CN210775815U - 用于宽频带瞬态磁场测量的探头 - Google Patents
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Abstract
用于宽频带瞬态磁场测量的探头，该探头包括磁组传感器、信号放大电路、信号传输通道；所述磁组传感器包括3组惠斯通电桥，用于测量磁场强度的大小和方向；所述信号放大电路，用于将从3组惠斯通电桥获取的差分信号进行放大并转换为单端信号；所述信号传输通道包括3条射频同轴电缆、1条多芯屏蔽线；3条射频同轴电缆，用于传输信号放大电路的3组输出信号；1条多芯屏蔽线，用于传输该探头的电源、地线、压控电压、置位/复位脉冲控制信号。该探头根据磁阻效应传感器测磁原理，能够准确测量空间中任一方向的磁场。具备体积小、抗干扰能力强的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及瞬态磁场测量领域，具体是一种用于宽频带瞬态磁场测量的探头。
背景技术
研究变电站内瞬态电磁干扰问题，掌握干扰源的分布情况和变化规律，是进行变电站电磁兼容防护的前提，是保证变电站内一次和二次设备安全和稳定运行的必要条件。对于变电站瞬态强磁场测量，要求传感器应良好响应磁场的瞬态过程，将高幅值冲击信号转换为低幅值信号并输出。输出信号满足后续功能单元对其传输、处理、采集、记录、存储、显示等要求。传感器的测量范围应满足变电站瞬态骚扰幅值要求；测量频带特性应在准直流(低于0.5Hz)到不低于20MHz的频带内具有平稳的幅频特性；传感器的信号输出接口应可选用与电气测量子单元良好对接、适于变电站现场电磁环境并能和同轴信号电缆传输方式或光电转换及光纤传输方式相匹配的任一接口。
现有的瞬态磁场传感器均是基于法拉第电磁感应定律的感应线圈，这种传感器测量频带范围较宽，通常能达到射频电磁场的频率范围，但其局限性明显。首先，感应线圈的灵敏度取决于铁芯的磁导率、线圈面积和线圈匝数，增大线圈面积可以提高线圈灵敏度，但同时也会使线圈上限截止频率减小从而影响测量带宽，而为了保证穿过线圈的磁场被视为足够均匀，要尽量减小线圈面积。增加线圈匝数可以增加感应电流的大小，提高线圈灵敏度，但也会增加线圈的电感，影响线圈的高频特性，因此使用感应线圈测量磁场强度，其灵敏度和带宽之间存在矛盾。其次，为了保证灵敏度，感应线圈的半径取值通常不能过小，而单个线圈只能测量一维方向的磁场。在难以判断磁场方向的场合需要三维探头，则要用3个相互正交的线圈组合在一起，从而使探头体积更大，无法实现准确的“点测量”，同时也增加了系统的复杂程度。再次，感应线圈的原理决定了其工作频带范围存在一个下限截止频率，感应线圈无法响应恒定磁场或缓慢变化的磁场，因此感应线圈不能作为宽带测量工具。信号传输通道普遍采用光纤传输系统或同轴电缆，后端采用示波器等工具进行采集与分析，这种测量系统在测量维数、探头体积、测量频带、自身稳定性和抗干扰能力具有很大的局限性。
发明内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于宽频带瞬态磁场测量的探头，该探头根据磁阻效应传感器测磁原理，能够准确测量空间中任一方向的磁场；具备体积小、抗干扰能力强的优点。
本实用新型采取的技术方案为：
用于宽频带瞬态磁场测量的探头，该探头包括：磁组传感器、信号放大电路、信号传输通道；
所述磁组传感器包括3组惠斯通电桥，用于测量磁场强度的大小和方向；
所述信号放大电路，用于将从3组惠斯通电桥获取的差分信号进行放大并转换为单端信号；
所述信号传输通道包括3条射频同轴电缆、1条多芯屏蔽线；
3条射频同轴电缆，用于传输信号放大电路的3组输出信号；
1条多芯屏蔽线，用于传输该探头的电源信号、地线信号、压控电压信号、置位/复位脉冲控制信号。
每组惠斯通电桥由四个磁电阻组成。
所述3组惠斯通电桥在空间上处于相互正交的方向。
所述信号放大电路在对差分信号进行放大之前，通过电压跟随电路将磁组传感器输出的差分信号进行前后信号隔离。
所述电压跟随电路选用OPA836高带宽低噪声放大器。
所述信号放大电路选用AD8337压控增益放大器。
本实用新型一种用于宽频带瞬态磁场测量的探头，有益效果在于：
1、本实用新型根据磁阻效应传感器测磁原理，设计了基于各向异性磁阻传感器的瞬态磁场测量探头，能够准确测量空间中任一方向的磁场。
2、本实用新型所选用的磁阻传感器体积非常小，为毫米级，大大减小了磁场不均匀所带来的测量不准确的问题。同时，具有更小的体积和更高的频率范围。
3、所述磁组传感器使用半导体工艺将合金薄膜材料集成于芯片内部，抗干扰能力强。
附图说明
图1为本实用新型探头的惠斯通电桥内部电路的结构示意图；
其中：a-磁化方向，b-电流方向，1-坡莫合金薄膜。
图2为本实用新型探头的磁组传感器结构示意图。
图3为本实用新型探头的电路结构示意图。
图4为本实用新型探头的信号放大电路结构示意图。
具体实施方式
本实用新型根据磁阻效应传感器测磁原理，设计了基于各向异性磁阻传感器的瞬态磁场测量探头，在能进行三维测量的同时，具有更小的体积和更高的频率范围。
用于宽频带瞬态磁场测量的探头，该探头包括：磁组传感器、信号放大电路、信号传输通道；
所述磁组传感器包括3组惠斯通电桥，用于测量磁场强度的大小和方向；
所述信号放大电路，用于将从3组惠斯通电桥获取的差分信号进行放大并转换为单端信号；
所述信号传输通道包括3条射频同轴电缆、1条多芯屏蔽线；
3条射频同轴电缆，用于传输信号放大电路的3组输出信号；
1条多芯屏蔽线，用于传输该探头的电源信号、地线信号、压控电压信号、置位/复位脉冲控制信号。
如图1所示，每组惠斯通电桥由四个磁电阻组成。无外加磁场时电桥处于平衡状态，电桥两输出端无差模输出信号。当磁组传感器外部施加磁场后，惠斯通电桥相对的两臂上的阻值增大△R，另外两臂上的阻值减小△R，则磁组传感器的输出为：
其中，Vb为磁组传感器的工作电压。待测磁场强度通过磁组传感器转化为电压信号，通过对磁组传感器输出的电压信号进行处理，就能够计算出被测磁场强度的大小和方向，从而实现对磁场的测量。
如图2所示，所述整个磁组传感器封装在1cm大小的球形空间内，3组惠斯通电桥在空间上处于相互正交的方向，使得传感器有三个相互正交的敏感轴，因此空间磁场叠加在每个敏感轴方向上的分量就通过传感器转化为电压信号。
如图3所示，所述磁组传感器输出的差分信号首先通过电压跟随电路进行前后隔离，而后通过差分放大电路进行放大，差分信号通过放大电路转换为单端信号。
如图4所示，电压跟随电路的运放选用OPA836高带宽低噪声放大器，差分放大电路运放选用AD8337压控增益放大器。AD8337内部由前置6dB放大器、-24dB衰减环节和18dB后置放大器构成，前置放大器增益可由输入端电阻配置，衰减环节由压控电压控制增益，后置放大器增益为固定18dB，因此放大电路增益可以由输入端电阻以及增益控制电压两部分进行配置。
Claims (6)
1.用于宽频带瞬态磁场测量的探头，其特征在于，该探头包括：磁组传感器、信号放大电路、信号传输通道；
所述磁组传感器包括3组惠斯通电桥，用于测量磁场强度的大小和方向；
所述信号放大电路，用于将从3组惠斯通电桥获取的差分信号进行放大并转换为单端信号；
所述信号传输通道包括3条射频同轴电缆、1条多芯屏蔽线；
3条射频同轴电缆，用于传输信号放大电路的3组输出信号；
1条多芯屏蔽线，用于传输该探头的电源信号、地线信号、压控电压信号、置位/复位脉冲控制信号。
2.根据权利要求1所述用于宽频带瞬态磁场测量的探头，其特征在于：每组惠斯通电桥由四个磁电阻组成。
3.根据权利要求1所述用于宽频带瞬态磁场测量的探头，其特征在于：所述3组惠斯通电桥在空间上处于相互正交的方向。
4.根据权利要求1所述用于宽频带瞬态磁场测量的探头，其特征在于：所述信号放大电路在对差分信号进行放大之前，通过电压跟随电路将磁组传感器输出的差分信号进行前后信号隔离。
5.根据权利要求4所述用于宽频带瞬态磁场测量的探头，其特征在于：所述电压跟随电路选用OPA836高带宽低噪声放大器。
6.根据权利要求1所述用于宽频带瞬态磁场测量的探头，其特征在于：所述信号放大电路选用AD8337压控增益放大器。
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