李祥麟 吳 靜 金海彬 李怡濛

(1.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2.北京東方計(jì)量測(cè)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(zhǎng)較長(zhǎng)，信號(hào)的傳播損耗小、幅度和相位穩(wěn)定，能夠沿地-電離層波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播，同時(shí)能滲透到一定深度的土壤和海水中，因而被廣泛應(yīng)用于超遠(yuǎn)程導(dǎo)航、授時(shí)、通信，特別是對(duì)潛艇通信和導(dǎo)航等領(lǐng)域。另外，大量研究認(rèn)為較高強(qiáng)度的低頻電磁輻射對(duì)生物體有明顯影響。因此，低頻電磁輻射的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

在磁場(chǎng)測(cè)量相關(guān)技術(shù)中，需要使用磁電轉(zhuǎn)換元件將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常見(jiàn)的磁電轉(zhuǎn)換元件有：感應(yīng)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(dǎo)磁場(chǎng)傳感器等。感應(yīng)式傳感器原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但不能用來(lái)探測(cè)靜態(tài)或者緩慢變化的磁場(chǎng)；磁通門傳感器可測(cè)量恒定或緩慢變化的磁場(chǎng)，靈敏度高，性能穩(wěn)定，但由于其靈敏度與傳感器尺寸直接相關(guān)，高分辨率的磁通門傳感器體積較大，限制了其應(yīng)用；霍爾傳感器體積小、集成度高、耐振動(dòng)、線性度好，但容易受到溫度影響而產(chǎn)生漂移，需要引入補(bǔ)償電路；巨磁阻傳感器具有體積小、靈敏度高、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題，限制了其應(yīng)用；核磁共振傳感器測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高，但探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度較弱，易受外界干擾影響，信噪比較低；超導(dǎo)磁場(chǎng)傳感器具有靈敏度極高、通帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格昂貴，且需要制造超低溫條件。目前，商業(yè)化的低頻電磁輻射監(jiān)測(cè)儀測(cè)量頻帶通常在幾Hz到幾百kHz，功能以磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量為主，幅值與頻率的分辨率較低，在弱低頻電磁環(huán)境下的測(cè)量效果不佳。

本文根據(jù)自然電磁輻射、人為電磁輻射的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)式低頻磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)空間10Hz～20kHz范圍內(nèi)的三維磁場(chǎng)的波形變化及其時(shí)頻特征，性能穩(wěn)定，靈敏度高，對(duì)于極低頻、甚低頻電磁輻射的定量評(píng)估具有重要實(shí)用價(jià)值。

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的10Hz～20kHz低頻電磁輻射測(cè)量系統(tǒng)的框圖如圖1所示。其中，磁場(chǎng)傳感器用于測(cè)量空間低頻磁場(chǎng)的變化，將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電壓信號(hào)輸出，由三軸正交線圈組成；信號(hào)調(diào)理模塊用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波和放大；信號(hào)采樣模塊用于將信號(hào)調(diào)理模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；信號(hào)處理模塊用于處理數(shù)字信號(hào)，輸出時(shí)域波形以及時(shí)頻分析結(jié)果。

圖1 低頻磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of measurement system on the Low-frequency magnetic field

2.1 磁場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)

為獲取待測(cè)磁場(chǎng)信息，根據(jù)美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)關(guān)于低頻電磁場(chǎng)測(cè)量的推薦實(shí)施規(guī)程，設(shè)計(jì)了帶有電場(chǎng)屏蔽層的三軸磁感應(yīng)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(dòng)或自然界電磁輻射造成的無(wú)線電噪聲。為盡可能提高接收線圈對(duì)微弱磁場(chǎng)的靈敏度，在設(shè)計(jì)線圈時(shí)應(yīng)盡量降低線圈的噪聲水平。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)給出了0.1Hz～100GHz范圍內(nèi)大氣背景電磁噪聲監(jiān)測(cè)結(jié)果，以無(wú)線電噪聲系數(shù)

F

(單位dB)的形式給出，利用該系數(shù)可以求出噪聲電場(chǎng)強(qiáng)度

E

(單位V/m)為20log(

E

)=

F

-338

.

5+20log(

f

)

(1)

式中：

f

——噪聲場(chǎng)的頻率，單位Hz。求得噪聲電場(chǎng)強(qiáng)度后，根據(jù)真空中平面波的波阻抗

E/H

=377Ω以及

B

=

μ

H

可求出對(duì)應(yīng)的噪聲磁場(chǎng)的強(qiáng)度

B

(單位T)，如圖2所示。

圖2 噪聲磁場(chǎng)的強(qiáng)度曲線圖Fig.2 Intensity curve of the noise magnetic field

B

對(duì)應(yīng)的線圈的感應(yīng)電壓

U

(單位V)換算公式如下

U

=2π

fNa

B

(2)

式中：

N

——感應(yīng)線圈匝數(shù)；

a

——方形感應(yīng)線圈邊長(zhǎng)，單位m。感應(yīng)線圈的熱噪聲電壓

U

(單位 V)為

(3)

式中：

D

——導(dǎo)線直徑，單位m；

k

——玻爾茲曼常量；

T

——線圈的開(kāi)爾文溫度；

ρ

——導(dǎo)線的電阻率，單位Ω·m。為了提高感應(yīng)線圈對(duì)自然電磁噪聲的測(cè)量靈敏度，應(yīng)使線圈在測(cè)量中產(chǎn)生的熱噪聲電壓

U

遠(yuǎn)小于自然電磁噪聲在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓

U

最小值，即min(

U

)≥10·

U

(4)

化簡(jiǎn)后得

(5)

在設(shè)計(jì)線圈參數(shù)時(shí)，應(yīng)保證線圈的匝數(shù)、邊長(zhǎng)、導(dǎo)線直徑滿足式(5)的要求。

根據(jù)上述方法，將AWG26規(guī)格漆包線繞制在邊長(zhǎng)為475mm的正方形木架上構(gòu)成匝數(shù)為235匝的感應(yīng)線圈，并在感應(yīng)線圈上使用鋁箔對(duì)外界電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，以減小其對(duì)感應(yīng)線圈的影響。

使用阻抗分析儀在(0～20)kHz頻段對(duì)所繞制的線圈阻抗進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(chǎng)響應(yīng)特性仿真結(jié)果如圖3所示。線圈在150Hz后其輸出電壓與環(huán)境磁場(chǎng)的強(qiáng)度呈線性關(guān)系。為使系統(tǒng)能穩(wěn)定的工作在10Hz～20kHz頻段，需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)線圈輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和放大。

圖3 感應(yīng)線圈的磁場(chǎng)響應(yīng)曲線圖Fig.3 Magnetic field response curve of induction coil

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示，其為兩級(jí)放大電路，第I級(jí)為采用AD797運(yùn)算放大器的二階低通濾波放大電路，其中兩個(gè)RC并聯(lián)環(huán)節(jié)的截止頻率分別為15Hz與27kHz，分別用來(lái)補(bǔ)償感應(yīng)線圈在(10～150)Hz的磁場(chǎng)增益以及衰減高頻磁場(chǎng)信號(hào)。為了防止運(yùn)放輸出飽和；電路的第II級(jí)采用以O(shè)P27作為運(yùn)放的低、中、高三檔可調(diào)低通濾波放大電路，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)可以使系統(tǒng)在10Hz～20kHz頻段的磁場(chǎng)增益在143dB，163dB，183dB(V/T)之間調(diào)節(jié)，并進(jìn)一步衰減高頻磁場(chǎng)信號(hào)。使用TINA軟件對(duì)系統(tǒng)低在低檔狀態(tài)下1Hz～100kHz頻段的磁場(chǎng)響應(yīng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)可放大10Hz～20kHz頻段內(nèi)的磁場(chǎng)信號(hào)，且輸出電壓與磁場(chǎng)的強(qiáng)度呈線性關(guān)系，信號(hào)調(diào)理電路的飽和輸出電壓為±5V，使用低檔增益時(shí)可測(cè)量的最大磁場(chǎng)的強(qiáng)度為340nT；對(duì)于所測(cè)頻段外的磁場(chǎng)信號(hào)，其衰減率可達(dá)40dB/10倍頻程。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of signal conditioning circuit

圖5 信號(hào)調(diào)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(hào)采集和處理

經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理過(guò)的磁場(chǎng)波形信號(hào)，可靈活選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如聲卡、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行采集。本文使用NI-9222數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)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(cè)得強(qiáng)度為0.15pT的弱磁場(chǎng)。

設(shè)采集到的信號(hào)為

x

(

k

)(

k

=0,1,…,

N

-1)，系統(tǒng)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(jìn)一步利用短時(shí)傅里葉變換(STFT)可得到采樣波形的時(shí)-頻特征為

(

m

,

n

=0,1,…,

N

-1)

(7)

式中：

g

(

k

)——窗函數(shù)。

3 對(duì)低頻磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試

3.1 磁場(chǎng)幅頻響應(yīng)測(cè)試

使用邊長(zhǎng)50cm，匝數(shù)40匝的方形線圈作為發(fā)射天線，串接1kΩ電阻后接入信號(hào)發(fā)生器(Gwinstek AFG-2225)，改變信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)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(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度約為2.79nT的時(shí)變磁場(chǎng)。利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，在不同頻率(

f

)激勵(lì)下，數(shù)據(jù)采集卡輸出的電壓幅值(

U

)、系統(tǒng)增益(

T

)、磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量值(

B

)、磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算值(

B

’)以及系統(tǒng)響應(yīng)(

A

)的結(jié)果見(jiàn)表1，系統(tǒng)頻響測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)量系統(tǒng)在10Hz～20kHz范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量誤差在(-3～+3)dB以內(nèi)，與仿真結(jié)果相近。

表1 測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)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(tǒng)頻響的測(cè)試結(jié)果曲線圖Fig.6 Testing results curve of the system frequency response

3.2 實(shí)地測(cè)量

利用該測(cè)試系統(tǒng)在某110kV變電站的主變壓器附近進(jìn)行測(cè)量，在距離主變6m處使用200kHz的采樣率采集了120s的磁場(chǎng)波形數(shù)據(jù)。電路的輸出波形如圖7(a)所示，可以看出信號(hào)波形發(fā)生了明顯的畸變。進(jìn)一步對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，圖7(b)給出了(0～2.5)kHz范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度頻譜。顯然，除了50Hz工頻輻射外，變電站在其附近還產(chǎn)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(qiáng)度明顯大于5、7、13次諧波；諧波輻射主要集中在(0～1)kHz內(nèi)；磁場(chǎng)諧波畸變率THD=51.9%。波形的時(shí)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(shí)間并無(wú)太大變化，屬于一種穩(wěn)態(tài)的輻射?！峨姶怒h(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)給出工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度的公眾曝露控制限值為100μT，實(shí)地測(cè)量結(jié)果表明該變電站周圍工頻及其諧波輻射符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖7 110kV變電站周圍磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖Fig.7 Monitoring results of magnetic field around 110kV substation

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種10Hz～20kHz環(huán)境磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，利用三軸繞制感應(yīng)線圈作為磁場(chǎng)傳感器，并設(shè)計(jì)了兩級(jí)濾波放大電路作為信號(hào)調(diào)理電路。實(shí)驗(yàn)及實(shí)地測(cè)量的結(jié)果表明，所研制的系統(tǒng)能測(cè)量10Hz～20kHz范圍內(nèi)0.15pT～340nT三維時(shí)變磁場(chǎng)信號(hào)。該系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定。相比于商業(yè)化電磁輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備，本系統(tǒng)更適用于弱低頻電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)分析，具有靈敏度高、成本低等特點(diǎn)。