三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种=棱锥形=维脉冲磁场测量装置与方法，可广泛应用于瞬变电磁 脉冲磁场的测量，特别是一种用于=维雷电电磁脉冲磁场的测量装置与方法。
【背景技术】
[0002] 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福射。 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。
[0003] W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=维磁场测量时，标定、安装均不方便，且=维之间可能产 生较大的互禪。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=维磁场。此类测量 装置的=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=维方向上的互禪较大，同时结构非对称，不利于做成差分，共模干扰大。
【发明内容】
[0004] 针对现有脉冲磁场S维测量中存在的问题与不足，本发明的目的是设计一种S棱 锥形S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=棱锥形结构可W确保通过差分计算消除共 模干扰。
[0005] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现： 一种=棱锥形=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=角形的多层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等边=角形的底板和 全介质光缆；3块等腰直角=角形的多层PCB电路板相互正交成直角锥状，并且与等边=角 形底板构成一个=棱锥形的四面体。
[0006] 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=角形重屯、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=棱锥顶；第二层铜层为地层，起屏蔽作用；第 s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。
[0007] 所述的由3块等腰直角=角形的多层PCB电路板和等边=角形底板构成的=棱锥 形四面体，在PCB制板时，其TopSolder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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 用=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=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ki，kg,ks; (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xo_F水平面平行，第1 块PCB电路板的底线与4自平行； (3) 由=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W对应的磁场 测量灵敏系数ki，k2,ks，得到巨磁阻磁场传感器切向上的磁场句、4和公3; (4) 利用公式（1)~(3)分别计算出S维直角坐标轴方向上的正交磁场分量公Z、公^日A;
(5) 上述3个正交分量，矢量合成得到被测=维磁场。
[0013] 本发明的脉冲磁场测量原理如下： 假设=棱锥的第1块等腰直角=角形PCB板(=棱锥第1侧面）底边位于4自，=棱锥 的底面在xo_F水平面内，=棱锥侧面与X0户F面的夹角为《，则有
W直角坐标轴所指方向为=维磁场的参考方向，3个正交分量的大小分别为&、公^口 足，则被测S维磁场为上述3个矢量分量之和，即 (6) 由于切向磁场敏感的巨磁阻磁场传感器安装在=棱锥侧面的=角形重屯、，方向指向= 棱锥顶，且=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=棱锥第1侧面上）对被测磁场的响应句为
巨磁阻磁场传感器2 (在=棱锥第2侧面上）对被测磁场的响应巧为
巨磁阻磁场传感器3 (在=棱锥第3侧面上）对被测磁场的响应公3为
根据3个巨磁阻磁场传感器测得的3个磁场响应值句、和如利用公式（10) ~ 即可求得被测磁场在S维直角坐标轴方向上的S个正交分量4、i巧日A，
利用公式做进行心&、&矢量求和，得到被测磁场。
[0014] 本发明与现有技术相比，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多层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=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、 =维磁场可通过对3个=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=维方向上的互禪，提高了测量精度。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明设及的=棱锥形=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传感器的电光转换模块10、11、12、14一全介质光缆13-激光供能模块 图2是本发明的脉冲磁场测量调理电路原理图； 图3是本发明的=棱锥形=维脉冲磁场PCB板坐标图； ABC-位于xo_T平面内的装置底面D-S棱锥顶。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和【具体实施方式】来对本发明作进一步详细说明。
[0017] 实施例；参考图1，=棱锥形=维脉冲磁场测量装置，包括巨磁阻磁场传感器1、2、 3,调理