一种手持式宽频环境电场测试仪及其电场测量方法与流程
本发明涉及电场辐射检测技术领域，具体涉及一种手持式宽频环境电场测试仪及其电场测量方法。
背景技术：
随着现代通信产业和电子工业的迅猛发展，导致人类生存环境中电场及磁场无处不在，电场和磁场能量密度不断增强，使用频带不断增宽，如何快速检测成为重要课题，以确保工作人员及公众身体健康、设备安全运行。目前，市面上的电场测量仪存在测量频带窄(测量频带在5ghz以内)、故障定位困难、可维修性差、功能单一、重量大等问题，无法满足对环境电场强度检测需求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是测量频带窄，目的在于提供一种手持式宽频环境电场测试仪及其电场测量方法，增大测量频带的宽度。
本发明通过下述技术方案实现：
一种手持式宽频环境电场测试仪，包括主机和由电场传感器、检波器、前置放大器构成的探头，其中：
电场传感器，用于全方向地感应环境电场，将感应的电场信号转换成电流信号传输至检波器；
检波器，用于接收上述电流信号并对该电流信号进行检波，得到调制信号并传输至前置放大器；
前置放大器，用于接收检波器的调制信号并对该信号进行高保真放大然后传输至主机；
主机，用于接收探头的信号并对该信号进行模数转换和滤波处理，然后进行输出显示；
所述主机与探头通过电磁屏蔽连接器活动连接。
本发明基于探头和主机，利用电场传感器全方向地感应环境电场，并利用检波器和前置放大器对检测的电场信号进行初步处理，再传递至主机进行分析处理，将现有技术中的5ghz以内的测量频带增大至1mhz-18ghz，大大增加了测量频带的宽度。
进一步地，电场传感器由三个分别感应空间三维电场的天线构成。
进一步地，探头的电路包括x向感应电路、y向感应电路、z向感应电路、运算放大模块，所述电场信息由x向感应电路、y向感应电路、z向感应电路共同感应，并通过运算放大模块放大之后传递给主机。其中x向、y向、z向分别适应三维坐标系中的x轴、y轴、z轴。
进一步地，所述x向感应电路包括电感l1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、二极管d1、电容c1、电阻r13，所述电感l1两端分别连接电阻r1和电阻r3，电阻r1连接电感l1端的另一端与电阻r2、电阻r13依次串联，电阻r3连接电感l1端的另一端与电阻r4连接，电阻r4连接电阻r3端的另一端接地，二极管d1的阳极连接在电阻r3与电阻r4连接的线路上，二极管d1的阴极连接在电阻r1与电阻r2连接的线路上，电容c1一端连接在电阻r2与电阻r13连接的线路上，电容c1连接电阻r2端的另一端接地；
所述y向感应电路包括电感l2、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、二极管d2、电容c2、电阻r14，所述电感l2两端分别连接电阻r5和电阻r7，电阻r5连接电感l2端的另一端与电阻r6、电阻r14依次串联，电阻r7连接电感l2端的另一端与电阻r8连接，电阻r8连接电阻r7端的另一端接地，二极管d2的阳极连接在电阻r7与电阻r8连接的线路上，二极管d2的阴极连接在电阻r5与电阻r6连接的线路上，电容c2一端连接在电阻r6与电阻r14连接的线路上，电容c2连接电阻r6端的另一端接地；
所述z向感应电路包括电感l3、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、二极管d3、电容c3、电阻r15，所述电感l3两端分别连接电阻r9和电阻r11，电阻r9连接电感l3端的另一端与电阻r10、电阻r15依次串联，电阻r11连接电感l3端的另一端与电阻r12连接，电阻r12连接电阻r11端的另一端接地，二极管d3的阳极连接在电阻r11与电阻r12连接的线路上，二极管d3的阴极连接在电阻r9与电阻r10连接的线路上，电容c3一端连接在电阻r10与电阻r15连接的线路上，电容c3连接电阻r10端的另一端接地；
所述运算放大模块包括运算放大器u1、电阻r16、电容c4，所述电阻r13连接电阻r2端的另一端、电阻r14连接电阻r6端的另一端、电阻r15连接电阻r10端的另一端共同连接在运算放大器u1的正向输入端，电阻r16一端连接在运算放大器u1的正向输入端，电阻r16的另一端连接在运算放大器u1的输出端，电容c4并联在电阻r16两端。
进一步地，主机包括模数转换及滤波电路、处理器、显示屏、数据存储模块、日历时钟模块、键盘及告警提示模块、复位电路，其中：
模数转换及滤波电路，用于接收探头的信号并对该信号进行模数转换以及滤波，得到数字信号传输至处理器；
处理器，用于接收所述数字信号，并对该信号进行处理得到环境电场强度，传输至显示屏进行显示，还用于定时检测主机其他功能部件；
数据存储模块，用于存储处理器中涉及的数据；
日历时钟模块，通过处理器为主机提供时间信息；
键盘及告警提示模块，用于信息输入以及故障报警；
复位电路，为处理器提供看门狗功能。
模数转换及滤波电路对探头检测的电场信号进行模拟数字转换，数字信号相对于模拟信号其抗干扰能力强、保密性好，同时，数字信号在传输与交换上具有优越性，数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，便于将采集的电场信息交换至计算机进行分析。处理器不仅对分析处理探头发送的电场信号，而且还需要定时检测主机其他功能部件的工作状态，能快速定位电场测试仪发生故障的位置，并通过键盘及告警提示模块对故障位置进行提示，提高了电场测试仪的可维修性。
进一步地，一种手持式宽频环境电场测试仪，还包括电源变换及控制模块，所述电源变换及控制模块用于将电源转换成主机和探头各部分所需的电压，并协助处理器控制主机和探头各部分的电源开关。
通过处理器实时监测设备状态，根据设备工作状态通过电源变换及控制模块打开或关闭相应功能单元电路，实现最佳电源消耗，提高设备的工作时间。
进一步地，一种手持式宽频环境电场测试仪，还包括外壳，所述外壳包括探头壳体、主机前壳、主机后壳、接口塞子、屏蔽玻璃、告警指示灯、电池盖、防滑垫、橡胶按键、手链、探头屏蔽连接器，所述主机前壳和主机后壳相互扣合形成主机壳体，所述手链两端与主机壳体连接；主机壳体顶部设置有充电接口和探头接口，所述探头壳体通过探头屏蔽器插入探头接口与主机壳体活动连接，在不使用探头接口和充电接口时通过接口塞子将探头接口和充电接口密封；所述主机前壳上设置有多个孔洞，包括按键孔、显示屏孔、指示灯孔，所述橡胶按键设置在按键孔中，所述显示屏设置在显示屏孔中，所述屏蔽玻璃压接在显示屏外，所述告警指示灯设置在指示灯孔中；所述主机后壳设置有电池孔，所述电池盖安装在电池孔中；所述防护垫贴于主机后壳表面。
外壳还包括导电橡胶条，所述主机前壳和主机后壳之间通过导电橡胶条柔性紧密结合；所述电池盖通过导电橡胶条与主机后壳紧密结合。电磁屏蔽的实现方式是主要是通过主机前壳和主机后壳的结合处加导电橡胶条实现的，其他还有显示屏前面加屏蔽玻璃，电池盖与主机后壳间采用导电橡胶条，以屏蔽电磁干扰对测量的影响，提高测量精度，其测量精度达到±3db。主机前壳、主机后壳、接口塞子、电池盖使用铝制材料。由于电场测试仪通常随身携带，其重量大会对工作人员造成较大的负担，使用铝制材料以达到减轻重量的目的。探头壳体采用两部分材质，其中电场和检波器部壳采用塑料外壳，前置放大器及与主机连接部分外壳采用铝壳。
进一步地，基于上述手持式宽频环境电场测试仪的一种电场测量方法，
步骤一，由电场传感器采集电场信息，并将电场信号转换成电信号；
步骤二，将上述电信号进行检波、放大、模数转换、电路滤波、数字化滤波处理；
步骤三，将步骤二中处理后的信号通过显示屏进行显示。
进一步地，所述数字化滤波采用传递函数
利用常系数线性差分方程式，根据不同频带自适应实现数字带通滤波，在简化算法的基础上达到对电场信好的处理快速，提高电场测试仪的检测速度。
进一步地，所述数字化滤波的方法如下：
步骤20，数字化滤波初始化；
步骤21，根据测量频带及上下频率计算模拟截止频率；
步骤22，计算中心频率；
步骤23，计算频带；
步骤24，计算传递函数的参数ai，其中i为0、1、2、3、4；
步骤25，计算传递函数的参数bi，其中i为0、1、2、3、4；
步骤26，根据传递函数计算输出值；
步骤27，根据历史数据修正输出值；
步骤28，检测输出值标志位是否有效，若该标志位有效，对输出值进行存储并显示有效的测量值，测量分析结束，退出数字化滤波过程；反之，进行自适应调节。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明增大测量频带的宽度，可测量频段从1mhz至18ghz，覆盖范围广；
2、本发明电磁屏蔽效果佳，算法简洁优化，保证了测量精度；
3、本发明通过处理器定时检测各单元模块实现故障自诊断功，从而快速定位故障位置，提高可维修性；
4、本发明能够定时检测电场测试仪各部件的工作状态，从而实现故障定位，提高电场测试仪的维修性；
5、本发明通过探头与主机活动连接，使得探头更换方便，同时也便于使用者根据检测需求替换相应类型的探头；
6、本发明通过减小体积和重量，提高其便携性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构框图；
图2为本发明探头电路示意图；
图3为本发明电源变换及控制模块示意图；
图4为本发明数字滤波器流程图；
图5为本发明外壳正面结构示意图；
图6为本发明外壳背面结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-探头壳体，2-主机前壳，3-主机后壳，4-接口塞子，5-屏蔽玻璃，6-告警指示灯，7-电池盖，8-防滑垫，9-橡胶按键，10-手链。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，一种手持式宽频环境电场测试仪，包括主机和由电场传感器、检波器、前置放大器构成的探头，所述传感器、检波器、前置放大器依次连接；所述主机包括模数转换及滤波电路、处理器、显示屏、复位电路、电源变换及控制模块、数据存储模块、日历时钟模块、键盘及告警提示模块和锂电池，所述模数转换及滤波电路、显示屏、数据存储模块、日历时钟模块、键盘及告警提示模块、复位电路分别与处理器连接，所述电源变换及控制模块与复位电路连接，所述锂电池与电源变换及控制模块连接；所述探头的前置放大器与主机的模数转换及滤波电路活动连接。其中：
电场传感器，用于全方向地感应环境电场，将感应的电场信号转换成电流信号传输至检波器；电场传感器由三个分别感应空间三维电场的天线构成。
检波器，用于接收上述电流信号并对该电流信号进行检波，得到调制信号并传输至前置放大器；本实施例采用检波二极管，利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来。
前置放大器，用于接收检波器的调制信号并对该信号进行高保真放大然后传输至主机；前置放大器采用高保真高增益的运算放大器实现目的。
如图2所示，所述探头的电路包括x向感应电路、y向感应电路、z向感应电路、运算放大模块，所述电场信息由x向感应电路、y向感应电路、z向感应电路共同感应，并通过运算放大模块放大之后传递给主机。
所述x向感应电路包括电感l1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、二极管d1、电容c1、电阻r13，所述电感l1两端分别连接电阻r1和电阻r3，电阻r1连接电感l1端的另一端与电阻r2、电阻r13依次串联，电阻r3连接电感l1端的另一端与电阻r4连接，电阻r4连接电阻r3端的另一端接地，二极管d1的阳极连接在电阻r3与电阻r4连接的线路上，二极管d1的阴极连接在电阻r1与电阻r2连接的线路上，电容c1一端连接在电阻r2与电阻r13连接的线路上，电容c1连接电阻r2端的另一端接地；
所述y向感应电路包括电感l2、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、二极管d2、电容c2、电阻r14，所述电感l2两端分别连接电阻r5和电阻r7，电阻r5连接电感l2端的另一端与电阻r6、电阻r14依次串联，电阻r7连接电感l2端的另一端与电阻r8连接，电阻r8连接电阻r7端的另一端接地，二极管d2的阳极连接在电阻r7与电阻r8连接的线路上，二极管d2的阴极连接在电阻r5与电阻r6连接的线路上，电容c2一端连接在电阻r6与电阻r14连接的线路上，电容c2连接电阻r6端的另一端接地；
所述z向感应电路包括电感l3、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、二极管d3、电容c3、电阻r15，所述电感l3两端分别连接电阻r9和电阻r11，电阻r9连接电感l3端的另一端与电阻r10、电阻r15依次串联，电阻r11连接电感l3端的另一端与电阻r12连接，电阻r12连接电阻r11端的另一端接地，二极管d3的阳极连接在电阻r11与电阻r12连接的线路上，二极管d3的阴极连接在电阻r9与电阻r10连接的线路上，电容c3一端连接在电阻r10与电阻r15连接的线路上，电容c3连接电阻r10端的另一端接地；
所述运算放大模块包括运算放大器u1、电阻r16、电容c4，所述电阻r13连接电阻r2端的另一端、电阻r14连接电阻r6端的另一端、电阻r15连接电阻r10端的另一端共同连接在运算放大器u1的正向输入端，电阻r16一端连接在运算放大器u1的正向输入端，电阻r16的另一端连接在运算放大器u1的输出端，电容c4并联在电阻r16两端。
所述探头电路中l1感应x向电场，经过r1和r3传输至d1，经过d1检波后，再经过r2、r4和r13传输至运算放大器u1，c1滤除高频信号；l2感应y向电场，经过r5和r7传输至d2，经过d2检波后，再经过r6、r8和r14传输至运算放大器u1，c2滤除高频信号；l3感应z向电场，经过r9和r11传输至d3，经过d3检波后，再经过r10、r12和r15传输至运算放大器u1，c3滤除高频信号，x、y、z三路信号在运算放大器u1的正向输入端相加后经过运算放大器u1放大，r16和c4为运算放大器的反馈电路。
探头采用微小偶极子天线，其单边长度为3.75mm，宽带为0.5mm，同时匹配检波二极管及传输网路，利用光刻技术实现电阻率为3kω/mm的传输线缆，实现了高阻传输，可测量频带为1mhz至18ghz。
主机，用于接收探头的信号并对该信号进行模数转换和滤波处理，然后进行输出显示；所述主机与探头通过电磁屏蔽连接器活动连接。
如图1所示，主机包括模数转换及滤波电路、处理器、显示屏、数据存储模块、日历时钟模块、键盘及告警提示模块、复位电路，其中：
模数转换及滤波电路，用于接收探头的信号并对该信号进行模数转换以及滤波，得到数字信号传输至处理器；
处理器，用于接收所述数字信号，并对该信号进行处理得到环境电场强度，传输至显示屏进行显示，还用于定时检测主机其他功能部件；
数据存储模块，用于存储处理器中涉及的数据；
日历时钟模块，通过处理器为主机提供时间信息；
键盘及告警提示模块，用于信息输入以及故障报警；
复位电路，为处理器提供看门狗功能。
如图3所示，电源变换及控制模块，所述电源变换及控制模块用于将电源转换成主机和探头各部分所需的电压，并协助处理器控制主机和探头各部分的电源开关。电源变换及控制模块采用的主要器件为rs触发器cd4013、场效应管irf9610、电源变换模块lm2576和ams1117、逻辑电路max6816和sn74aup1t00dckt、三极管9013；锂电池采用可充电式锂电池，其型号为chld296wh-7.4vi。
充电锂电池提供的电源经过第一电源变换模块提供给控制电路，控制电路由rs触发器及逻辑控制电路等构成，实现控制开关(开关为场效应管irf9610)，达到开关电源目的，第二电源变换模块将可充电锂电池的电压变换为5v，第三电源变换模块将5v电源线性变化为3.3v。
本实施例中电场传感器采用偶极子天线；前置放大器采用高保真高增益的运算放大器，其型号为ad8065；检波器的型号为mss-30-b46-b45；数据转换及滤波电路采用ad7714集成块；处理器采用msp430f5659；日历时钟模块的型号为ds1302；复位电路型号为sp706en；数据存储模块型号为at24c1024；键盘及告警提示模块采用薄膜按钮及发光二极管；显示屏采用pqy4827；电源采用锂电池进行供电，其体积小。
实施例2
基于实施例1中的手持式宽频环境电场测试仪的一种电场测试方法，步骤一，由电场传感器采集电场信息，并将电场信号转换成电信号；
步骤二，将上述电信号进行检波、放大、模数转换、电路滤波、数字化滤波处理；
步骤三，将步骤二中处理后的信号通过显示屏进行显示。
msp430f5659处理器采用数字滤波器对主机接收的数字信号进行数字化滤波；所述数字滤波器采用传递函数
如图4所示，数字化滤波的方法如下：
步骤20，数字化滤波初始化；
步骤21，根据测量频带及上下频率计算模拟截止频率；
步骤22，计算中心频率；
步骤23，计算频带；
步骤24，计算传递函数的参数ai，其中i为0、1、2、3、4；
步骤25，计算传递函数的参数bi，其中i为0、1、2、3、4；
步骤26，根据传递函数计算输出值；
步骤27，根据历史数据修正输出值；
步骤28，检测输出值标志位是否有效，若该标志位有效，对输出值进行存储并显示有效的测量值，测量分析结束，退出数字化滤波过程；反之，进行自适应调节。
其中，测量频带为可测量的频率宽度，起始频率为测量频带的开始频率点和结束频率点，截止频率也是频带的上限频率点，即结束频率点，中心频率为频带的中心频率点，例如测量频率范围为1ghz至5ghz，则测量频带为4ghz，起始频率为1ghz和5ghz，截止频率为5ghz，中心频率为3ghz。
实施例3
基于实施例1中的手持式宽频环境电场测试仪，设置有外壳，如图5和图6所示，外壳包括探头壳体1、主机前壳2、主机后壳3、接口塞子4、屏蔽玻璃5、告警指示灯6、电池盖7、防滑垫8、橡胶按键9、手链10、导电橡胶条、探头屏蔽连接器，主机前壳2和主机后壳3之间通过导电橡胶条柔性紧密结合；所述手链10两端与主机壳体连接，增设手链10，便于仪器的携带；主机壳体顶部设置有充电接口和探头接口，所述探头壳体1通过探头屏蔽连接器插入探头接口与主机壳体活动连接，探头壳体1和主机壳体通过探头接口活动连接，便于探头的更换；在不使用探头接口和充电接口时通过接口塞子4将探头接口和充电接口密封；所述主机前壳1上设置有多个孔洞，包括按键孔、显示屏孔、指示灯孔，所述橡胶按键9设置在按键孔中，所述显示屏设置在显示屏孔中，所述屏蔽玻璃5压接在显示屏外，所述告警指示灯6设置在指示灯孔中；所述主机后壳3设置有电池孔，所述电池盖7通过导电橡胶条与主机后壳3紧密结合。所述防护垫8贴于主机后壳3表面，用于增加手持设备时的摩擦。探头外壳1分两个部分，天线和检波器部分的外壳采用塑料外壳，前置放大器以及与主机接口部分的外壳采用铝壳及标准插头；主机前壳2、主机后壳3、接口塞子4、电池盖7使用铝制材料；导电橡胶条和屏蔽玻璃5均是为了减小电磁干扰，实现良好的机体内外电磁屏蔽，保证测量精度，使用铝制材料则是减小测试仪的重量。
探头置于探头外壳1中，主机置于主机外壳中，整个测试仪的重量小于2kg，其主机外壳的外形尺寸长×宽×厚为：190mm×190mm×65mm，这减小了测试仪的体积和重量，提高了测试仪的便携性。
探头壳体1采用两部分材质，其中电场和检波器部壳采用塑料外壳，前置放大器及与主机连接部分外壳采用铝壳。主机前壳2、主机后壳3、接口塞子4、电池盖7使用铝制材料。
实施例4
基于实施例1-3中的环境电场测试仪的使用操作过程为：
步骤1：从仪器箱中取出主机和探头，将接口塞子4从探头接口中取下，将探头插入主机的探头接口中；
步骤2：触按一次设置在主机外壳面板上的电源键，给设备加电；
步骤3：等待设备初始化、故障自检等，直至显示屏显示测量状态；
步骤4：根据测量要求进行参数设置，如测量显示为“mw/cm2”还是“v/m”等，设置完毕返回测量状态；
步骤5：将探头置于需要检测的位置进行测量，如需保存测量数据，可按主机外壳面板上的“保存”键。
步骤6：记录测量值或查询测量值；
步骤7：返回步骤5继续测量，直至测量完毕；
步骤8：触按一次主机外壳面板上的电源键使设备关电；
步骤9：取下探头，将接口塞子4塞入探头接口中，将探头和主机放入仪器箱。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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