一种各向同性电磁场传感器的制作方法

本实用新型涉及电磁场测量技术领域，更具体地说，它涉及一种各向同性电磁场传感器。

背景技术：

目前现有的电磁场测量技术对3Hz-3KHz频段的电磁场有许多不同的检测方法，通常定义3Hz-3KHz频段为低频。电场(E)传感器的原理通常基于电容性元件，如平行平板电容器；磁场(B)传感器的原理通常是线圈绕组基于法拉第电磁感应定律产生的感应电流。为了使线圈绕组能够免疫外界电场的影响，通常采用金属屏蔽层包裹线圈绕组，并且金属屏蔽层上会设一个开口防止变化的磁场在屏蔽层中产生感应电流。

如图1所示，有一些探头可以同时测量低频的电场和磁场，这些探头所使用的传感单元是一匝带有两个开口的线圈，开口位置以线圈直径相对。测量电磁场时，分别引出线圈的两个开口的输出信号进入各自的信号处理电路；信号处理电路的输出信号分别与磁场（B）和电场（E）的幅值成比例。但是，该传感单元具有明显的缺陷：即上述传感器结构可以用于电场和磁场的测量，但是不能同时测量电场和磁场，并且因为是单匝线圈，传感器对低频场灵敏度低，因此需要设计复杂的信号处理电路以增强输出信号。针对上述缺点，这些探头的传感单元设计为由多匝线圈组成的线圈绕组，和带有两个开口的金属屏蔽层组成。

基于上述电磁场传感单元方案制成的各向同性电磁场传感器，由三个电磁场传感单元组成；且每个电磁场传感单元是被金属屏蔽层包裹的多匝绕组线圈，在金属屏蔽层上直径相对的位置开设了两个开口；由开口的位置将金属屏蔽层划分为两段独立的区域，在每个区域的终端设有输出端子；其中一个端子用于输出测量磁场的线圈绕组中的感应电流，另一个端子用于输出屏蔽层上的感应电压，而金属屏蔽层的另一个作用是作为电场测量传感器用于测量电场。

上述的各向同性电磁场传感器可以同时测量电场和磁场，并且不需要复杂的信号处理电路；但是，这种传感器仍存在传感器的电场测量对磁场的抗干扰能力差，测量准确度随着磁场频率和幅值的增加会迅速下降的缺陷。

因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种各向同性电磁场传感器，解决电磁场传感器电场测量对磁场的抗干扰能力差、测量准确度随着磁场频率和幅值的增加会迅速下降的缺陷。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种各向同性电磁场传感器，主要由至少一个电磁场传感单元组成，每个所述电磁场传感单元包括金属屏蔽层、被金属屏蔽层包裹的多匝线圈绕组，在所述金属屏蔽层上对称开设有第一开口和第二开口以将多匝线圈绕组裸露，由第一开口和第二开口将金属屏蔽层划分为两段独立的区域，在所述第一开口和第二开口分别连接有用于输出多匝线圈绕组上感应电流的第一输出端子和用于输出金属屏蔽层上感应电压的第二输出端子，与第一开口和第二开口连线相垂直的所述金属屏蔽层的两侧对称开设有第三开口和第四开口以将所述多匝线圈绕组裸露，所述第三开口和第四开口分别将两段独立的区域划分为两段独立的子区域；同一独立的区域中，两段独立的子区域之间头尾通过设置有低阻线路相交连接，形成8字形回路。

通过采用上述技术方案，现有技术中，在磁场频率和幅值变大的情况下开有两个开口的金属屏蔽层中仍会产生感应电流，这种情况下，在测量第二输出端子的第二开口处会存在一个位移电流，并在其采样电阻上产生一个电压降，但这个电压降是由于磁场产生的而不是电场，从而使得电场测量不准确；而本实用新型的上述技术方案,通过使用低阻线路将两段独立的子区域头尾交叉连接形成8字形回路，根据电磁感应定律，每个8字形回路的分别产生顺时针与逆时针的电流，两个电流互相抵消，就不会产生电流了，即采样电阻上不会因磁场产生的感应电流而产生电压降了；从而使得电磁场传感器的电场测量抗磁场干扰能力强，可以同时、独立、精确地测量电场和磁场。

本实用新型进一步设置为：同一独立的区域中，所述8字形回路包括两个封闭回路，两个所述封闭回路面积相等，且面法向方向相反。

通过采用上述技术方案，每个8字形回路的金属屏蔽层所围面积的磁通量保持不变，即金属屏蔽层中不会产生感应电流，从而避免了电场测量采样电阻上的伪压降，因而得到了很强的抗磁场干扰能力。

本实用新型进一步设置为：所述电磁场传感单元有三个，三个所述电磁场传感单元两两正交。

本实用新型进一步设置为：所述电磁场传感单元为圆形，相邻两所述第一开口、第二开口、第三开口和第四开口所对应的圆心角为90度。

本实用新型进一步设置为：所述电磁场传感单元为矩形，所述第一开口、第二开口、第三开口和第四开口的位置均在每条边的中心。

本实用新型进一步设置为：所述线圈绕组的匝数为12匝。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：通过使用低阻线路将两段独立的子区域头尾交叉连接形成8字形回路，根据电磁感应定律，每个8字形回路的金属屏蔽层所围面积的磁通量保持不变，即金属屏蔽层中不会产生感应电流，从而避免了电场测量采样电阻上因磁场产生的感应电流而产生电压降了；使得电磁场传感器的电场测量抗磁场干扰能力强，可以同时、独立、精确地测量电场和磁场。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本实施例一的电磁场传感单元的结构示意图；

图3为本实施例一的电磁场传感器的结构示意图；

图4为本实施例二的电磁场传感单元的结构示意图。

图中：1、电磁场传感单元；11、金属屏蔽层；12、线圈绕组；2、第一开口；3、第二开口；4、第一输出端子；5、第二输出端子；6、第三开口；7、第四开口；8、低阻线路；9、区域；91、子区域；10、8字形回路；101、封闭回路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型进行详细描述。

实施例一：一种各向同性电磁场传感器，如图1所示，主要由三个电磁场传感单元1组成，每个电磁场传感单元1包括金属屏蔽层11、被金属屏蔽层11包裹的多匝线圈绕组12，在金属屏蔽层11上对称开设有第一开口2和第二开口3以将多匝线圈绕组12裸露，由第一开口2和第二开口3将金属屏蔽层11划分为两段对称且独立的区域9，在第一开口2和第二开口3分别连接有用于输出多匝线圈绕组12上感应电流的第一输出端子4和用于输出金属屏蔽层11上感应电压的第二输出端子5，且在第二开口3两端连接有一采样电阻R，用于产生电压降。图1中标出了电场传感器和磁场传感器的测量方向，磁场引发的感应电流穿越了金属屏蔽层11和采样电阻R，在金属屏蔽层11第一开口2处产生了一个位移电流；在一些低频段的磁场环境下（如10赫兹），第一开口2和第二开口3可以认为开路，此时认为金属屏蔽层11内没有感应电流形成回路，因而不影响电场的测量；但是，当磁场环境变为高频（3K赫兹以上）之后，第一开口2和第二开口3处的容性阻抗会随着磁场频率的变大而减小，此时就会在第一开口2处形成一个位移电流，这个位移电流会通过金属屏蔽层11和采样电阻R形成回路，在采样电阻R上产生一个伪电压降，影响电场的测量。

为提高电场测量的抗磁场干扰能力，如图2所示，又在与第一开口2和第二开口3连线相垂直的金属屏蔽层11的两侧对称开设有第三开口6和第四开口7以将所述多匝线圈绕组12裸露，第三开口6和第四开口7分别将两段独立的区域9又划分为两段独立的子区域91;在同一独立的区域9中,两段独立的子区域91之间头尾相互交叉连接有低阻线路8，形成8字形回路10。根据电磁感应定律，每个8字形回路10的金属屏蔽层11所围面积的磁通量保持不变，即金属屏蔽层11中不会产生感应电流，从而避免了电场测量时采样电阻R上因磁场产生的感应电流而产生电压降；使得电磁场传感器的电场测量抗磁场干扰能力增强，且可以同时、独立、精确地测量电场和磁场。

更优选的，在同一独立的区域9中，8字形回路10包括两个封闭回路101，两个封闭回路101面积相等，且面法向方向相反。

电磁场传感单元1形状为圆形，尺寸为直径10cm，且相邻两第一开口2、第二开口3、第三开口6和第四开口7所对应的圆心角为90度，线圈绕组12的匝数为12匝，低阻线路8为铜导线，金属屏蔽层11采用铜箔。

本实用新型的各向同性电磁场传感器中，如图2、图3所示，三个电磁场传感单元1两两正交，第一开口2、第二开口3、第三开口6和第四开口7用作两两正交的电磁场传感单元1的连接点。

本实用新型通过使用低阻线路8将两段独立的子区域91头尾交叉连接形成8字形回路10，减小了在磁场环境（无电场）中电场传感器采样电阻R上的电压降。通过这种方式，本实用新型提出的电磁场传感单元1中的电场传感器的抗磁场能力得到了显著的提高。即便因为制作工艺原因，每个8字形回路10的两个封闭回路101不相等，金属屏蔽层11中存在感应电流，也仍然有低阻的8字形回路10中的电流回路存在，并不会在采样电阻R上产生电压降而改变电场测量的结果。

实施例二：一种各向同性电磁场传感器，如图4所示，与实施例一的不同点在于：电磁场传感单元1为矩形，第一开口2、第二开口3、第三开口6和第四开口7的位置均在每条边的中心。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。