低頻三維磁場測量系統研制

李祥麟 吳 靜 金海彬 李怡濛

(1.北京航空航天大學，北京 100191；2.北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

低頻10Hz～20kHz的電磁波覆蓋了極低頻、超低頻和甚低頻頻段，此頻段的電磁波波長較長，信號的傳播損耗小、幅度和相位穩定，能夠沿地-電離層波導實現遠距離傳播，同時能滲透到一定深度的土壤和海水中，因而被廣泛應用于超遠程導航、授時、通信，特別是對潛艇通信和導航等領域。另外，大量研究認為較高強度的低頻電磁輻射對生物體有明顯影響。因此，低頻電磁輻射的監測具有重要意義。

在磁場測量相關技術中，需要使用磁電轉換元件將磁場信號轉換為電信號。常見的磁電轉換元件有：感應式傳感器、磁通門傳感器、霍爾傳感器、巨磁阻傳感器、核磁共振傳感器、超導磁場傳感器等。感應式傳感器原理簡單易于實現，但不能用來探測靜態或者緩慢變化的磁場；磁通門傳感器可測量恒定或緩慢變化的磁場，靈敏度高，性能穩定，但由于其靈敏度與傳感器尺寸直接相關，高分辨率的磁通門傳感器體積較大，限制了其應用；霍爾傳感器體積小、集成度高、耐振動、線性度好，但容易受到溫度影響而產生漂移，需要引入補償電路；巨磁阻傳感器具有體積小、靈敏度高、抗惡劣環境等優點，但由于磁性材料的固有缺陷，存在輸出特性非線性以及溫度漂移的問題，限制了其應用；核磁共振傳感器測量范圍大、測量精度高，但探測到的信號強度較弱，易受外界干擾影響，信噪比較低；超導磁場傳感器具有靈敏度極高、通帶寬等優點，但其結構復雜價格昂貴，且需要制造超低溫條件。目前，商業化的低頻電磁輻射監測儀測量頻帶通常在幾Hz到幾百kHz，功能以磁感應強度測量為主，幅值與頻率的分辨率較低，在弱低頻電磁環境下的測量效果不佳。

本文根據自然電磁輻射、人為電磁輻射的特點，設計了一種感應式低頻磁場監測系統，能夠監測空間10Hz～20kHz范圍內的三維磁場的波形變化及其時頻特征，性能穩定，靈敏度高，對于極低頻、甚低頻電磁輻射的定量評估具有重要實用價值。

2 測量系統設計

所設計的10Hz～20kHz低頻電磁輻射測量系統的框圖如圖1所示。其中，磁場傳感器用于測量空間低頻磁場的變化，將磁場信號轉換成感應電壓信號輸出，由三軸正交線圈組成；信號調理模塊用于對接收到的信號進行帶通濾波和放大；信號采樣模塊用于將信號調理模塊輸出的模擬信號轉換成數字信號；信號處理模塊用于處理數字信號，輸出時域波形以及時頻分析結果。

圖1 低頻磁場測量系統框圖Fig.1 Block diagram of measurement system on the Low-frequency magnetic field

2.1 磁場傳感器設計

為獲取待測磁場信息，根據美國電氣和電子工程師協會(IEEE)關于低頻電磁場測量的推薦實施規程，設計了帶有電場屏蔽層的三軸磁感應線圈。線圈的輸出主要受兩類噪聲源的影響：線圈自身的熱噪聲和由人類活動或自然界電磁輻射造成的無線電噪聲。為盡可能提高接收線圈對微弱磁場的靈敏度，在設計線圈時應盡量降低線圈的噪聲水平。國際電信聯盟(ITU)給出了0.1Hz～100GHz范圍內大氣背景電磁噪聲監測結果，以無線電噪聲系數

F

(單位dB)的形式給出，利用該系數可以求出噪聲電場強度

E

(單位V/m)為20log(

E

)=

F

-338

.

5+20log(

f

)

(1)

式中：

f

——噪聲場的頻率，單位Hz。求得噪聲電場強度后，根據真空中平面波的波阻抗

E/H

=377Ω以及

B

=

μ

H

可求出對應的噪聲磁場的強度

B

(單位T)，如圖2所示。

圖2 噪聲磁場的強度曲線圖Fig.2 Intensity curve of the noise magnetic field

B

對應的線圈的感應電壓

U

(單位V)換算公式如下

U

=2π

fNa

B

(2)

式中：

N

——感應線圈匝數；

a

——方形感應線圈邊長，單位m。感應線圈的熱噪聲電壓

U

(單位 V)為

(3)

式中：

D

——導線直徑，單位m；

k

——玻爾茲曼常量；

T

——線圈的開爾文溫度；

ρ

——導線的電阻率，單位Ω·m。為了提高感應線圈對自然電磁噪聲的測量靈敏度，應使線圈在測量中產生的熱噪聲電壓

U

遠小于自然電磁噪聲在線圈中產生的感應電壓

U

最小值，即min(

U

)≥10·

U

(4)

化簡后得

(5)

在設計線圈參數時，應保證線圈的匝數、邊長、導線直徑滿足式(5)的要求。

根據上述方法，將AWG26規格漆包線繞制在邊長為475mm的正方形木架上構成匝數為235匝的感應線圈，并在感應線圈上使用鋁箔對外界電場進行屏蔽，以減小其對感應線圈的影響。

使用阻抗分析儀在(0～20)kHz頻段對所繞制的線圈阻抗進行測量，測得其直流電阻為68Ω，電感為0.072H，分布電容為1.97nF。線圈的磁場響應特性仿真結果如圖3所示。線圈在150Hz后其輸出電壓與環境磁場的強度呈線性關系。為使系統能穩定的工作在10Hz～20kHz頻段，需要設計信號調理電路對線圈輸出的電壓信號進行濾波和放大。

圖3 感應線圈的磁場響應曲線圖Fig.3 Magnetic field response curve of induction coil

2.2 信號調理電路設計

本文設計的信號調理電路如圖4所示，其為兩級放大電路，第I級為采用AD797運算放大器的二階低通濾波放大電路，其中兩個RC并聯環節的截止頻率分別為15Hz與27kHz，分別用來補償感應線圈在(10～150)Hz的磁場增益以及衰減高頻磁場信號。為了防止運放輸出飽和；電路的第II級采用以OP27作為運放的低、中、高三檔可調低通濾波放大電路，通過切換開關可以使系統在10Hz～20kHz頻段的磁場增益在143dB，163dB，183dB(V/T)之間調節，并進一步衰減高頻磁場信號。使用TINA軟件對系統低在低檔狀態下1Hz～100kHz頻段的磁場響應進行仿真，結果如圖5所示。系統可放大10Hz～20kHz頻段內的磁場信號，且輸出電壓與磁場的強度呈線性關系，信號調理電路的飽和輸出電壓為±5V，使用低檔增益時可測量的最大磁場的強度為340nT；對于所測頻段外的磁場信號，其衰減率可達40dB/10倍頻程。

圖4 信號調理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning circuit

圖5 信號調理電路的頻響特性(低增益檔)曲線圖Fig.5 Frequency response characteristics curve of signal conditioning circuit(low gain)

2.3 信號采集和處理

經信號調理電路處理過的磁場波形信號，可靈活選擇數據采集設備，如聲卡、數據采集卡等進行采集。本文使用NI-9222數據采集卡。該數據采集卡為4通道，最大采樣率為500kS/s，A/D的分辨率為16位，其最小分辨電壓為0.153mV，采用高增益檔位可測得強度為0.15pT的弱磁場。

設采集到的信號為

x

(

k

)(

k

=0,1,…,

N

-1)，系統采樣率為

f

，利用離散傅里葉變換(DFT)可得到采樣波形的頻域特征為

(6)

進一步利用短時傅里葉變換(STFT)可得到采樣波形的時-頻特征為

(

m

,

n

=0,1,…,

N

-1)

(7)

式中：

g

(

k

)——窗函數。

3 對低頻磁場測量系統的測試

3.1 磁場幅頻響應測試

使用邊長50cm，匝數40匝的方形線圈作為發射天線，串接1kΩ電阻后接入信號發生器(Gwinstek AFG-2225)，改變信號發生器產生的正弦波頻率，并控制線圈電流有效值為1mA，沿著線圈軸線在距其中心85cm處產生磁感應強度約為2.79nT的時變磁場。利用所設計的系統對發射線圈產生的磁場進行測量，在不同頻率(

f

)激勵下，數據采集卡輸出的電壓幅值(

U

)、系統增益(

T

)、磁感應強度測量值(

B

)、磁感應強度計算值(

B

’)以及系統響應(

A

)的結果見表1，系統頻響測試結果如圖6所示。測量系統在10Hz～20kHz范圍內磁感應強度的測量誤差在(-3～+3)dB以內，與仿真結果相近。

表1 測量系統的測試結果(低增益檔)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

圖6 系統頻響的測試結果曲線圖Fig.6 Testing results curve of the system frequency response

3.2 實地測量

利用該測試系統在某110kV變電站的主變壓器附近進行測量，在距離主變6m處使用200kHz的采樣率采集了120s的磁場波形數據。電路的輸出波形如圖7(a)所示，可以看出信號波形發生了明顯的畸變。進一步對波形數據進行頻譜分析，圖7(b)給出了(0～2.5)kHz范圍內的磁感應強度頻譜。顯然，除了50Hz工頻輻射外，變電站在其附近還產生高頻輻射，其中2次、3次諧波分別占基波的32.1%，46.5%，3次以上諧波明顯衰減；第6，8，14次諧波強度明顯大于5、7、13次諧波；諧波輻射主要集中在(0～1)kHz內；磁場諧波畸變率THD=51.9%。波形的時頻圖如圖7(c)所示，可以看出正常工作的變電站的工頻和諧波輻射隨時間并無太大變化，屬于一種穩態的輻射。《電磁環境控制限值》(GB 8702—2014)給出工頻磁感應強度的公眾曝露控制限值為100μT，實地測量結果表明該變電站周圍工頻及其諧波輻射符合標準規定。

圖7 110kV變電站周圍磁場監測結果圖Fig.7 Monitoring results of magnetic field around 110kV substation

4 結束語

本文提出了一種10Hz～20kHz環境磁場測量系統，利用三軸繞制感應線圈作為磁場傳感器，并設計了兩級濾波放大電路作為信號調理電路。實驗及實地測量的結果表明，所研制的系統能測量10Hz～20kHz范圍內0.15pT～340nT三維時變磁場信號。該系統易于實現，性能穩定。相比于商業化電磁輻射監測設備，本系統更適用于弱低頻電磁環境的監測分析，具有靈敏度高、成本低等特點。