金属柱体表面雷电流分布测量研究

汪涛 周璧华 石立华 杨波 李炎新 丁雅菲

(解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,南京 210007)



金属柱体表面雷电流分布测量研究

汪涛 周璧华 石立华 杨波 李炎新 丁雅菲

(解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,南京 210007)

为对雷电流在金属柱体表面的分布进行测量研究,研制了二维巨磁阻(Giant Magneto Resistive, GMR)表面电流测量系统,采用该测量系统对金属柱体表面雷电流密度进行了测量研究,实测结果和CST软件仿真结果一致.结果表明：研制的二维GMR表面电流测量系统可用于测量研究金属柱体表面雷电流的分布.

电流;巨磁阻;测量;表面电流;柱面

引 言

在电磁兼容及电磁防护研究[1-2]中常需对柱状高塔的表面电流[3]进行测量,其中Rogowski线圈被广泛应用于测量通过柱状高塔的雷电流时域波形,但因其内径限制,给测量通过大型柱状高塔的雷电流时域波形带来困难,且不能测量导体表面雷电流分布.从相关基础研究入手,研制了二维巨磁阻表面电流测量系统.在此基础上,向金属空心圆柱直接注入雷电脉冲电流,通过测量雷电流在柱体表面不同位置产生的磁场,对柱体表面电流密度的分布情况进行了测量研究,并与CST软件仿真结果对比.研究结果表明:所研制的二维巨磁阻(Giant Magneto Resistive,GMR)表面电流测量系统可用于柱体表面电流密度的测量研究;雷电流在金属空心柱体表面的分布呈现出一定的非均匀性.

1 二维GMR表面电流测量系统设计

巨磁电阻效应是1988年费尔等人发现的一种磁致电阻效应,由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上,因此名为巨磁电阻,简称GMR[4].巨磁阻传感器是由四个巨磁电阻构成的惠斯通电桥,如图1所示.研制的二维GMR表面电流测量系统,采用的是自旋阀巨磁阻传感器.该类型的传感器测量范围宽、灵敏度高、磁滞低、温漂低、线性度好,频响范围为DC到1 MHz,测量范围为±0.3 mT.

图1 GMR传感器

图1中,E为直流电压源,u为输出电压.根据传感器技术原理,惠斯通电桥一般采用全等桥臂形式工作,即初始值R1=R2=R.当无外界磁场时,u=0;当有外界磁场时,令磁阻变化量为ΔR,则输出电压变化量Δu可由式(1)表示为

(1)

可见,输出和磁阻的变化量有很好的线性关系.根据上述GMR传感器测量磁场的原理,设计了二维GMR表面电流测量系统.为减少外界电磁环境对信号传输的干扰,采用光隔离技术传输信号,系统的结构框图如图2所示.

图2 二维GMR表面电流测量系统结构框图

2 二维GMR表面电流测量系统标定

标定时,采用了横电磁波(Transverse Electric and Magnetic, TEM)传输室.当在TEM传输室终端接上与其特性阻抗匹配负载、始端馈入激励信号时,传输室内就能建立起横电磁波[5].其电场和磁场之间的关系见下式

(2)

式中:

E(t)为TEM室工作空间的电场强度,V;

H(t)为TEM室工作空间的磁场强度,A/m;

V(t) 为输入TEM室的信号电压,V;

d为TEM传输室芯板高度,m;

η为平面波波阻抗, 120π Ω.

如图3所示,将GMR电流探头置于TEM传输室底板上,标定前调整好探头位置,使各芯片的敏感轴方向均和传输室内磁场方向一致.

图3 TEM传输室标定系统设置

标定时,TEM传输室输入PrimaSUG61005B雷击浪涌发生器产生的1.2/50μs脉冲信号,示波器记录测量数据.为检验二维正交GMR电流测量系统输出波形是否存在失真,将其与TEM传输室匹配终端上的输出波形经归一化处理后进行了比较,如图4所示,二维GMR表面电流测量系统x轴向和y轴向所测波形与TEM传输室输入的源波形基本一致,无失真.这不仅说明采用二维GMR电流测量系统测量导体表面雷电流分布是可行的,同时也表明,可按波形峰值对二维正交GMR电流测量系统进行标定.以x轴向为例,根据标定数据绘制的标定曲线如图5所示,相应地计算得出x向的标定系数为

Hp=0.068Uxop+0.0042.

(3)

式中:

Hp为磁场强度峰值,A/m;

Uxop为测量系统x向输出电压峰值,mV.

同样得出y方向标定系数为

Hp=0.075Uyop+0.0054.

(4)

式中:

Uyop为测量系统y向输出电压峰值,mV.

标定结果表明,二维GMR表面电流测量系统对1.2/50μs雷电脉冲信号响应较好,测量波形无失真.研制的二维GMR表面电流测量系统基本达到了测量1.2/50μs脉冲信号的要求.

图4 表面电流测量系统测量结果与源信号的对比

图5 x方向芯片标定曲线

3 非正交性误差分析及其修正

由于两芯片直接焊接在印刷电路板上,焊接过程很难保证两芯片完全正交,对研制的二维GMR表面电流测量系统进行误差角度修正是十分必要的.两GMR敏感轴在印刷电路板上的位置示意图如图6所示,图中x轴向和y轴向是两GMR理想正交情况,图中虚线x1轴向和y1轴向表示芯片实际方向,α、β表示误差角度,可正可负.

图6 两GMR正交芯片敏感轴位置

设两GMR敏感轴理想正交时,测量系统输出的磁场强度峰值为Hx,Hy,非理想正交时输出磁场强度峰值为Hx1,Hy1.分别将Hx,Hy投影到x1轴向、y1轴向上,各量值之间的关系为

(5)

假设理想正交测量系统测得磁场为H=(Hx,Hy),测量系统实际测得的磁场为H1=(Hx1,Hy1),则H与H1的变换关系为

H=P·H1,

(6)

P是修正矩阵,为

(7)

为较准确地得到误差角α、β的值,仍采用标定系统进行非正交性测试实验,调整二维GMR表面电流测量探头的位置,使y轴向和TEM传输室工作空间内的磁场H分别成θ角,θ可取0°,30°,45°,60°,90°,如图7所示(限于篇幅,图中未显示90°情况),并分别记录相应x1轴向和y1轴向测量值.

图7 误差角度校正示意图

通过实测可得五组α、β值,求其平均值为0.95°,-0.64°.将求得的α、β值代入式(7)可求得矩阵P.

4 铝柱表面雷电流分布测量研究

金属导体的电导率σ很大,计算时可将其视为理想导体.根据理想导体的边界条件知其表面磁场强度的法向分量等于零,切向分量Ht等于导体表面电流密度Js[6],即

n×Ht=Js.

(8)

式中:n是导体表面法向量,n、Ht、Js三者存在右手螺旋关系.

可通过测量导体表面的磁场分布来确定导体表面电流密度的分布.研制的二维GMR表面电流测量系统即是基于上述原理对铝柱表面电流密度分布进行了测量研究.

实测用金属圆柱为无缝铝管，如图8所示,其长l=0.75 m;外径D=0.09 m;内径d=0.08 m.图中点A、B、C、D及A1、B1、C1、D1是电流I的可选注入点及引出点,侧面上的网格节点即对应测点,网格单元按边长为0.05 m的正方形划分.(z,φ)就是对应测点坐标,规定电流注入点处φ=0.

图8 空心铝柱侧面及截面示意图

在不同电流注入方式下,研究了铝柱表面雷电流分布规律.主要有以下7种不同电流注入方式:A→A1、A→B1、A→C1、A→B1D1、A→A1B1C1D1、AC→B1D1及ABCD→A1B1C1D1.

以电流注入方式A→A1为例,将柱面测点(-350, 0)、(0, 0)和(350, 180o)所测波形与源波形经峰值归一化处理后进行了对比,图9为测点(0, 0)所测结果.

图9 测点波形与源波形对比图

如图9所示,测点波形与源波形基本一致,波形无失真,这说明采用研制的二维GMR表面电流测量系统对铝柱表面电流密度进行测量是可行的.

利用实测数据绘制的铝柱表面雷电流密度分布图如图10所示,为便于观察表面电流密度沿柱面的变化趋势,图中只显示了从z=-350 mm到z=350 mm之间测点处的电流密度值.

如图10所示,电流注入方式A→A1情况下,铝柱表面电流密度分布不均匀;受紧密效应[7]影响,电流输入点和输出点附近的电流密度值较其它各处明显偏大;柱面表面电流密度分布具有一定的对称性.因此,对于其他六种电流注入方式下的柱体表面电流密度分布情况,只需对截面z=-350 mm、z=0和z=350 mm上各测点的雷电流密度进行测量,测量结果如图11所示.

图10 铝柱表面雷电流密度分布图

图11 不同截面上各测点的电流密度值

如图11所示,可得出以下结论:1) 不同方式注入电流情况下,柱面表面电流密度分布不同;2) 无论哪种电流注入方式,由于紧密效应的影响,电流注入点处的电流密度值始终偏大;3) 电流注入点越多,电流密度分布对称性越好,分布越趋于均匀.

5 铝柱表面雷电流分布仿真研究

CST软件是一款采用有限积分法(Finite Integral Method, FIT)仿真计算表面电流和磁场的仿真软件.采用CST软件建模如图12(上)所示.以电流注入方式A→A1为例,建模时,激励源和电阻两端加零电壁边界,其他方向加Open边界,模拟自由空间.仿真结果如图12(下)所示.在电流注入方式A→A1情况下,仿真与实测结果一致.

图12 CST仿真建模图(上)及仿真结果(下)

改变电流注入方式时,仿真了和实测相同的七种情况,所得结果均和实测结果一致.图13列出了4种较为典型的电流注入方式下铝柱表面雷电流密度分布情况,这4种电流注入方式分别为A→C1、A→A1B1C1D1、AC→B1D1及ABCD→A1B1C1D1.图中省去了坐标轴的标注,和图12相同,纵轴表示截面角度φ,横轴表示截面z.图13不同电流注入方式下,铝柱表面电流密度分布明显不同,这不仅对实测结果进行了验证,还说明研制的二维GMR表面电流测量系统用于测量金属柱体表面电流密度不仅可行,而且较为理想.

图13 不同电流注入方式下铝柱表面电流密度分布对比

6 结 论

研制了二维GMR表面电流测量系统,对铝柱表面雷电流分布进行了测量研究,结合CST软件仿真结果,得出以下结论:

1) 研制的二维GMR表面电流测量系统适用于测量金属柱体表面1.2/50 μs雷电流分布.

2) 对于规则的空心金属柱体,不同电流注入方式,柱体表面电流密度分布不同,电流注入点越多,金属柱体表面电流密度对称性越好,且越趋于均匀.

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Measurements of lightning current distribution on metal cylindrical surface

WANG Tao ZHOU Bihua SHI Lihua YANG Bo LI Yanxin DING Yafei

(NationalKeyLaboratoryonElectromagneticEnvironmentalEffectsandElectro-opticalEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

In order to measure the lightning current distribution on the metal cylindrical surface, a two dimension giant magneto resistive(GMR) surface current measurement system is developed. With this measurement system, the aluminum cylindrical surface current density is measured. The measurement results are consistent with the simulation results of the CST software. It shows that the 2D GMR surface current measurement system can be used to study the lightning current distribution on the metal cylindrical surface.

lightning current; GMR; measurement; surface current; cylindrical surface

10.13443/j.cjors. 2014102102

2014-10-21

国家自然科学基金(No.61271106，No.41305017)

TM937

A

1005-0388(2015)05-0890-06

汪涛 (1988-),男,河南人,解放军理工大学博士研究生,主要从事固体表面电流研究.

周璧华 (1940-),女,江苏人,解放军理工大学教授,博士生导师,主要研究方向为高功率电磁环境及其防护.

石立华 (1969-),男,河北人,解放军理工大学教授,博士生导师,主要研究方向为脉冲时域测量技术、电磁兼容试验技术和信号时域分析技术研究.

汪涛, 周璧华, 石立华, 等. 金属柱体表面雷电流分布测量研究[J]. 电波科学学报,2015,30(5):890-895.

WANG Tao, ZHOU Bihua, SHI Lihua, et al. Measurements of lightning current distributionon metal cylindrical surface[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):890-895. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors. 2014102102

联系人： 汪涛 E-mail：wangtaolg10@163.com