低频三维磁场测量系统研制

李祥麟 吴 静 金海彬 李怡濛

(1.北京航空航天大学，北京 100191；2.北京东方计量测试研究所，北京 100086)

1 引 言

低频10Hz～20kHz的电磁波覆盖了极低频、超低频和甚低频频段，此频段的电磁波波长较长，信号的传播损耗小、幅度和相位稳定，能够沿地-电离层波导实现远距离传播，同时能渗透到一定深度的土壤和海水中，因而被广泛应用于超远程导航、授时、通信，特别是对潜艇通信和导航等领域。另外，大量研究认为较高强度的低频电磁辐射对生物体有明显影响。因此，低频电磁辐射的监测具有重要意义。

在磁场测量相关技术中，需要使用磁电转换元件将磁场信号转换为电信号。常见的磁电转换元件有：感应式传感器、磁通门传感器、霍尔传感器、巨磁阻传感器、核磁共振传感器、超导磁场传感器等。感应式传感器原理简单易于实现，但不能用来探测静态或者缓慢变化的磁场；磁通门传感器可测量恒定或缓慢变化的磁场，灵敏度高，性能稳定，但由于其灵敏度与传感器尺寸直接相关，高分辨率的磁通门传感器体积较大，限制了其应用；霍尔传感器体积小、集成度高、耐振动、线性度好，但容易受到温度影响而产生漂移，需要引入补偿电路；巨磁阻传感器具有体积小、灵敏度高、抗恶劣环境等优点，但由于磁性材料的固有缺陷，存在输出特性非线性以及温度漂移的问题，限制了其应用；核磁共振传感器测量范围大、测量精度高，但探测到的信号强度较弱，易受外界干扰影响，信噪比较低；超导磁场传感器具有灵敏度极高、通带宽等优点，但其结构复杂价格昂贵，且需要制造超低温条件。目前，商业化的低频电磁辐射监测仪测量频带通常在几Hz到几百kHz，功能以磁感应强度测量为主，幅值与频率的分辨率较低，在弱低频电磁环境下的测量效果不佳。

本文根据自然电磁辐射、人为电磁辐射的特点，设计了一种感应式低频磁场监测系统，能够监测空间10Hz～20kHz范围内的三维磁场的波形变化及其时频特征，性能稳定，灵敏度高，对于极低频、甚低频电磁辐射的定量评估具有重要实用价值。

2 测量系统设计

所设计的10Hz～20kHz低频电磁辐射测量系统的框图如图1所示。其中，磁场传感器用于测量空间低频磁场的变化，将磁场信号转换成感应电压信号输出，由三轴正交线圈组成；信号调理模块用于对接收到的信号进行带通滤波和放大；信号采样模块用于将信号调理模块输出的模拟信号转换成数字信号；信号处理模块用于处理数字信号，输出时域波形以及时频分析结果。

图1 低频磁场测量系统框图Fig.1 Block diagram of measurement system on the Low-frequency magnetic field

2.1 磁场传感器设计

为获取待测磁场信息，根据美国电气和电子工程师协会(IEEE)关于低频电磁场测量的推荐实施规程，设计了带有电场屏蔽层的三轴磁感应线圈。线圈的输出主要受两类噪声源的影响：线圈自身的热噪声和由人类活动或自然界电磁辐射造成的无线电噪声。为尽可能提高接收线圈对微弱磁场的灵敏度，在设计线圈时应尽量降低线圈的噪声水平。国际电信联盟(ITU)给出了0.1Hz～100GHz范围内大气背景电磁噪声监测结果，以无线电噪声系数

F

(单位dB)的形式给出，利用该系数可以求出噪声电场强度

E

(单位V/m)为20log(

E

)=

F

-338

.

5+20log(

f

)

(1)

式中：

f

——噪声场的频率，单位Hz。求得噪声电场强度后，根据真空中平面波的波阻抗

E/H

=377Ω以及

B

=

μ

H

可求出对应的噪声磁场的强度

B

(单位T)，如图2所示。

图2 噪声磁场的强度曲线图Fig.2 Intensity curve of the noise magnetic field

B

对应的线圈的感应电压

U

(单位V)换算公式如下

U

=2π

fNa

B

(2)

式中：

N

——感应线圈匝数；

a

——方形感应线圈边长，单位m。感应线圈的热噪声电压

U

(单位 V)为

(3)

式中：

D

——导线直径，单位m；

k

——玻尔兹曼常量；

T

——线圈的开尔文温度；

ρ

——导线的电阻率，单位Ω·m。为了提高感应线圈对自然电磁噪声的测量灵敏度，应使线圈在测量中产生的热噪声电压

U

远小于自然电磁噪声在线圈中产生的感应电压

U

最小值，即min(

U

)≥10·

U

(4)

化简后得

(5)

在设计线圈参数时，应保证线圈的匝数、边长、导线直径满足式(5)的要求。

根据上述方法，将AWG26规格漆包线绕制在边长为475mm的正方形木架上构成匝数为235匝的感应线圈，并在感应线圈上使用铝箔对外界电场进行屏蔽，以减小其对感应线圈的影响。

使用阻抗分析仪在(0～20)kHz频段对所绕制的线圈阻抗进行测量，测得其直流电阻为68Ω，电感为0.072H，分布电容为1.97nF。线圈的磁场响应特性仿真结果如图3所示。线圈在150Hz后其输出电压与环境磁场的强度呈线性关系。为使系统能稳定的工作在10Hz～20kHz频段，需要设计信号调理电路对线圈输出的电压信号进行滤波和放大。

图3 感应线圈的磁场响应曲线图Fig.3 Magnetic field response curve of induction coil

2.2 信号调理电路设计

本文设计的信号调理电路如图4所示，其为两级放大电路，第I级为采用AD797运算放大器的二阶低通滤波放大电路，其中两个RC并联环节的截止频率分别为15Hz与27kHz，分别用来补偿感应线圈在(10～150)Hz的磁场增益以及衰减高频磁场信号。为了防止运放输出饱和；电路的第II级采用以OP27作为运放的低、中、高三档可调低通滤波放大电路，通过切换开关可以使系统在10Hz～20kHz频段的磁场增益在143dB，163dB，183dB(V/T)之间调节，并进一步衰减高频磁场信号。使用TINA软件对系统低在低档状态下1Hz～100kHz频段的磁场响应进行仿真，结果如图5所示。系统可放大10Hz～20kHz频段内的磁场信号，且输出电压与磁场的强度呈线性关系，信号调理电路的饱和输出电压为±5V，使用低档增益时可测量的最大磁场的强度为340nT；对于所测频段外的磁场信号，其衰减率可达40dB/10倍频程。

图4 信号调理电路原理图Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning circuit

图5 信号调理电路的频响特性(低增益档)曲线图Fig.5 Frequency response characteristics curve of signal conditioning circuit(low gain)

2.3 信号采集和处理

经信号调理电路处理过的磁场波形信号，可灵活选择数据采集设备，如声卡、数据采集卡等进行采集。本文使用NI-9222数据采集卡。该数据采集卡为4通道，最大采样率为500kS/s，A/D的分辨率为16位，其最小分辨电压为0.153mV，采用高增益档位可测得强度为0.15pT的弱磁场。

设采集到的信号为

x

(

k

)(

k

=0,1,…,

N

-1)，系统采样率为

f

，利用离散傅里叶变换(DFT)可得到采样波形的频域特征为

(6)

进一步利用短时傅里叶变换(STFT)可得到采样波形的时-频特征为

(

m

,

n

=0,1,…,

N

-1)

(7)

式中：

g

(

k

)——窗函数。

3 对低频磁场测量系统的测试

3.1 磁场幅频响应测试

使用边长50cm，匝数40匝的方形线圈作为发射天线，串接1kΩ电阻后接入信号发生器(Gwinstek AFG-2225)，改变信号发生器产生的正弦波频率，并控制线圈电流有效值为1mA，沿着线圈轴线在距其中心85cm处产生磁感应强度约为2.79nT的时变磁场。利用所设计的系统对发射线圈产生的磁场进行测量，在不同频率(

f

)激励下，数据采集卡输出的电压幅值(

U

)、系统增益(

T

)、磁感应强度测量值(

B

)、磁感应强度计算值(

B

’)以及系统响应(

A

)的结果见表1，系统频响测试结果如图6所示。测量系统在10Hz～20kHz范围内磁感应强度的测量误差在(-3～+3)dB以内，与仿真结果相近。

表1 测量系统的测试结果(低增益档)Tab.1 Testing results of the measurement system(low gain)f(Hz)U (V)T (dB)B (nT)B’ (nT)A (dB)100.02723136.72.812.790.08200.04572140.63.022.790.681000.05920142.83.032.790.722000.05807143.22.842.790.1610000.05543143.42.642.79-0.4420000.05313143.52.512.79-0.92100000.03558141.52.112.79-2.40200000.02105137.51.982.79-2.96

图6 系统频响的测试结果曲线图Fig.6 Testing results curve of the system frequency response

3.2 实地测量

利用该测试系统在某110kV变电站的主变压器附近进行测量，在距离主变6m处使用200kHz的采样率采集了120s的磁场波形数据。电路的输出波形如图7(a)所示，可以看出信号波形发生了明显的畸变。进一步对波形数据进行频谱分析，图7(b)给出了(0～2.5)kHz范围内的磁感应强度频谱。显然，除了50Hz工频辐射外，变电站在其附近还产生高频辐射，其中2次、3次谐波分别占基波的32.1%，46.5%，3次以上谐波明显衰减；第6，8，14次谐波强度明显大于5、7、13次谐波；谐波辐射主要集中在(0～1)kHz内；磁场谐波畸变率THD=51.9%。波形的时频图如图7(c)所示，可以看出正常工作的变电站的工频和谐波辐射随时间并无太大变化，属于一种稳态的辐射。《电磁环境控制限值》(GB 8702—2014)给出工频磁感应强度的公众曝露控制限值为100μT，实地测量结果表明该变电站周围工频及其谐波辐射符合标准规定。

图7 110kV变电站周围磁场监测结果图Fig.7 Monitoring results of magnetic field around 110kV substation

4 结束语

本文提出了一种10Hz～20kHz环境磁场测量系统，利用三轴绕制感应线圈作为磁场传感器，并设计了两级滤波放大电路作为信号调理电路。实验及实地测量的结果表明，所研制的系统能测量10Hz～20kHz范围内0.15pT～340nT三维时变磁场信号。该系统易于实现，性能稳定。相比于商业化电磁辐射监测设备，本系统更适用于弱低频电磁环境的监测分析，具有灵敏度高、成本低等特点。