电路4、5、6,电光转换模块7、8、9,激光供能模块13,W及全介质光缆1〇、11、12、14 ; 其特征在于，巨磁阻磁场传感器和对应的调理电路制作在同一块等腰直角=角形的4层 PCB电路板上，完全一致的3块等腰直角=角形的4层PCB电路板相互正交，组合在一起成 直角锥状，倒扣在一个等边=角形底板上，构成一个=棱锥形的四面体。每一块4层PCB电 路板中，最外层(第1层）铜层的=角形重屯、位置直接安装切向敏感贴片的巨磁阻磁场传感 器，方向指向=棱锥顶；第2层铜层为地层，起屏蔽作用；第3层铜层为布线层；第4层铜层 为元件层，用于安装调理电路。元件均采用贴片元件，体积小、抗电磁干扰能力强。PCB制板 时，在其TopSolder层边沿设计一条上锡且接地的线条。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。整个=棱锥形=维磁场测 量电路与装置外壳浑然一体。
[0018] S棱锥内装激光供能模块13,由PPC-6E光电池构成，将远处激光器发出并通过光 缆14送来的激光能量转换成电能，给整个测量装置供电。脉冲磁场信号通过电光转换模 块7、8、9转换成光信号由光缆10、11、12输出，在远端由光接收机将磁场光信号转换成电信 号，再由数字采集装置转换成数字信号，进行处理。传输远端发出的供能激光的光缆14和 传输测量信号的光缆1〇、11、12为全介质光缆，并从测量装置的底板穿过。
[0019] 参考图2,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，实现对巨磁阻磁场传感器信号的差分放大。
[0020] =维的巨磁阻磁场传感器既不水平放置，也不垂直放置，水平和垂直方向的磁场 分量均经计算还原得到。
[0021]参考图3,S棱锥的第1块等腰直角S角形PCB板(S棱锥第1侧面）底边位于X轴，S棱锥的底面ABC位于X0户F面内，D为S棱锥顶。
[0022] 设S棱锥侧面与风F平面的夹角为则有
W直角坐标轴所指方向为S维磁场的参考方向，3个正交分量分别为&、&和足，则被 测=维磁场为3个正交矢量之和，表示为
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，3个巨磁阻磁场传感器型号相同，且位置结构对称。因此， 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 (4) 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
(5) 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
(6) 根据3个巨磁阻磁场传感器测得的3个磁场响应值句、4和如由公式（7) ~ (9)可 求得被测磁场在S维直角坐标轴方向上的3个正交分量4、i巧日&，
利用公式（3)进行足、&、&矢量求和，得到被测磁场。
[0023] 利用S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（7)~ (9)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^口 (5) 上述3个正交分量，矢量合成得到被测=维磁场。
【主权项】
1. 一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法，测量装置包括巨磁阻磁场传感器和调 理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB电路板、激光供能模块、电光转换模块、等 边三角形的底板和全介质光缆；其特征在于，3块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正 交成直角锥状，并且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体。2. 根据权利要求1，所述的巨磁阻磁场传感器和调理电路一体化，其特征在于，巨磁阻 磁场传感器和调理电路制作到同一块4层PCB电路板上，在最外一层铜层的三角形重心位 置直接安装切向敏感的贴片巨磁阻磁场传感器，方向指向三棱锥顶；第2层铜层为地层，起 屏蔽作用；第3层铜层为布线层；第4层铜层为元件层，用于安装贴片电子元器件。3. 根据权利要求1，所述的由3块等腰直角三角形的多层PCB电路板和等边三角形底 板构成的三棱锥形四面体，其特征在于，PCB制板时，在其TopSolder层边沿留出一条上锡 且接地的线条，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。4. 根据权利要求1，所述的调理电路，其特征在于，巨磁阻磁场传感器电桥两个信号输 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。5. 根据权利要求1，所述的电光转换模块，其特征在于，将调理电路输出的磁场信号转 换成光信号，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。6. 根据权利要求1，所述的激光供能模块，其特征在于，将远处激光器发出且通过光缆 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。7. 根据权利要求1，所述的全介质光缆，其特征在于，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。8. 三棱锥形脉冲磁场测量装置测量脉冲磁场的方法，其特征在于，包括下列步骤： (1) 用磁场模拟器对三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kp k2, k3; (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ZO7水平面平行，第I 块PCB电路板的底线与4由平行； (3 )由三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以对应的磁场 测量灵敏系数匕，k2, k3，得到巨磁阻磁场传感器切向上的磁场3、4和4; (4)利用公式（1)~(3)分别计算出三维直角坐标轴方向上的正交磁场分量4、_卩(5)上述3个正交分量，矢量合成得到被测三维磁场。
【专利摘要】本发明涉及一种三棱锥形三维脉冲磁场测量装置与方法，其中测量装置包括：巨磁阻传感器和调理电路一体化的3块等腰直角三角形的多层PCB板、激光供能模块、电光转换模块、等边三角形的底板和全介质光缆；3块等腰直角三角形的多层PCB电路板相互正交，且与等边三角形底板构成一个三棱锥形的四面体；测量装置的底面水平放置，第1块PCB板的底线与x轴平行；利用3个巨磁阻传感器的测量值B1、B2和B3，可解算得到三维直角坐标轴方向的磁场分量Bx、By和Bz。本发明的PCB板与传感器、装置外壳一体化设计，结构简单，体积小，安装方便，价格低廉；能量和信号由光缆传输，抗电磁干扰能力强，克服了外接电缆对被测场的扰动。
【IPC分类】G01R33/09
【公开号】CN104977549
【申请号】CN201510421104
【发明人】李炎新, 张琪, 汪涛, 高成, 石立华, 孙晨鸣
【申请人】中国人民解放军理工大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年7月17日