基于光纤传输的三维电磁场传感器设计与试验标定

王淑敏，陈晓宁，张海涛，黄立洋，林 楚

（中国人民解放军陆军工程大学国防工程学院，江苏 南京210007）

雷电是一种强烈地放电现象，飞机飞行在强大电荷区时会为闪电提供放电路径，导致雷击飞机事故的发生。雷击带来的强瞬态电磁场环境对飞机航电系统产生干扰或损害的现象称为雷电间接效应[1]。为了研究雷电产生的强电磁环境下飞机内部关键位置的电场与磁场分布情况，近几年，国内外先后研制出各类电磁场传感器，但大多都是一维或二维的探测器，即探测方向一般与传感器主轴方向垂直或平行[2]。本文首先介绍了基于光纤传输的三维电场和磁场传感器的设计，然后分析制定了标定试验的方案，最后搭建了传感器的标定系统并进行了大量的试验，得到了相应的标定系数。由于测量环境存在强电磁干扰，因此利用光纤通信等方法保证了测量精度与准确性，对后续利用此种传感器进行飞机雷电间接效应整机试验研究提供了依据。

1 基于光纤传输的三维电场磁场传感器的设计

为了进行雷击环境下的电场磁场环境测量，为雷电间接效应研究提供依据，设计了三维电场、磁场传感器，结构如图1所示，主要包括外部结构和内部电路两大部分。

图1 传感器结构

本传感器应用于强电磁场干扰环境，为使测量信号能够准确、稳定地输送，本试验采用光纤通信的方式进行可靠的信号传输。激光受电磁波干扰小、带宽大、保密性好等优点以及光通信器件制造技术的提高[3，4]，使得光纤通信在中短距离的高速通信领域日益展现出其独特魅力。在信号传输的过程中，设计将用于驱动光纤传输的光发射机电路集于传感器主电路中，光纤发射器采用AvagoTechnologies公司生产的一款高耦合效率、高功率、高稳定性的HFBR-1414[5]，并利用光接收机实现信号的光电转换。

1.1 三维电场传感器的设计

1.1.1 三维电场传感器的外部结构

三维电场传感器外壳为一个边长为10 cm的正方体结构，材料为铝合金。安装在传感器上的六根天线作为感应电极构成了三个相互正交的X、Y、Z轴，以进行电场的三维测量，另外在金属天线与金属壳体间放置绝缘垫以保证两结构间的电气隔离。该种结构设计提高了传感器的电磁屏蔽性能，降低了外界环境对内部电路的干扰，能更加准确地测量待测点的电场波形。三维电场传感器实物如图2所示。

图2 三维电场传感器

1.1.2 三维电场传感器的内部电路

三维电场传感器的内部电路主要有信号采集电路、信号处理电路、光发射机电路和供电电路。信号采集电路作为前端电路，用以将金属棒天线采集的电场信号转化为电信号输入到后续电路。由于前端电路转化的电信号非常微弱，因此需要信号处理电路具有较好的放大性能。光发射机电路用以对输入的电信号进行放大和电光转换。为提升传感器性能，做了以下分析。

集成运算放大器是一种具有高放大倍数的直接耦合放大电路，电路可灵活地实现输入输出信号之间的各种特定函数关系[6]。由于需要在强电磁干扰下进行实时测量，因此采用差分信号输入方式，较单线输入方式来说有抗干扰能力强、稳定性高等优点。基于此，放大器的基础电路采用同相差分放大器。另外，为使电路尽量处于平衡状态以提高共模抑制比，本文设计集成运放同相和反相输入端都接1 kΩ电阻。采用LMH6622MA运算放大器，带宽为160 MHz，低噪声。利用Multisim仿真工具搭建本传感器的信号处理电路如图3所示。利用“虚短”和“虚断”方法对该电压串联负反馈放大电路进行分析，求得vo（输出电压）与vin（输入电压）的关系如式（1），与图4中的仿真结果一致并且波形完整，说明了三极管很好的工作在放大区，放大电路能够对上级输入信号进行有效地放大，图中幅值大的为输出信号曲线。

图3 放大电路

图4 放大电路输入输出关系

集成运算放大器以及外围电路存在大量的电容，电容电抗会随信号的频率变化而变化，使放大电路对应不同频率的信号有着不同的放大特性。为了得到理想的放大结果，使传感器放大部分工作在通频带内，对放大电路进行频域仿真，如图5.分析可知上限截止频率fH为118.712 MHz，在频率处于大于上限截止频率的高频区时，三极管内的极间电容和电路中的分布电容不能再视为对交流信号开路，幅频响应会随着频率的增加而降低，并产生相移。由于雷电产生的能量主要集中在10 kHz以内，且传感器使用金属壳进行了电磁屏蔽，因此满足频域方面的应用要求。

图5 放大电路的频率特性

1.2 三维GMR磁场传感器的设计

1.2.1 三维GMR磁场传感器的外部结构

法国费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现了非常弱小的磁性变化就能引起某种磁性材料发生显著的电阻变化的现象，并将其命名为巨磁阻效应[7-9]。利用这种效应制成的传感器具有体积小、精度高，并且能够直接测得某位置的磁场值的优点。将感应探头旋于传感器上以完成三维磁场测量。感应探头上的芯片采用两个贴片式GMR芯片（VA100F3）用于感应水平方向上的磁场，一个直插式高灵敏度GMR芯片（VA100F2）用于感应垂直方向上的磁场，三个芯片的敏感轴相互正交构成空间坐标系以降低极间耦合。三维GMR磁场传感器的实物图如图6所示。

图6 三维GMR磁场传感器

1.2.2 三维GMR磁场传感器的内部电路

三维GMR磁场传感器的放大调理电路设计思路同上述三维电场传感器，但由于该电路前端信号源的阻抗较大，所以考虑增加一级信号处理电路，设计为两级结构：第一级为电压跟随器，起着缓冲、隔离以及提高带载能力的作用；第二级为同相差分比例运算电路，起着放大、调理的作用。在Multisim中搭建放大部分电路如图7所示。两级中的集成运放都使用CMOS高阻运放OPA211，其单位增益带宽为80 MHz、输入噪声为1.1 nV/（Hz）1/2。

图7 放大电路

在Multisim中对电路进行仿真测试。将两个大小相等、相位差为180°的差分信号输入第一级电路，产生与该输入信号相等的输出信号，作为第二级电路的差分输入信号，分析计算可得整个电路的输入vin和输出vo关系如式（2）。电路时域仿真如图8，图中幅值大的为输出信号曲线，拖动游标T2至9.625 ms处，可知输入信号的瞬时值为99.337 mV，输出信号的瞬时值为3.498 V，与式（2）相对应，且波形完整稳定，说明电路能够有效地放大、调理输入信号。另外，分析电路频域特性如图9，上限截止频率fH为13.354 MHz，应用时要求fH在10 MHz以内，满足设计要求。

图8 放大电路输入输出关系

图9 放大电路的频率特性

2 三维电场磁场传感器的试验标定

传感器输入信号与输出信号的转换关系为传感器系数，可以通过理论计算得出，但由于器件中模拟电路的元器件参数不完全相同，需要通过专用设备进行实际试验来确定，以保证测量结果的准确性，这个过程称为标定。在标定试验中，标准天线法和标准电磁场法[10]都能够建立标准场，鉴于本传感器的应用环境，试验采用标准电磁场法。该方法即将一种已知的电磁场作为标准电磁场，然后用传感器对其进行测量，按照测量结果与标准电磁场之间的关系对传感器进行系数标定。应用传感器时，只需将三轴的标定系数分别与测量结果相乘即可得到实际轴向的电场强度。

本传感器应用于测量雷击时某位置处的电磁场，为飞机雷电防护的设计提供依据，相较于信号的波形信息来说更需要的是信号的最大值信息，故在同样的标定系统中只需选取测量结果的最大值与标准电磁场最大值进行系数标定即可。另外，标准的雷电环境[11]由独立的电压波形和电流波形组成，这些波形代表了自然雷电的重要特征，其中，雷电流A波最常用于飞机雷电间接效应测试，故选用A波形冲击电流发生器产生脉冲源。

2.1 三维电场传感器的试验标定

2.1.1 三维电场传感器的标定系统

根据标准[12，13]搭建三维电场传感器的标定系统，主要包括：A波形冲击电流发生器（SJTU-ICG-A1.5）、TEM小室、匹配阻抗（50 Ω）、光缆、多通道光接收机（NPS02-CH/OA）、同轴电缆、四通道示波器、高压探头（100X）。TEM小室是一种常用的标定设备，用于产生标准场环境，内部电场垂直于芯板分布，内部磁场环绕着芯板分布。小室的金属外壳有利于屏蔽外部的噪声干扰，提高标定的准确性。

标定试验场景如图10所示，脉冲电流发生装置产生脉冲电流作用于TEM小室产生标准电场，置于TEM小室下半空间均匀电场位置处的电场传感器对该场进行三维测量，并将测量结果转化为光信号通过光缆传输到光接收机，转化后的三路电信号分别显示在示波器的2、3、4通道。另外，将高压探头与TEM小室连接，再通过20 dB衰减器将冲击电流发生器产生的脉冲电流信号转化为电压信号显示在示波器的1通道。将测量数据代入式（3）、（4）中计算出三维GMR电场传感器的标定系数KE.

式中，U1为示波器1通道波形的电压峰值，Estd为TEM小室中测量位置处的电场强度峰值，d为小室下半空间高度0.5 m，KE为传感器的标定系数，Ux为示波器2、3、4通道波形的电压峰值，其中x的值2、3、4分别对应传感器X、Y、Z轴的测量数据。

图10 三维电场传感器标定系统

2.1.2 三维电场传感器的标定结果

不同长度的天线适用于不同频率的工作环境，为保证三维电场传感器更好地应用于后续雷电间接效应测量，分别制作了8 cm和15 cm天线，可配于电场传感器1、电场传感器2上。根据上述试验方法对这4组搭配进行了大量的试验测量，结果如下表1-4.为了提高测量的精度，数据保留了到小数点后第4位。

表1为配置8 cm天线的电场传感器1标定结果，对同轴（x值相同）方向的标定系数取平均值，可将 X、Y、Z 轴的标定系数分别确定为 17.897 9（m-1）、12.441 2（m-1）、11.032 5（m-1）.另外，由表可知传感器三个轴的标定结果由于模拟电路中元器件参数不完全相同确实存在一定的差异。

表1 配置8 cm天线的传感器1标定数据

表2为配置15 cm天线的电场传感器1标定结果，计算得X、Y、Z轴的平均标定系数分别确定为6.803 8（m-1）、6.376 3（m-1）、4.949 7（m-1），对比表 1可知随着感应天线长度的增加标定系数减小。表3和表4分别为配置8 cm天线和15 cm天线的电场传感器2标定结果，计算可得X、Y、Z轴的平均标定系数分别为 11.458 2（m-1）、18.290 6（m-1）、16.362 3（m-1）和 4.624 2（m-1）、9.656 7（m-1）、7.470 2（m-1）.

表2 配置15cm天线的传感器1标定数据

表3 配置8cm天线的电场传感器2标定数据

表4 配置15cm天线的电场传感器2标定数据

2.2 三维GMR磁场传感器的试验标定

2.2.1 三维GMR磁场传感器的标定系统

根据标准[12，13]搭建三维GMR磁场传感器标定系统，主要包括：A波形冲击电流发生器（SJTU-ICG-A1.5）、罗氏线圈（系数为 293）、衰减器、多匝磁环（半径为1 m）、光缆、光接收机、同轴电缆、屏蔽柜。

利用电流发生器产生的冲击电流作用于多匝磁环以产生标准磁场环境，使用罗式线圈测量并通过20 dB衰减器连接在示波器的1通道。如图11所示，将配置有磁场感应探头的传感器置于多匝磁环的圆心位置，并将传感器中光发射机的三路信号发射端分别连接三路光缆，传输X、Y、Z轴三个方向的光信号，光接收机连接对应路光缆，将光信号转化为电信号显示在示波器的2、3、4通道上。另外，考虑到多匝磁环在其圆心位置处的磁场方向，试验时需要旋转三维GMR磁场传感器来变换前端探头角度，使三个感应芯片的敏感轴分别平行于磁场方向进行测量。根据标准电磁场法进行试验，将测量结果代入式（5）-（7）中计算出标定系数。

图11 三维GMR磁场传感器标定系统

式中，Kr为罗式线圈系数，U1为示波器1通道电压波形的峰值，I为输入的电流峰值，r为多匝磁环半径，Hstd为磁场的理论计算峰值，KH为标定系数，Ux为示波器 2、3、4 通道电压波形的峰值，x 的值 2、3、4分别对应的传感器X、Y、Z轴。

2.2.2 三维GMR磁场传感器的标定结果

为了保证传感器的实际应用，设计制作了三个磁场传感器（编号为1、2、3）和一个三维磁场感应探头。利用上述方法分别对配置感应探头的三个传感器进行了大量的标定试验，综合上述理论计算方法，标定结果如下表5-7.将标定系数KH取平均列于表8，表中KH1、KH2、KH3分别表示三维GMR磁场传感器1、2、3 的标定系数平均值。

表5 传感器1标定数据

表6 传感器2标定数据

表7 传感器3标定数据

表8 标定系数平均值

3 结束语

本文详细介绍了基于光纤传输的三维电场传感器、三维GMR磁场传感器的设计与试验标定，得到了如下结论：

（1）为了适应雷电强电磁干扰的工作环境，设计使用了光纤传输、差分信号输入、传感器金属外壳屏蔽等方式，有效地保证了信号传输的稳定性以及测量结果的准确性。

（2）为了满足传感器的设计要求，通过Multisim仿真软件对传感器电路中的关键部分进行了时域和频域分析，结果说明了本传感器的电路能够在雷击电磁环境下稳定地工作。

（3）依据标准电磁场法，利用TEM小室、多匝磁环等设备，对配置不同长度天线的三维电场传感器、配置一个感应探头的三个三维GMR磁场传感器进行了标定系统的设计，并完成了大量的系数标定试验，得到了相应的传感器标定系数，为后续应用该传感器进行实际待测点的电磁场测量提供了可靠保障，是研究飞机雷电间接效应的重要手段。