三棱錐形三維脈沖磁場測量裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種=棱錐形=維脈沖磁場測量裝置與方法，可廣泛應用于瞬變電磁 脈沖磁場的測量，特別是一種用于=維雷電電磁脈沖磁場的測量裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 雷電是自然界普遍存在的超強放電現象，其發展過程通常伴隨強烈的電磁福射。 在信息化電子設備廣泛應用的今天，由雷電電磁脈沖場造成的設備損壞率驟然上升，造成 的損失也越來越嚴重。然而，當前對雷電現象的認識還遠遠不夠，大量的科學問題尚未解 決，需要進行深入細致的科學觀測、理論探討和實驗驗證。
[0003] W雷電電磁脈沖磁場而言，對其進行細致的觀測對研究雷電物理、雷電損傷效應、 雷電定位和雷電防護等都有極大的促進作用。早期的雷電電磁脈沖磁場測量裝置采用線圈 作為傳感器，線圈體積較大，用于=維磁場測量時，標定、安裝均不方便，且=維之間可能產 生較大的互禪。與線圈相比，巨磁阻傳感器體積小，頻率響應范圍寬，特別適合磁場的測量， 且巨磁阻材料的磁阻效應可使傳感器的電阻值隨外加磁場的變化而改變。當巨磁阻材料受 到與其敏感軸方向相平行的磁場作用時，受洛侖茲力的影響，電子的流動方向發生改變、路 徑加長，導致磁阻阻值增大，因此可用巨磁阻搭建電橋來測量磁場。常見的巨磁阻磁場測量 裝置，用兩個相同的切向對磁場敏感的巨磁阻傳感器測量水平方向上的二維磁場，再用一 個法向對磁場敏感的巨磁阻傳感器測量垂直方向上的一維磁場，合成=維磁場。此類測量 裝置的=個巨磁阻傳感器通常安裝在同一塊PCB電路板上，位置并不對稱，且兩種類型的 巨磁阻性能不一致(一種法向磁場敏感，另一種切向磁場敏感)。因此上述結構的巨磁阻傳 感器在=維方向上的互禪較大，同時結構非對稱，不利于做成差分，共模干擾大。
【發明內容】
[0004] 針對現有脈沖磁場S維測量中存在的問題與不足，本發明的目的是設計一種S棱 錐形S維脈沖磁場測量裝置，利用PCB制作裝置外殼，巨磁阻磁場傳感器安裝在外側的PCB 板銅層上，PCB板中間有接地銅層，起到屏蔽電磁干擾作用，內側PCB銅層布線和安裝貼片 元件，其加工、安裝方便，成本低廉，且對稱的=棱錐形結構可W確保通過差分計算消除共 模干擾。
[0005] 本發明的目的可W通過W下技術方案來實現： 一種=棱錐形=維脈沖磁場測量裝置，包括巨磁阻磁場傳感器和調理電路一體化的3 塊等腰直角=角形的多層PCB電路板、激光供能模塊、電光轉換模塊、等邊=角形的底板和 全介質光纜；3塊等腰直角=角形的多層PCB電路板相互正交成直角錐狀，并且與等邊=角 形底板構成一個=棱錐形的四面體。
[0006] 所述的巨磁阻磁場傳感器和調理電路一體化，其巨磁阻磁場傳感器和調理電路制 作于同一塊4層PCB電路板上，在最外一層銅層的=角形重屯、位置直接安裝切向敏感的表 面貼裝(貼片）巨磁阻磁場傳感器，方向指向=棱錐頂；第二層銅層為地層，起屏蔽作用；第 s層銅層為布線層；第四層銅層為元件層，用于安裝貼片電子元器件。
[0007] 所述的由3塊等腰直角=角形的多層PCB電路板和等邊=角形底板構成的=棱錐 形四面體，在PCB制板時，其TopSolder層邊沿留出一條上錫且接地的線條，并在四面體組 裝時，由細長的薄銅條將接縫用錫焊接起來，使整個測量裝置構成一個完整的屏蔽體。
[0008] 所述的調理電路中，巨磁阻磁場傳感器電橋的兩個信號輸出端與運算放大器的差 分輸入端連接，實現對每一個巨磁阻磁場傳感器信號的差分放大。
[0009] 所述的電光轉換模塊將調理電路輸出的磁場信號轉換成光信號，經由光纜從測量 裝置輸送至遠處的光接收機，轉換成電信號，再由數字采集系統轉換成計算機處理的數字 信號。
[0010] 所述的激光供能模塊將遠處激光器發出并通過光纜送來的激光能量轉換成電能， 給巨磁阻磁場傳感器、調理電路和電光轉換模塊提供電能。
[0011] 所述的全介質光纜包括傳輸供能激光的光纜和傳輸測量信號的光纜，不含金屬加 強筋，從測量裝置的底板穿過。
[0012] 用=棱錐形脈沖磁場測量裝置測量脈沖磁場的方法如下： (1) 用磁場模擬器對=棱錐形脈沖磁場測量裝置的每一個巨磁阻磁場傳感器分別標 定；被標定的巨磁阻磁場傳感器磁場敏感方向與磁場模擬器磁場方向一致，根據磁場模擬 器產生的脈沖磁場峰值和測量輸出的電壓峰值，分別算出3個巨磁阻磁場傳感器的磁場測 量靈敏系數ki，kg,ks; (2) 測量時將測量裝置按給定的位置放置，使測量裝置的底面與xo_F水平面平行，第1 塊PCB電路板的底線與4自平行； (3) 由=棱錐形巨磁阻磁場傳感器測量得到的脈沖磁場輸出電壓分別除W對應的磁場 測量靈敏系數ki，k2,ks，得到巨磁阻磁場傳感器切向上的磁場句、4和公3; (4) 利用公式（1)~(3)分別計算出S維直角坐標軸方向上的正交磁場分量公Z、公^日A;
(5) 上述3個正交分量，矢量合成得到被測=維磁場。
[0013] 本發明的脈沖磁場測量原理如下： 假設=棱錐的第1塊等腰直角=角形PCB板(=棱錐第1側面）底邊位于4自，=棱錐 的底面在xo_F水平面內，=棱錐側面與X0戶F面的夾角為《，則有
W直角坐標軸所指方向為=維磁場的參考方向，3個正交分量的大小分別為&、公^口 足，則被測S維磁場為上述3個矢量分量之和，即 (6) 由于切向磁場敏感的巨磁阻磁場傳感器安裝在=棱錐側面的=角形重屯、，方向指向= 棱錐頂，且=個巨磁阻磁場傳感器型號相同，位置結構對稱。因此有 巨磁阻磁場傳感器1 (在=棱錐第1側面上）對被測磁場的響應句為
巨磁阻磁場傳感器2 (在=棱錐第2側面上）對被測磁場的響應巧為
巨磁阻磁場傳感器3 (在=棱錐第3側面上）對被測磁場的響應公3為
根據3個巨磁阻磁場傳感器測得的3個磁場響應值句、和如利用公式（10) ~ 即可求得被測磁場在S維直角坐標軸方向上的S個正交分量4、i巧日A，
利用公式做進行心&、&矢量求和，得到被測磁場。
[0014] 本發明與現有技術相比，其優點在于： 1、PCB電路板與測量裝置外殼一體化設計，結構簡單，加工精度高，且生產加工和安裝 調試方便，價格低廉； 2、 感應磁場的巨磁阻傳感器與調理電路制作于同一塊多層PCB電路板上，消除了傳感 器與調理電路電纜連接時存在的電磁干擾； 3、 使用對稱的=棱錐結構，易于對水平二維磁場實現差分測量，克服了共模干擾； 4、 利用光纖傳輸激光來供能，輸出信號也由光纖傳輸，消除了外接電纜對被測場的干 擾，且不需要蓄電池供電，易于維護； 5、 采用巨磁阻磁場傳感器，體積小，利用磁場模擬器對其進行靈敏系數標定時較為方 便； 6、 =維磁場可通過對3個=棱錐側面上相同類型巨磁阻磁場傳感器所測的信號進行 解算得到，減小了磁場在=維方向上的互禪，提高了測量精度。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明設及的=棱錐形=維脈沖磁場測量裝置原理圖； 1、2、3-巨磁阻磁場傳感器4、5、6-對應于1、2、3傳感器的調理電路7、8、9一對應 于1、2、3傳感器的電光轉換模塊10、11、12、14一全介質光纜13-激光供能模塊 圖2是本發明的脈沖磁場測量調理電路原理圖； 圖3是本發明的=棱錐形=維脈沖磁場PCB板坐標圖； ABC-位于xo_T平面內的裝置底面D-S棱錐頂。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和【具體實施方式】來對本發明作進一步詳細說明。
[0017] 實施例；參考圖1，=棱錐形=維脈沖磁場測量裝置，包括巨磁阻磁場傳感器1、2、 3,調理