[发明专利]三维脉冲磁场波形重构方法及三维磁场传感器

说明书

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，特别涉及一种三维脉冲磁场波形重构方法及其三维磁场传感器。

背景技术

电磁脉冲的测量是电磁脉冲防护研究的一个重要环节，测量的目的是确定受试设备和系统所处的电磁脉冲环境、对电磁脉冲的响应情况和防护效果；其中测量的对象就包括磁场的测量。由于电磁脉冲信号沿仅几个微秒，持续时间几个微秒至几个毫秒的瞬态信号，其频谱覆盖了零到几百兆赫的频带，因此要求测量传感器的工作频带要达到这一要求，传感器的输出应能真实的反应被测参量本来的情况，它们置入被测环境后应当对原环境影响很小，故要求测量磁场的传感器体积小。现有磁场传感器一般只能测量三维空间中的一维磁场，对于脉冲磁场测量，采用硬件积分电路或存在电路及装置复杂，或存在频带上限或下限范围受限等问题，对于类似雷电波、冲击电压或冲击电流放电、隔离开关或刀闸操作产生的瞬变电磁场等这类宽频带范围、大的幅度动态范围波形往往不能够真实地反映，或者还原波形畸变较大频带失真。针对以上情况我们发明一种用于三维脉冲磁场波形重构方法及传感器，它具有测量频率范围宽，可到1kHz～200MHz以上，体积小等优点。

发明的内容

    本发明的目的就是针对上述背景技术存在的不足，提供一种三维脉冲磁场波形重构方法，并在此基础上提供一种测量频率范围较宽的三维磁场传感器。

本发明提供的三维脉冲磁场波形重构方法包括下列步骤：

步骤一、用磁场传感器同时对三个相互垂直方向上的脉冲磁场信号进行测量并分别将

其转换为电信号U（t）；

步骤二、将步骤一得到的每一方向上的电信号U（t）分别通过下式还原成相应的脉冲

磁场波形：

其中：H(t) 为磁场强度，L为线圈电感，N为线圈匝数，R_-0为线圈自阻，μ₀为空气磁导率，S为线圈截面积，R为外部测量电阻, k1=,k2=。

步骤三、将步骤二得到的每一方向上的脉冲磁场波形进行矢量叠加，合成三维脉冲磁场波形。

本发明提供的三维磁场传感器，包括三维骨架和其上缠绕的线圈。其中，所述的三维骨架为截面均匀的非磁性材料球，且其三个相互垂直的方向上刻有绕线槽；

为使测量效果更精确，其线圈外表面包覆有在横向和纵向分段的锡箔纸。

本发明三维磁场波形重构采用基于全电路表达式的脉冲磁场波形数字重构方法，基于该方法，对传感器取样电阻与自身感抗之间大小没有特殊要求，这使得传感器制作起来很方便，同时可方便还原和合成三维磁场。磁场波形重构方法如下：

脉冲磁场测量等效电路图如图3所示。电磁感应法是一种比较简单可靠的脉冲磁场测量方法，将绕有匝数为N、截面积为S的测量线圈放在脉冲磁场中，并使线圈平面垂直于磁场方向，就会在测量线圈中产生感应电动势e(t)

                       （1）

式中B（t）和H（t）分别为该处磁感应强度和磁场强度，μ₀为空气磁导率。测量线路图和等效电路图如图3所示。

由图3列出下式：

               （2）

联合式（1）和式（2）有：

       （3）

若Cp很小可以忽略，式（3）可简化为：

                         （4）

当wL<<R₀+R时，式（4）可简化为：

                                        (5)

当wL>>R₀+R时，式（4）可简化为：

                                        (6)

为简化硬件要求，可采用基于电路全表达式的宽频带脉冲磁场波形数字重构方法，对式（4）化简得：

           （7）

由于式（7）是基于电路全表达式得到的，没有要求wL<<R₀+R，也没要求wL>>R₀+R，因此可以方便地进行线圈的设计。式（7）是一个包括信号积分、加、减、乘等数学运算在内的表达式，因此需要对测量信号U（t）进行数字化处理，而用高速大容量数字存储示波器和计算机的使用为解决上述问题提供了便利条件。