1mT量级的磁场。
进一步的，闭环式磁场线圈的电感、电阻和谐振式稳压激励源的电容、电阻等串联成一个谐振回路，谐振回路通过改变电容，将谐振频率调整到10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点。闭环式磁场线圈由螺线管线圈的引出线采用四根平行导线进行闭合形成。其中，谐振式稳压激励源包括功率源、阻抗匹配与谐振部分，其中：功率源为信号发生器和10kW功率放大器串联而成；阻抗匹配，采用初级线圈和与次级线圈合适的匹配变压器，实现匹配谐振端与功率放大器之间的阻抗关系；谐振部分主要由谐振电容和谐振电阻并联组成，用于抵消在工作频率下的输入阻抗的虚部。
由于闭环式磁场线圈的电感没有随频率而提升，谐振回路可以实现较低Q值，实现宽频率范围内的低负载阻抗，使稳压源以最佳功率输出，品质因数Q主要决定于谐振上的电容CP的等效串联阻抗，与谐振电容并联的电阻RP可用于平滑磁场线圈的输入阻抗。有关计算公式如下。
交变磁场线圈输入阻抗由下式给出：
Z＝(RR+RL+RN)+j2πf(LR+LN)
式中：
RR——磁场线圈绕组直流电阻；
RL——磁场线圈绕组在较高频率下因为趋肤效应而增加的附加电阻；
RN——馈线等其它电阻；
LR——磁场线圈绕组电感；
LN——馈线等其它电感。
Figure BDA0003443476720000051
Figure BDA0003443476720000052
上述组成部件间的连接关系为：两者之间为串联关系，谐振式稳压激励源为闭环式磁场线圈提供低频交流电源供给，闭环式磁场线圈在其中央区域形成均匀磁场空间，从而以较低的能耗供给实现100kHz、1mT水平的均匀磁场复现能力，用于低频磁场测量设备的校准工作。
本装置的具体工作过程如下：
1)如图3示将闭环式磁场线圈和谐振式稳压激励源串联在一起；
2)根据预设的交变磁场频率，控制谐振式稳压激励源上的开关S1～S5选择工作频率段，改变谐振回路中电容C1～C5，将谐振频率调整到10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz谐振频率点；
3)由于闭环式磁场线圈的阻抗没有随频率而显著提升，谐振回路可以实现较低Q值(低于20)，实现该频率范围内的低负载阻抗，使稳压源以最佳功率输出；
4)改变谐振式稳压激励源上的输出电压大小，可以实现交变磁场的磁感应强度变化。
本发明的闭环式磁场线圈和谐振式稳压激励源串联在一起后，线圈的电感、电阻与激励源的电容、电阻等构成一个串联谐振回路，谐振回路通过改变电容，将谐振频率进行调整，由于闭环式磁场线圈的电感没有随频率而提升，谐振回路可以实现较低Q值，实现宽频率范围内的低负载阻抗，使稳压源以最佳功率输出。对比已有技术，能够通过谐振工作的模式，以较低的能耗复现100kHz、1mT的均匀磁场空间，磁场均匀度优于0.5％，具有降低能耗、高均匀度磁场空间、提高现有磁场校准装置工作频率范围的效果。
虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低频磁场校准装置，包括闭环式磁场线圈和谐振式稳压激励源组成部分，其特征在于：闭环式磁场线圈与谐振式稳压激励源相互串联，闭环式磁场线圈能通电产生10kHz～100kHz的磁场，其线圈所产生的磁场具有0.5％非均匀度水平的磁场均匀区，并且线圈电感参数随频率上升而下降；谐振式稳压激励源能在10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点上匹配闭环式磁场线圈的阻抗参数并构成谐振电路，能以大电流低电压驱动闭环式磁场线圈产生10kHz～100kHz、1mT量级的磁场。
2.根据权利要求1所述的一种低频磁场校准装置，其特征在于：闭环式磁场线圈的电感、电阻和谐振式稳压激励源的电容、电阻等串联成一个谐振回路，谐振回路通过改变电容，将谐振频率调整到10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz等频率点。
3.根据权利要求1所述的一种低频磁场校准装置，其特征在于：闭环式磁场线圈由螺线管线圈的引出线采用四根平行导线进行闭合形成。
4.根据权利要求1所述的一种低频磁场校准装置，其特征在于：谐振式稳压激励源包括功率源、阻抗匹配与谐振部分，其中功率源为信号发生器和10kW功率放大器串联而成；阻抗匹配，采用初级线圈和与次级线圈合适的匹配变压器，实现匹配谐振端与功率放大器之间的阻抗关系；谐振部分主要由谐振电容和谐振电阻并联组成，用于抵消在工作频率下的输入阻抗的虚部。
5.根据权利要求2所述的一种低频磁场校准装置，其特征在于：谐振式稳压激励源上设置有五个开关S1～S5用于选择工作频率段，五个开关控制谐振回路中电容C1～C5的变化，对应将谐振频率调整到10kHz、30kHz、50kHz、70kHz、100kHz谐振频率点。
6.根据权利要求1所述的一种低频磁场校准装置，其特征在于：谐振式稳压激励源上的输出电压大小控制交变磁场的磁感应强度变化。
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