[发明专利]小型脉冲电场磁场一体化测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型脉冲电场磁场测量装置，特别是一种用于瞬态脉冲电磁场干扰环境中同步测量脉冲电场和脉冲磁场的一体化数字化测量装置。 

背景技术

在很多环境中存在瞬态电磁脉冲干扰，如工厂中电器开关动作、变电站电力电子器件动作、自然界的雷电放电过程等。为评估这些脉冲电磁干扰危害，需要对它们进行测量，获取它们的时域特性和频域特性，比如脉冲峰值、脉冲上升时间、脉冲的半高宽、频谱分布等。此外，复杂大系统中小空间内电磁脉冲的测量是困扰电磁脉冲抗扰度测试的一个重要方面，主要原因包括：小空间内测试亟需体积小、扰动小的微型化传感器；复杂系统测试点多，传感器要求成本低，便于多点布设；测试系统自身应具有抵抗环境电磁干扰的能力。传统的测量方法主要是用脉冲场传感器将脉冲电场、磁场转变成电信号，然后用电缆传输至数字采集存储装置。为避免电磁干扰环境中电缆传输受到的电磁干扰，人们采用光纤来传输测量到的脉冲电磁场信号。不管是电缆传输还是光纤传输信号，在多点分布式测量中都不方便，需要多台数字采集存储装置，以及大量布设线缆，而且采集存储装置必须放到电磁屏蔽室或屏蔽柜中防止脉冲电磁场对其干扰。况且传统的脉冲电场和脉冲磁场测量传感器是分开的，不能做到两种物理量在同一点一体化同步测量，就不能得到同一时刻的脉冲电场和脉冲磁场的关系。在一次大型脉冲电磁环境测量中，传统测量方法往往要耗费大量人力和物力。 

发明内容

针对传统的脉冲电场脉冲磁场测量中所存在的问题和不足，本发明的目的是设计一种小型一体化、抗电磁干扰能力强的数字化脉冲电磁场测量装置，一次测量可同步获得同一点的脉冲电场和脉冲磁场波形，省去传输线缆和数字记录存储设备。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： 

在一个微小的六面体小型金属屏蔽壳内装高性能单片机采集系统，其外1相对侧面装2片圆形平板电场天线，顶面装小环磁场天线。侧面上的这对平板电场天线构成差分结构，将该侧面方向上的电场信号转换成差分的电压信号，通过金属杆输入到金属屏蔽壳内高阻输入的差分放大电路，抵消共模干扰。差分放大电路的输出接高性能混合信号处理单片机的16位高速模数转换ADC0的输入端。小环磁场天线由一匝环形导线构成，导线外套金属屏蔽管对电场进行屏蔽，金属屏蔽管中段处横向断开一小缝隙使内部的导线能对磁场产生感应。磁场天线通过SMA接头输入到金属壳内的积分电路，将磁场天线对磁场感应到的微分电压信号进行积分还原。积分电路的输出接高性能混合信号处理单片机的16位高速模数转换ADC1的输入端。

脉冲电场和脉冲磁场的采集、存储和传输由高性能混合信号处理单片机系统实现。高性能混合信号处理单片机系统包括内置的2路16位高速模数转换模块ADC0与ADC1，外扩的电源电路、晶振电路、SRAM存储器、SD卡、复位电路、高速CAN传输端口等。整个金属屏蔽壳内的电路系统由可充电的锂电池供电。模数转换模块ADC0与ADC1分别采集脉冲电场信号和脉冲磁场信号，晶振电路为单片机系统提供稳定的时钟，SRAM存储器存储采集的实时数据，SD卡存储以往采集的数据（非实时数据），复位电路为单片机提供上电复位，高速CAN传输端口将系统采集的数据高速向外传输。SRAM存储器通过高性能混合信号处理单片机的并口与其连接，SD卡存储通过高性能混合信号处理单片机的SPI口与其连接，高速CAN传输端口通过高性能混合信号处理单片机的CAN口与其连接。 

被测的脉冲电场和脉冲磁场是瞬态的脉冲信号，要捕捉到完整的瞬态脉冲波形要求采集系统具有预触发功能，即采集系统能够采集信号达到触发电平之前波形，而且对正脉冲和负脉冲都能实现预触发功能。本发明实现脉冲电磁场预触发数据采集功能的方法如下： 

1、启用高性能混合信号处理芯片模数转换模块可编程窗口检测功能和相应中断功能；

2、根据脉冲电磁场及其测量电路的噪声电平，设置模数转换模块上限阈值寄存器和下限阈值寄存器，使上限阈值略大于正噪声电平，下限阈值略小于负噪声电平；

3、启用高性能混合信号处理芯片模数转换模块直接内存访问（DMA）功能，并设为循环继续写入模式；

4、启动模数转换；

5、被测场强达到上限/下限阈值电平时，进入中断服务程序，记下当前采集数据存放的地址，同时设置触发后的数据采集长度；

6、模数转换模块采完触发后的数据长度就停止采集，根据所记下触发时的存放地址以及直接内存访问循环存放数据的规律，重排测到的脉冲电磁场数据，并将其转存到SD卡中，再进行循环采集，等待下一次脉冲电磁场信号触发。