一种自积分时域磁场探头的制作方法

1.本发明属于磁场探头技术领域，具体涉及一种自积分时域磁场探头。


背景技术：

2.一般电磁兼容在测量电场和磁场时采用频域探头进行磁场测量，这种探头一般采用微分探头原理设计，通过感知磁场的变化通过频谱分析，得到磁场的频谱分布状态，而对于雷电引起的电磁场和核电磁脉冲引起的电磁场试验时，需要检测磁场的时域波形，分析波形上升时间和波形持续时间，这对于测量探头有极高要求。微分探头的线圈绕组一般采用很少的匝数，尽管响应时间在ns级，但其积分时间也在ns级，而对于雷电电磁脉冲场的响应时间一般较长，持续时间达到几十us，这时使用常规的磁场探头无法进行测量，然而市面上各种的磁场探头仍存在各种各样的问题。
3.在电磁兼容测试中常规的磁场探头一般为频域探头，测量频带一般在 1mhz到3ghz左右，其采用电磁感应原理设计，当磁场通过感应线圈时，磁通量变化在线圈输出端产生感应电压和感应电流，一般磁场探头为一个磁场线圈，通过传输线连接至接收机，接收机一般阻抗为50ω，当磁场探头与磁场方向垂直时，变化的磁场在探头线圈上产生感应电压和感应电流，感应电压和电流经过传输线在50ω输入阻抗的接收机端口上形成电压，接收机分析电压信号即可进行频谱分析。这种探头设计原理为微分探头，由于探头线圈内阻的存在，和线圈电感量的存在，都具有一定时间上的积分作用，因此理论上在数学意义上的微分探头并不存在，仅在一定工程上一定限制条件上认为是微分线圈，可应用于作为电磁兼容测试磁场测量(一般为ghz范围)，配合信号放大器和频谱分析仪即可使用。但由于积分效果差，一般雷电电磁场(波头上升时间最小约100ns左右，持续脉冲宽度最大约200us左右)的频率范围在1khz
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20mhz，无法进行波长较长的雷电脉冲电磁场的测量，但是并未解决现有磁场探头属于微分探头，即响应频率高，但对中低频信号无积分作用，只能接在频谱分析仪上进行频谱分析，现有磁场探头为了响应高频，一般探头线圈匝数非常少，产生的感应电压和感应电流很小，在通过积分器后幅值一般都是mv级别，微弱的信号无法通过示波器进行时域波形显示的问题，为此我们提出一种自积分时域磁场探头。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自积分时域磁场探头，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自积分时域磁场探头，包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳的内部固定安装设有绕组线圈，所述绕组线圈的一端电性连接有采样电阻，所述采样电阻的一端电性来接有输出接口，所述输出接口通过传输线电性连接示波器，所述绕组线圈等效为电感l1和电阻 r0串联，所述采样电阻对应于电阻r1，所述绕组线圈在磁场中的感应电动势为e(t)。
6.优选的，所述屏蔽外壳的顶端开设有绝缘槽。
7.优选的，所述绕组线圈置于磁场内部，所述绕组线圈感应磁场变化，且在绕组线圈的输出端产生感应电压和感应电流。
8.优选的，所述感应电压和所述感应电流经过所述采样电阻，并且在采样电阻的两端产生和磁场变化相同的电压波形，且电压波形通过传输线在所述示波器上进行显示。
9.优选的，所述绕组线圈在变化的脉冲磁场中产生感应电动势e(t)，所述感应电动势通过电阻r0和电阻r1对电感l1进行充电，以及电感l1通过电阻r0和电阻r1放电，在此过程中电阻r1上产生电压，经示波器osc监测并显示波形，根据电磁感应定律可由以下公式：
[0010][0011]
根据安培环流定理，有以下公式：
[0012][0013]
当满足时，即r0 r1＜＜ωl时，有
[0014][0015]
即：
[0016][0017][0018]
上式中，k为比例系数，即当满足r0 r1＜＜ωl条件时，b(t)和u(t) 成正比，也就是说，所述示波器测量到的电压波形与磁场的磁感应强度成线性比例关系，所述示波器检测到的波形可直接反映出磁场强度。
[0019]
优选的，所述绕组线圈的电感量通过增加线圈的匝数进行升高，且绕组线圈在增加的时候需减小电阻r0的阻值。
[0020]
优选的，所述采样电阻的标准阻值大小50ω，所述采样电阻用于匹配传输线阻抗。
[0021]
优选的，所述绕组线圈的匝数取500匝，所述绕组线圈的直径为2cm，所述绕组线圈的线径0.35mm，所述电阻r0的电阻为20ω，所述绕组线圈的电感量为3mh，比例系数约0.01v/(a/m)。
[0022]
优选的，所述绕组线圈在使用的时候应置于磁场范围内，且轴心与双环线圈轴心同轴方向，使磁感应线沿测量探头线圈的轴向通过。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
本发明可应用于时域磁场变化的监测，探头输出电压波形直接反应磁场波形，无需积分转换，直接供示波器监测。
[0025]
本发明所设计的磁场探头具有方向性，可用于磁场方向的判定。
[0026]
本发明外壳采用金属屏蔽外壳，纵向切割的绝缘槽可使测量的电场波形不受电场等干扰信号影响，测量波形准确无干扰。
[0027]
本发明采用自积分原理设计，可应用于较宽的频带范围，具有良好的低频特性和高频特性。
附图说明
[0028]
图1为本发明的结构示意图；
[0029]
图2为本发明的自积分磁场探头工作原理框图；
[0030]
图3为本发明的磁场探头等效电路原理图；
[0031]
图4为本发明的磁场探头测量的雷电电磁场波形图。
[0032]
图中：1、屏蔽外壳；2、绕组线圈；3、采样电阻；4、输出接口；5、绝缘槽。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
请参阅图1
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图4，本发明提供一种技术方案：一种自积分时域磁场探头，包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳1的内部固定安装设有绕组线圈2，所述绕组线圈2的一端电性连接有采样电阻3，所述采样电阻3的一端电性来接有输出接口4，所述输出接口4通过传输线电性连接示波器，所述绕组线圈2等效为电感l1和电阻r0串联，所述采样电阻3对应于电阻r1，所述绕组线圈2在磁场中的感应电动势为e(t)。
[0035]
为了防止屏蔽外壳1对磁场短路，需要在屏蔽外壳上纵向开槽，以截断导体耦合，本实施例中，优选的，所述屏蔽外壳1的顶端开设有绝缘槽5。
[0036]
为了实现对磁场变化进行检测，产生感应电压和感应电流，本实施例中，优选的，所述绕组线圈2置于磁场内部，所述绕组线圈2感应磁场变化，且在绕组线圈2的输出端产生感应电压和感应电流。
[0037]
为了实现对采样电阻3产生的匹配电压的波形进行显示，本实施例中，优选的，所述感应电压和所述感应电流经过所述采样电阻3，并且在采样电阻 3的两端产生和磁场变化相同的电压波形，且电压波形通过传输线在所述示波器上进行显示。
[0038]
为了实现对磁感应强度成线性比例关系和示波器检测到的波形可直接反映出磁场强度进行计算，本实施例中，优选的，所述绕组线圈2在变化的脉冲磁场中产生感应电动势e(t)，所述感应电动势通过电阻r0和电阻r1对电感l1进行充电，以及电感l1通过电阻r0和电阻r1放电，在此过程中电阻 r1上产生电压，经示波器osc监测并显示波形，根据电磁感应定律可由以下公式：
[0039][0040]
根据安培环流定理，有以下公式：
[0041][0042]
当满足时，即r0 r1＜＜ωl时，有
[0043][0044]
即：
[0045][0046][0047]
上式中，k为比例系数，即当满足r0 r1＜＜ωl条件时，b(t)和u(t) 成正比，也就是说，所述示波器测量到的电压波形与磁场的磁感应强度成线性比例关系，所述示波器检测到的波形可直接反映出磁场强度。
[0048]
为了实现对电感l1准确的设定，本实施例中，优选的，所述绕组线圈2 的电感量通过增加线圈的匝数进行升高，且绕组线圈2在增加的时候需减小电阻r0的阻值。
[0049]
为了实现对感应电压和感应电流实现匹配传输线阻抗，本实施例中，优选的，所述采样电阻3的标准阻值大小50ω，所述采样电阻3用于匹配传输线阻抗。
[0050]
为了实现对绕组线圈2的感应电压和感应电流的产生，本实施例中，优选的，所述绕组线圈2的匝数取500匝，所述绕组线圈2的直径为2cm，所述绕组线圈2的线径0.35mm，所述电阻r0的电阻为20ω，所述绕组线圈2的电感量为3mh，比例系数约0.01v/(a/m)。
[0051]
为了在有雷电电流驱动赫姆霍兹线圈时，产生磁场变化，可在磁场探头输出端连接的示波器等时域监测仪器上显示磁场变化的波形，本实施例中，优选的，所述绕组线圈2在使用的时候应置于磁场范围内，且轴心与双环线圈轴心同轴方向，使磁感应线沿测量探头线圈的轴向通过。
[0052]
本发明的工作原理及使用流程：般雷电电磁脉冲场采用双环赫姆霍兹线圈产生，雷电流波形通过双环线圈在双环区域内产生均匀磁场，磁场方向沿双环轴心方向，测量时，磁场探头应置于磁场范围内，轴心与双环线圈轴心同轴方向即可，使磁感应线沿测量探头中的绕组线圈2的轴向通过，此时当有雷电电流驱动赫姆霍兹线圈时，产生磁场变化，可在磁场探头输出端连接的示波器等时域监测仪器上显示磁场变化的波形，且磁场探头基于电磁感应理论，采样电感自积分法设计，绕组线圈2在变化的脉冲磁场中产生感应电动势e(t)，感应电动势通过电阻r0和电阻r1对电感l1进行充电，以及电感l1通过电阻r0和电阻r1放电，在此过程中电阻r1上产生电压，经示波器osc监测并显示波形，根据以上原理，可通过增加探头中的绕组线圈2的匝数提高线圈电感量l1，增加绕组线圈2绕组导线线径可减小r0，取测量电阻为标准50ω电阻，用于匹配传输线阻抗。经理论计算，线圈匝数取500匝，线圈直径为2cm，线圈长度2cm，线圈线径0.35mm，内阻r0约20ω，线圈电感量l1约3mh，比例系数约0.01v/(a/m)。磁场探头测量的过程中，不可避免的有电场变化，电场作用在线圈上后会有较大的干扰信号叠加，因此需采用屏蔽外壳1的方法实现电场屏蔽，为了防止屏蔽外壳1对磁场短路，因此需要在屏蔽外壳1上纵向开槽，形成绝缘槽5，用以截断导体耦合。
[0053]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。