一种用于多维平衡磁场测量的磁场感应线圈组、磁场传感阵列及测量系统的制作方法

1.本技术涉及电气测量技术领域，尤其涉及一种用于多维平衡磁场测量的磁场感应线圈组、磁场传感阵列及测量系统。


背景技术：

2.雷击至输电线路、建筑等物体上时产生极高的电压，导致绝缘闪络或击穿的同时，还附带强大的冲击电流，将产生非常高的地电位抬升，严重危害设备和人身安全。
3.为了研究雷击电流对设备的影响，进而为设备耐受电流能力设计提供技术支撑，冲击电流试验设备在实验室模拟雷电流，防雷设备电器产品如避雷器、阀片以及大功率电阻等都需要进行冲击电流耐受试验。
4.雷电流是一个包含一定频谱范围电流的集合，而只要是交变的电流必然会产生交变的磁场，而磁场则可以用磁场传感器进行测量，将磁场信号转换为电信号，最后还原成被测电流的实际波形。
5.磁场感应线圈是一个很小的导体环形圈，由于被测磁场变化，该线圈内的磁通会产生变化，从而产生感应电动势，即该感应电压与通过线圈的磁通变化率成正比。磁场感应线圈根据法拉第电磁感应原理工作，磁场随电枢运动而向前扩展，变化的磁场在瞬态磁场探头中感应出变化信号，因而瞬态磁场探针信号的变化特征能够反映出电枢的位置。但是一个磁场感应线圈所测量的磁场信号仅能反映同一空间磁场的一个点磁场值，但是同等间距的点磁场有很多个，而对多个点磁场值的整合计算较为困难，且磁场测量的准确度无法得到保障。
6.申请内容
7.本技术提供一种用于多维平衡磁场测量的磁场感应线圈组、磁场传感阵列及测量系统，能够避免工频磁场和冲击瞬态磁场测量困难、精确度不好。
8.第一方面，本技术的实施例提供了一种用于多维平衡磁场测量的磁场感应线圈组，磁场感应线圈组包括n1个磁场感应线圈体，n1为大于或等于2的偶数，各磁场感应线圈体均包括一个磁场感应线圈，各磁场感应线圈均为等速螺旋线状，各磁场感应线圈在一个圆周上均匀布置，且各磁场感应线圈的轴线均垂直于圆周的轴线。
9.在其中一些实施例中，各磁场感应线圈均包括第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈均为等速螺旋线形，第一线圈和第二线圈在第一线圈和第二线圈的轴向上层叠布置并具有间隔，第一线圈的外端与第二线圈的外端经连接线串联。
10.在其中一些实施例中，第一线圈的内端具有第一接触线，第一接触线凸出于第一线圈的背离第二线圈的一侧，第一接触线的凸出端构成磁场感应线圈的第一触点。第二线圈的内端具有第二接触线，第二接触线凸出于第二线圈的背离第一线圈的一侧，第二接触线的凸出端构成磁场感应线圈的第二触点。
11.在其中一些实施例中，各磁场感应线圈体均包括一个电路板，各磁场感应线圈分
别敷设在各电路板，其中，第一线圈和第二线圈分别敷设在电路板的两侧面，电路板具有通孔，连接线穿设在通孔中。
12.第二方面，本技术的实施例提供了一种用于多维平衡磁场测量的磁场传感阵列，包括上述任一实施例中的磁场感应线圈组和外框体。外框体绝缘，并为圆环状，外框体具有端口，外框体配置成使得各磁场感应线圈体安装至外框体，并使得各磁场感应线圈串联，且各磁场感应线圈得到的磁场信号由端口输出。
13.在其中一些实施例中，外框体具有n2个插槽，n2等于n1，各插槽均具有第一连接触点和第二连接触点，各插槽经位于外框体中的导线串联，并连接至端口，插槽配置成使得各磁场感应线圈体安装至插槽中，并使得各磁场感应线圈的第一触点和第二触点分别与第一连接触点和第二连接触点接触。
14.在其中一些实施例中，各插槽位于外框体的外周面。端口位于外框体的端面。
15.在其中一些实施例中，外框体包括第一框体和第二框体，第一框体和第二框体均为半圆状，第一框体与第二框体可拆卸地安装，各磁场感应线圈体分为两组分别安装至第一框体和第二框体，且位于第一框体的一组磁场感应线圈体与位于第二框体的另一组磁场感应线圈体对称布置。
16.第三方面，本技术的实施例提供了一种用于多维平衡磁场测量的测量系统，包括上述任一实施例中的磁场传感阵列、数据采集结构、数字积分结构和计算分析结构。数据采集结构与磁场传感阵列连接，数据采集结构用于对磁场传感阵列输出的磁场信号进行采集，并转换为数字信号。数字积分结构与数据采集结构连接，数字积分结构用于对数据采集结构输出的数字信号进行积分。计算分析结构与数字积分结构连接，计算分析结构用于对数字积分结构输出的信号按照预设的参数和算法进行分析计算，绘制被测磁场变化曲线以及求解被测磁场的时间参数与幅值参数。
17.在其中一些实施例中，测量系统还包括光电转换结构，光电转换结构连接数据采集结构元和计算分析结构，光电转换结构用于将数字积分结构输出的信号转换为光信号后传输至计算分析结构。
18.根据本技术的实施例提供的一种用于多维平衡磁场测量的磁场感应线圈组，磁场感应线圈组包括n1个磁场感应线圈体，n1为大于或等于2的偶数，各磁场感应线圈体均包括一个磁场感应线圈，各磁场感应线圈均为等速螺旋线状，各磁场感应线圈在一个圆周上均匀布置，且各磁场感应线圈的轴线均垂直于圆周的轴线。本技术的磁场感应线圈为等速螺旋线状，其频带宽、响应特性好，适用于对于冲击电流等包含高频分量的电流波形的测量，使得本技术的磁场感应线圈组可以应用于冲击电流以及宽频暂态电流的测量。在进行冲击电流及宽频暂态电流的测量时，本技术的磁场感应线圈组具有较高的测量灵敏度，能够获得较高的信噪比，使得测量结果更加准确。另外，在进行冲击电流及宽频暂态电流的测量时，本技术的磁场感应线圈组能够在获得不同位置的磁场测量值，结合进行均值处理，能够有效地减少磁场传感阵列位置偏心所带来的测量不利因素，提高测量准确度。另外，本技术的磁场感应线圈组还具有体积小、重量轻、安装方便等优点。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1
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3为本技术实施例中磁场感应线圈在三个角度的结构示意图；
21.图4为本技术实施例中磁场感应阵列在使用时的结构示意图；
22.图5
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10为本技术实施例中外框体在六个角度的结构示意图；
23.图11为本技术实施例中测量系统的结构示意图；
24.图12为本技术实施例中测量方法的流程示意图。
25.具部实施方式
26.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具部实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
27.参阅图1
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3，本技术的实施例提供了一种用于多维平衡磁场测量的磁场感应线圈组10。磁场感应线圈组10包括n1个磁场感应线圈体101，n1为大于或等于2的偶数，如，n1可以为6。其中，各磁场感应线圈体101均包括一个磁场感应线圈100，用于接受磁力线并将磁场信号转换为电信号。各磁场感应线圈100均为等速螺旋线状。各磁场感应线圈100的匝间距可以约为1mm。各磁场感应线圈100在一个圆周上均匀布置。各磁场感应线圈100的轴线均垂直于圆周的轴线。上述设置使得磁场感应线圈100的磁通接收面在一个圆周线上，并与该圆周线垂直，磁力线的方向与该圆周线方向平行，从而保证磁场感应线圈100与待测磁场完全交链，大幅度提高测量灵敏度。
28.参阅图1
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3，各磁场感应线圈100可以均包括第一线圈1000和第二线圈1001。第一线圈1000和第二线圈1001均为等速螺旋线形。第一线圈1000和第二线圈1001在第一线圈1000和第二线圈1001的轴向上层叠布置并具有间隔。第一线圈1000的外端与第二线圈1001的外端可以经连接线1002串联。连接线1002可以垂直连接第一线圈1000和第二线圈1001。上述设置使得磁场感应线圈100为等速螺旋状，在不增加杂散电容的同时，通过双层串联连接，大幅提高线圈输出电压的灵敏系数。
29.参阅图1
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3，第一线圈1000的内端可以具有第一接触线1003，第一接触线1003可以凸出于第一线圈1000的背离第二线圈1001的一侧，第一接触线1003的凸出端构成磁场感应线圈100的第一触点1005。第二线圈1001的内端可以具有第二接触线1004，第二接触线1004可以凸出于第二线圈1001的背离第一线圈1000的一侧，第二接触线1004的凸出端构成磁场感应线圈100的第二触点1006。上述设置使得第一触点1005和第二触点1006分别位于磁场感应线圈100的中心处的两侧。
30.各磁场感应线圈体101可以均包括一个电路板。电路板可以为印刷电路板pcb。各磁场感应线圈100分别敷设在各电路板上。其中，第一线圈1000和第二线圈1001分别敷设在电路板的两侧面。电路板上可以具有通孔，连接线1002穿设在通孔中。上述设置使得磁场感应线圈100的匝间距约为1mm时，电路板保证线圈的同心度，并确保线圈间距均匀，从而保证输出电压信号的稳定性，各磁场感应线圈100的匝间电容和对地电容可以约为1pf，保证了线圈具有优良的高频响应特性。
31.参阅图4
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10，本技术的实施例还提供了一种用于多维平衡磁场测量的磁场传感阵
列1，包括上述任一实施例中的磁场感应线圈组10和外框体11。磁场传感阵列1获得被测磁场中同间距不同方位磁场强度之和，精准输出“点磁场”的磁场强度随时间的变化曲线。
32.参阅图5，外框体11绝缘，可以由绝缘材料制成。外框体11为圆环状。外框体11上可以具有端口110，端口110可以为bnc型输出端口。端口110位于外框体11的端面上。外框体11配置成使得各磁场感应线圈体101安装至外框体11，并使得各磁场感应线圈100串联，且各磁场感应线圈100得到的磁场信号由端口110输出。
33.参阅图6
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10，外框体11上可以具有n2个插槽111，n2等于n1，n2可以为6，也就是说，各插槽111每间隔60
°
布置。各插槽111可以位于外框体11的外周面上。各插槽111上可以均具有第一连接触点1110和第二连接触点(图中未示出)，分别用于与磁场感应线圈100的第一触点1005和第二触点1006对应接触。第一连接触点1110和第二连接触点可以分别位于插槽111的两侧壁。各插槽111经位于外框体11中的导线112串联，组成磁场传感阵列1的回路，并连接至端口110，插槽111配置成使得各磁场感应线圈体101安装至插槽111中，并使得各磁场感应线圈100的第一触点1005和第二触点1006分别与第一连接触点1110和第二连接触点接触。上述设置可以实现磁场感应线圈100的任意更换，根据待测磁场的大小选择不同匝数的磁场感应线圈100。
34.参阅图5
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10，外框体11包括第一框体112和第二框体113，第一框体112和第二框体113均为半圆状，第一框体112与第二框体113可拆卸地安装，各磁场感应线圈体101分为两组分别安装至第一框体112和第二框体113，且位于第一框体112的一组磁场感应线圈体101与位于第二框体113的另一组磁场感应线圈体101对称布置。上述设置的外框体11在现场测量时安装更加简便，避免了复杂的拆卸工作。
35.参阅图9
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10，第一框体112上可以具有凹槽114，凹槽114的中心可以具有第一金属触点1140。第二框体113上可以具有凸棱115，用于与凹槽114插接。凸棱115的中心可以具有第二金属触点1150，第二金属触点1150用于与第一金属触点1140接触。上述设置实现了第一框体112和第二框体113的内部电路的电气连接。
36.参阅图11，本技术的实施例还提供了一种用于多维平衡磁场测量的测量系统，包括上述任一实施例中的磁场传感阵列1、数据采集结构2、数字积分结构3和计算分析结构4。数据采集结构2与磁场传感阵列1连接，数据采集结构2用于对磁场传感阵列1输出的磁场信号进行采集，并转换为数字信号。数据采集结构2可以经高频电缆与磁场传感阵列1连接。数字积分结构3与数据采集结构2连接，数字积分结构3用于对数据采集结构2输出的数字信号进行积分。数字积分结构3采用数字积分法。计算分析结构4与数字积分结构3连接，计算分析结构4用于对数字积分结构3输出的信号按照预设的参数和算法进行分析计算，绘制被测磁场变化曲线以及求解被测磁场的时间参数与幅值参数。
37.测量系统可以还包括光电转换结构5，光电转换结构5连接数据采集结构2元和计算分析结构4，光电转换结构5用于将数字积分结构3输出的信号转换为光信号后传输至计算分析结构4。光电转换结构5经光纤与计算分析结构4连接，消除了长连接电缆的折反射在波形上叠加高频振荡，保证信号不失真。
38.参阅图12，本技术的实施例还提供了一种用于多维平衡磁场测量的测量方法，包括如下步骤：
39.1、选择6块包括15匝的磁场感应线圈100的磁场感应线圈体101，组成磁场感应线
圈组10，将磁场感应线圈组10的6块磁场感应线圈体101分别安装在外框体11的6个插槽111中，组成磁场传感阵列1。
40.2、将磁场传感阵列1的外框体11拆分成第一框体112和第二框体113，然后使得冲击电流回路位于外框体11的中心位置，接着将第一框体112和第二框体113组装。当冲击电流回路输出的电流峰值为5.36ka，磁场传感阵列1输出的电压峰值43.5v。
41.3、将磁场传感阵列1的端口110经高频电缆与数据采集结构2连接，将数据采集结构2与数字积分结构3结构，将数字积分结构3与光电转换结构5连接，将光电转换结构5经光纤与计算分析结构4连接。
42.4、若要增加磁场传感阵列1的灵敏度，基于对同一磁场测量，磁场感应线圈100的匝数越大，感应电压越大，仅需要将磁场传感阵列1的6个插槽111中的包括15匝的磁场感应线圈100的磁场感应线圈体101更换为包括20匝的磁场感应线圈100的磁场感应线圈体101。
43.5、冲击电流测量完成之后，将磁场传感阵列1的外框体11拆分成第一框体112和第二框体113，即可完成磁场传感阵列1的拆卸工作。
44.本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具部情况理解上述术语的具部含义。
45.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。