[發明專利]三棱錐形三維脈沖磁場測量裝置與方法

有效

• 申請號: 201510421104.4
• 申請日: 2015-07-17
• 公開（公告）號: CN104977549B
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 李炎新;張琪;汪濤;高成;石立華;孫晨鳴
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種三棱錐形三維脈沖磁場測量裝置與方法，可廣泛應用于瞬變電磁脈沖磁場的測量，特別是一種用于三維雷電電磁脈沖磁場的測量裝置與方法。

背景技術

雷電是自然界普遍存在的超強放電現象，其發展過程通常伴隨強烈的電磁輻射。在信息化電子設備廣泛應用的今天，由雷電電磁脈沖場造成的設備損壞率驟然上升，造成的損失也越來越嚴重。然而，當前對雷電現象的認識還遠遠不夠，大量的科學問題尚未解決，需要進行深入細致的科學觀測、理論探討和實驗驗證。

以雷電電磁脈沖磁場而言，對其進行細致的觀測對研究雷電物理、雷電損傷效應、雷電定位和雷電防護等都有極大的促進作用。早期的雷電電磁脈沖磁場測量裝置采用線圈作為傳感器，線圈體積較大，用于三維磁場測量時，標定、安裝均不方便，且三維之間可能產生較大的互耦。與線圈相比，巨磁阻傳感器體積小，頻率響應范圍寬，特別適合磁場的測量，且巨磁阻材料的磁阻效應可使傳感器的電阻值隨外加磁場的變化而改變。當巨磁阻材料受到與其敏感軸方向相平行的磁場作用時，受洛侖茲力的影響，電子的流動方向發生改變、路徑加長，導致磁阻阻值增大，因此可用巨磁阻搭建電橋來測量磁場。常見的巨磁阻磁場測量裝置，用兩個相同的切向對磁場敏感的巨磁阻傳感器測量水平方向上的二維磁場，再用一個法向對磁場敏感的巨磁阻傳感器測量垂直方向上的一維磁場，合成三維磁場。此類測量裝置的三個巨磁阻傳感器通常安裝在同一塊PCB電路板上，位置并不對稱，且兩種類型的巨磁阻性能不一致（一種法向磁場敏感，另一種切向磁場敏感）。因此上述結構的巨磁阻傳感器在三維方向上的互耦較大，同時結構非對稱，不利于做成差分，共模干擾大。

發明內容

針對現有脈沖磁場三維測量中存在的問題與不足，本發明的目的是設計一種三棱錐形三維脈沖磁場測量裝置，利用PCB制作裝置外殼，巨磁阻磁場傳感器安裝在外側的PCB板銅層上，PCB板中間有接地銅層，起到屏蔽電磁干擾作用，內側PCB銅層布線和安裝貼片元件，其加工、安裝方便，成本低廉，且對稱的三棱錐形結構可以確保通過差分計算消除共模干擾。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種三棱錐形三維脈沖磁場測量裝置，包括巨磁阻磁場傳感器和調理電路一體化的3塊等腰直角三角形的多層PCB電路板、激光供能模塊、電光轉換模塊、等邊三角形的底板和全介質光纜；3塊等腰直角三角形的多層PCB電路板相互正交成直角錐狀，并且與等邊三角形底板構成一個三棱錐形的四面體。

所述的巨磁阻磁場傳感器和調理電路一體化，其巨磁阻磁場傳感器和調理電路制作于同一塊4層PCB電路板上，在最外一層銅層的三角形重心位置直接安裝切向敏感的表面貼裝（貼片）巨磁阻磁場傳感器，方向指向三棱錐頂；第二層銅層為地層，起屏蔽作用；第三層銅層為布線層；第四層銅層為元件層，用于安裝貼片電子元器件。

所述的由3塊等腰直角三角形的多層PCB電路板和等邊三角形底板構成的三棱錐形四面體，在PCB制板時，其TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條，并在四面體組裝時，由細長的薄銅條將接縫用錫焊接起來，使整個測量裝置構成一個完整的屏蔽體。

所述的調理電路中，巨磁阻磁場傳感器電橋的兩個信號輸出端與運算放大器的差分輸入端連接，實現對每一個巨磁阻磁場傳感器信號的差分放大。

所述的電光轉換模塊將調理電路輸出的磁場信號轉換成光信號，經由光纜從測量裝置輸送至遠處的光接收機，轉換成電信號，再由數字采集系統轉換成計算機處理的數字信號。

所述的激光供能模塊將遠處激光器發出并通過光纜送來的激光能量轉換成電能，給巨磁阻磁場傳感器、調理電路和電光轉換模塊提供電能。

所述的全介質光纜包括傳輸供能激光的光纜和傳輸測量信號的光纜，不含金屬加強筋，從測量裝置的底板穿過。

用三棱錐形脈沖磁場測量裝置測量脈沖磁場的方法如下：

（1）用磁場模擬器對三棱錐形脈沖磁場測量裝置的每一個巨磁阻磁場傳感器分別標定；被標定的巨磁阻磁場傳感器磁場敏感方向與磁場模擬器磁場方向一致，根據磁場模擬器產生的脈沖磁場峰值和測量輸出的電壓峰值，分別算出3個巨磁阻磁場傳感器的磁場測量靈敏系數k₁，k₂，k₃；

（2）測量時將測量裝置按給定的位置放置，使測量裝置的底面與xoy水平面平行，第1塊PCB電路板的底線與x軸平行；