用于闪电磁场测量的感应式传感器

2020-02-26刘雷松朱万华张群英

仪表技术与传感器 2020年1期

刘雷松，朱万华，闫彬，张群英

(1.中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室，北京 100190；2.中国科学院电子学研究所，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100190)

0 引言

闪电是一种复杂的大气物理现象，其放电时会辐射出宽频的电磁脉冲信号，通过测量闪电电磁脉冲信号，可以对闪电进行定位和监测，为灾害预警、雷电防御等提供服务[1-2]。

通常采用正交环天线对闪电磁场进行探测。文献[3]给出了一种用于闪电探测的磁场测量天线，文献[4]研究了一种雷电三维磁场测量系统，但都没有给出天线尺寸、工作频带等具体参数。王黎明[5]等研制了一款用于雷电流测量的传感器线圈，其直径为60 cm，长度为20 cm，Lu Gaopeng[6]等采用直径为1 cm、长度为20 cm的铁氧体磁棒制作感应式磁场传感器，用于闪电磁场测量，但都没有给出传感器噪声水平。

本文基于感应式磁场传感器原理和闪电磁场的特点，设计了一款用于闪电磁场测量的宽频带、低噪声感应式磁场传感器。第一节介绍感应式磁场传感器基本原理，第二节对闪电磁场测量传感器进行设计和仿真，首先根据传感器工作带宽进行线圈设计，然后研制低噪声检测电路，建立传感器等效噪声模型，对传感器灵敏度和噪声水平进行理论分析和仿真。第三节对所设计的传感器进行性能测试和结果分析。

1 感应式磁场传感器原理

感应式磁场传感器基于法拉第电磁感应定律，变化的磁场在线圈两端产生感应电压，通过低噪声放大器将微弱电压信号进行放大和接收，即可实现对磁场的检测。传感器由感应线圈和放大电路2部分组成，等效电路如图1所示[7]。图中Vs为线圈两端产生的感应电压，L为线圈等效电感，Rs为线圈等效电阻，Cs为线圈等效电容，Rt为匹配电阻，G为放大电路增益，Vo为放大电路输出电压。

图1 感应式磁场传感器等效电路图

由法拉第电磁感应定律可知，对于空心线圈，其两端产生的感应电压可表示为[8]

Vs=-jωNBS

(1)

式中：B为磁感应强度；S为感应线圈物理面积；N为线圈匝数。

根据电路原理，可得

(2)

可见，增加线圈面积和匝数，可以有效提高传感器对磁场的响应。

2 磁场传感器设计与仿真

2.1 线圈设计

由上节可知，传感器响应与线圈面积和匝数有关。通常线圈面积受物理尺寸的限制不能过大，只能通过增加线圈匝数的方式提高传感器响应。但增加线圈匝数会增加线圈的等效电感和等效电容，降低线圈的谐振频率，从而限制线圈的工作带宽。

本文采用空心线圈绕制磁场传感器，为方便绕线，采用多芯扁平带状线缆代替漆包线绕制，同时在不同匝数之间填充绝缘材料，降低分布电容，提高线圈的工作带宽。线圈参数见表1，通过阻抗分析仪，测得线圈等效电感L为1.35 mH，等效电阻Rs为10 Ω，谐振频率f0为573 kHz，则计算可得线圈等效电容为

(3)

表1 线圈参数

2.2 低噪声放大电路设计

传感器低噪声放大电路如图2所示。在放大器输入端接有匹配电阻Rt，其阻值由线圈参数决定，计算如下[7]：

(4)

式(2)可改写为

(5)

图2 低噪声放大电路图

在低频段，传感器输出电压对磁场的响应随频率增加而增大，为在工作带宽内得到较为平坦的响应，将放大电路频率响应设计成低通滤波形式。放大电路参数见表2。放大器A1作为低噪声放大电路的第一级，将微弱信号进行低噪声放大，电阻R2与C1构成低通滤波器，其截止频率为100 kHz，其决定传感器高频截止频率，电阻R4与C2构成低通滤波器，其截止频率为1 kHz，其决定传感器低频截止频率，放大电路传递函数可表示为

(6)

表2 低噪声放大电路参数

图3 传感器等效噪声模型

由电路原理可知，各噪声源在放大器输入端的贡献分别为：

(7)

(8)

(9)

eeni=een

(10)

式中：k为玻尔兹曼常数；T为开尔文温度。

各噪声来源相互独立，因此放大器输入端总的等效噪声为

(11)

传感器等效输入磁场噪声水平为

(12)

2.3 传感器仿真

由图5可以看出，在工作频带范围内，传感器输出噪声主要由放大器电压噪声决定，因此在设计放大器时，应选择等效电压噪声低的器件。

图4 传感器灵敏度响应曲线

图5 传感器输出噪声水平

图6 传感器等效输入噪声水平

3 传感器性能测试结果与分析

3.1 灵敏度响应测试

传感器灵敏度响应测试场景图如图7所示。其测试原理为：将被测磁场传感器放入标准磁场中，通过传感器输出电压与标准磁场的比值，得到传感器对磁场的响应。本文采用三轴亥姆赫兹线圈作为标准磁场产生装置，在线圈内通入已知电流，计算得到线圈产生磁场值。测试结果如图8所示，可见，传感器工作带宽为1～100 kHz，测试结果与仿真结果吻合。