本实用新型专利技术涉及一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，包括：巨磁阻传感器和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；3块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交，且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体；测量装置的底面水平放置，第1块PCB板的底线与x轴平行；利用3个巨磁阻传感器的测量值B1、B2和B3，可解算得到三维直角坐标轴方向的磁场分量Bx、By和Bz。本实用新型专利技术的PCB板与传感器、装置外壳一体化设计，结构简单，体积小，安装方便，价格低廉；能量和信号由光缆传输，抗电磁干扰能力强，克服了外接电缆对被测场的扰动。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，体积小、成本低、安装方 便，可广泛应用于瞬变电磁脉冲磁场的测量，特别是三维雷电电磁脉冲磁场的测量。
技术介绍
雷电是自然界普遍存在的超强放电现象，其发展过程通常伴随强烈的电磁辐射。 在信息化电子设备广泛应用的今天，由雷电电磁脉冲场造成的设备损坏率骤然上升，造成 的损失也越来越严重。然而，当前对雷电现象的认识还远远不够，大量的科学问题尚未解 决，需要进行深入细致的科学观测、理论探讨和实验验证。 以雷电电磁脉冲磁场而言，对其进行细致的观测对研究雷电物理、雷电损伤效应、 雷电定位和雷电防护等都有极大的促进作用。早期的雷电电磁脉冲磁场测量装置采用线圈 作为传感器，线圈体积较大，用于三维磁场测量时，标定、安装均不方便，且三维之间可能产 生较大的互耦。与线圈相比，巨磁阻传感器体积小，频率响应范围宽，特别适合磁场的测量， 且巨磁阻材料的磁阻效应可使传感器的电阻值随外加磁场的变化而改变。当巨磁阻材料受 到与其敏感轴方向相平行的磁场作用时，受洛仑兹力的影响，电子的流动方向发生改变、路 径加长，导致磁阻阻值增大，因此可用巨磁阻搭建电桥来测量磁场。常见的巨磁阻磁场测量 装置，用两个相同的切向对磁场敏感的巨磁阻传感器测量水平方向上的二维磁场，再用一 个法向对磁场敏感的巨磁阻传感器测量垂直方向上的一维磁场，合成三维磁场。此类测量 装置的三个巨磁阻传感器通常安装在同一块PCB电路板上，位置并不对称，且两种类型的 巨磁阻性能不一致(一种法向磁场敏感，另一种切向磁场敏感)。因此上述结构的巨磁阻传 感器在三维方向上的互耦较大，同时结构非对称，不利于做成差分，共模干扰大。
技术实现思路
针对现有脉冲磁场三维测量中存在的问题与不足，本技术的目的是设计一种 三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，利用PCB制作装置外壳，巨磁阻磁场传感器安装在外侧 的PCB板铜层上，PCB板中间有接地铜层，起到屏蔽电磁干扰作用，内侧PCB铜层布线和安 装贴片元件，其加工、安装方便，成本低廉，且对称的三棱锥形结构可以确保通过差分计算 消除共模干扰。 本技术的目的可以通过以下技术方案来实现： -种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，包括巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化 的3块等腰直角三角形的4层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底 板和全介质光缆；3块等腰直角三角形的4层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边 三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。 所述的巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化，其巨磁阻磁场传感器和调理电路制 作于同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层的三角形重心位置直接安装切向敏感的表 面贴装(贴片）巨磁阻磁场传感器，方向指向三棱锥顶；第二层铜层为地层，起屏蔽作用；第 三层铜层为布线层；第四层铜层为元件层，用于安装贴片电子元器件。 所述的由3块等腰直角三角形的4层PCB电路板和等边三角形底板构成的三棱锥 形四面体，在PCB制板时，其项层阻焊层边沿留出一条上锡且接地的线条，并在四面体组装 时，由细长的薄铜条将接缝用锡焊接起来，使整个测量装置构成一个完整的屏蔽体。 所述的调理电路中，巨磁阻磁场传感器电桥的两个信号输出端与运算放大器的差 分输入端连接，实现对每一个巨磁阻磁场传感器信号的差分放大。 所述的电光转换模块将调理电路输出的磁场信号转换成光信号，经由光缆从测量 装置输送至远处的光接收机，转换成电信号，再由数字采集系统转换成计算机处理的数字 信号。 所述的激光供能模块将远处激光器发出并通过光缆送来的激光能量转换成电能， 给巨磁阻磁场传感器、调理电路和电光转换模块提供电能。 所述的全介质光缆包括传输供能激光的光缆和传输测量信号的光缆，不含金属加 强筋，从测量装置的底板穿过。 用三棱锥形脉冲磁场测量装置测量脉冲磁场的方法如下： (1)用磁场模拟器对三棱锥形脉冲磁场测量装置的每一个巨磁阻磁场传感器分别 标定；被标定的巨磁阻磁场传感器磁场敏感方向与磁场模拟器磁场方向一致，根据磁场模 拟器产生的脉冲磁场峰值和测量输出的电压峰值，分别算出3个巨磁阻磁场传感器的磁场 测量灵敏系数k 2, k3; (2)测量时将测量装置按给定的位置放置，使测量装置的底面与XOJ水平面平行， 第1块PCB电路板的底线与平行； (3)由三棱锥形巨磁阻磁场传感器测量得到的脉冲磁场输出电压分别除以对应的 磁场测量灵敏系数h，k 2, k3，得到巨磁阻磁场传感器切向上的磁场尽、戽和戽； (4)利用公式（1)~(3)分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交磁场分量忍、矣 和4; (5)上述3个正交分量，矢量合成得到被测三维磁场。 本技术的脉冲磁场测量原理如下： 假设三棱锥的第1块等腰直角三角形PCB板(三棱锥第1侧面）底边位于4由，三 棱锥的底面在平面内，三棱锥侧面与x〇_F平面的夹角为《，则有 以直角坐标轴所指方向为三维磁场的参考方向，3个正交分量的大小分别为見、& 和及，则被测三维磁场为上述3个矢量分量之和，即 由于切向磁场敏感的巨磁阻磁场传感器安装在三棱锥侧面的三角形重心，方向指 向三棱锥顶，且3个巨磁阻磁场传感器型号相同，位置结构对称。因此有 巨磁阻磁场传感器1 (在三棱锥第1侧面上）对被测磁场的响应尽为 巨磁阻磁场传感器2 (在三棱锥第2侧面上）对被测磁场的响应戽为 巨磁阻磁场传感器3 (在三棱锥第3侧面上）对被测磁场的响应戽为 根据3个巨磁阻磁场传感器测得的3个磁场响应值尽、戽和爲，利用公式（10) ~ (12)即可求得被测磁场在三维直角坐标轴方向上的三个正交分量尾、&和4， 利用公式（6)进行及、&、4矢量求和，得到被测磁场。 本技术与现有技术相比，其优点在于： 1、PCB电路板与测量装置外壳一体化设计，结构简单，加工精度高，且生产加工和 安装调试方便，价格低廉； 2、感应磁场的巨磁阻传感器与调理电路制作于同一块4层PCB电路板上，消除了 传感器与调理电路电缆连接时存在的电磁干扰； 3、使用对称的三棱锥结构，易于对水平二维磁场实现差分测量，克服了共模干 扰； 4、利用光纤传输激光来供能，输出信号也由光纤传输，消除了外接电缆对被测场 的干扰，且不需要蓄电池供电，易于维护； 5、采用巨磁阻磁场传感器，体积小，利用磁场模拟器对其进行灵敏系数标定时较 为方便； 6、三维磁场可通过对3个三棱锥侧面上相同类型巨磁阻磁场传感器所测的信号 进行解算得到，减小了磁场在三维方向上的互耦，提高了测量精度。【附图说明】 图1是本技术涉及的三棱锥形三维脉冲磁场测量装置原理图； 1、2、3-巨磁阻磁场传感器4、5、6对应于1、2、3传感器的调理电路7、8、9一对 应于1、2、3传感器的电光转换当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置，包括巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的4层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；其特征是，巨磁阻磁场传感器和调理电路制作到同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层的三角形重心位置直接安装切向敏感的贴片巨磁阻磁场传感器，方向指向三棱锥顶，第2层铜层为地层，起屏蔽作用，第3层铜层为布线层，第4层铜层为元件层，用于安装贴片电子元器件，3块等腰直角三角形的4层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李炎新，张琪，汪涛，高成，石立华，孙晨鸣，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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