一種野戰(zhàn)便攜式電磁計量檢定儀的研制

江玉柱，張偉，井賽，尹曉峰，張谷敏，張科

濟南軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗所，山東 濟南 250022

一種野戰(zhàn)便攜式電磁計量檢定儀的研制

江玉柱，張偉，井賽，尹曉峰，張谷敏，張科

濟南軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗所，山東 濟南 250022

本文通過分析電磁輻射的數(shù)學(xué)建模，闡述了一種便攜式電磁計量檢定儀的硬件設(shè)計、電路設(shè)計以及軟件設(shè)計過程。該檢定儀主要由天線、傳感器、濾波網(wǎng)絡(luò)、控制單元等構(gòu)成，適用于野戰(zhàn)條件下的電磁輻射現(xiàn)場檢測，可快速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)不同頻段的電磁輻射劑量的檢測。

電磁輻射；電磁計量檢定儀；單片機；模數(shù)轉(zhuǎn)換

在以復(fù)雜電磁環(huán)境為背景的軍事斗爭準(zhǔn)備中，要特別重視電磁輻射帶來的危害[1]。電磁輻射信號含有大量信息，一旦泄露將帶來巨大的安全隱患；同時過量的電磁輻射會對作業(yè)人員的生理機能造成不利影響。為了增強軍事信息的安全性，有效評估電磁屏蔽設(shè)施的屏蔽效果，評價電磁輻射生物學(xué)效應(yīng)對官兵健康的影響，進(jìn)行輻射劑量的檢測十分必要[2]。我國已制定了電磁輻射檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》（GJB151A/152A-1997）和《電磁輻射暴露限值和測量方法》（GJB5313-2004）等，對電磁輻射的測量提出了明確要求。

筆者研制了一款便攜式、適用于野戰(zhàn)環(huán)境的電磁計量檢定儀，可用于野戰(zhàn)作業(yè)環(huán)境下電磁輻射生物效應(yīng)的檢測[3]，也可用于強電磁輻射設(shè)備偽裝效能的檢測以及屏蔽設(shè)施的漏磁檢測，以評估或判別戰(zhàn)場電磁輻射環(huán)境，為相關(guān)部門提供電磁輻射的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)[4-5]。

1 電磁輻射數(shù)學(xué)建模分析

劑量學(xué)中廣泛采用比吸收率（Specific Absorption Rate， SAR）來度量電磁輻射在生物單位組織中所感應(yīng)的電場，定量描述由于熱耗散引起的能量損失。它被定義為每單位質(zhì)量組織所吸收的能量，單位為W/kg。通過確定發(fā)射端和接收端之間人體組織所有單位質(zhì)量上的平均SAR，就可以計算出所有的能量損失。利用有損耗介質(zhì)的Maxwell關(guān)于電場和磁場的方程可以得到介質(zhì)分別在近場和遠(yuǎn)場的平均SAR。人體組織的能量吸收是近場能量吸收（PNF）和遠(yuǎn)場能量吸收（PFF）之和[6]。輻射天線在人體組織中的場域示意圖，見圖1。

圖1 輻射天線在人體組織中的場域示意圖

設(shè)有損耗介質(zhì)的電導(dǎo)率為σ（S/m），介電常數(shù)為ε（F/m），磁導(dǎo)率為μ（H/m），復(fù)傳播常數(shù)為γ，則其在頻率ω處的固有阻抗為：

其中：γ=α+jβ，α和β分別為衰減常數(shù)和相位常數(shù)。距離發(fā)射源R處的磁場強度和電場強度分別為：

因此得到輻射源外的任意點的電場和磁場的表達(dá)式，近場內(nèi)的有耗損介質(zhì)的比吸收率SAR為：

積分計算出近場內(nèi)全部人體組織上的電磁能量吸收PNF，此時距離R的積分區(qū)間為從天線的表面（R=r，r作為天線材料的傳導(dǎo)性的半徑）到近場的邊界（R=d0）。

其中：

同理，可計算得到遠(yuǎn)場人體組織上的電磁能量吸收PFF為：L

電磁能量人體組織里傳播時，近場能量吸收和遠(yuǎn)場能量吸收之和為生物組織吸收的總體能量Ptiss，即：

根據(jù)軍用標(biāo)準(zhǔn)，人體受電磁輻射的限值適用頻率范圍為100 kHz～3 GHz。職業(yè)輻射值的定義為在每天8 h工作期間內(nèi)，電磁輻射場參數(shù)在任意連續(xù)6 min內(nèi)的平均值。國軍標(biāo)職業(yè)輻射限值，見表1。

表1 國軍標(biāo)職業(yè)輻射限值

根據(jù)軍隊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合戰(zhàn)場環(huán)境，通過數(shù)學(xué)建模進(jìn)行科學(xué)分析和推導(dǎo)計算，為后續(xù)的硬件電路設(shè)計、軟件程序編寫提供了堅實的理論依據(jù)和明確的技術(shù)要求。

2 硬件及電路設(shè)計

硬件部分主要包括：天線、信號調(diào)諧電路、傳感器、濾波網(wǎng)絡(luò)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制部分、單片機控制單元、液晶顯示和報警部分等。電磁計量檢定儀硬件部分采用模塊化設(shè)計，硬件設(shè)計框圖，見圖2。

硬件部分工作原理：天線接收電磁輻射信號，調(diào)諧電路將接受的信號按照用戶選擇的波段傳輸至傳感器；探頭傳感器將電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號，通過濾波、放大后進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；將模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號輸入單片機進(jìn)行處理。通過對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出電磁輻射功率密度值，并將其顯示在液晶模塊上，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲和顯示。當(dāng)測量值超過所選頻段對應(yīng)的軍隊職業(yè)照射標(biāo)準(zhǔn)限值時，儀器聲光報警模塊發(fā)出聲光報警。為了保證各波段的檢測效果，我們對濾波模塊進(jìn)行了重點設(shè)計。其中，在檢定儀操作面板上，使用了可選擇3個波段的檔位；在內(nèi)部電路上，設(shè)計了與檔位相匹配的調(diào)諧電路，以此來檢測各個波段的電磁輻射劑量。

圖2 電磁計量檢定儀硬件設(shè)計框圖

2.1 探頭

探頭包含天線和傳感器。天線接收的電磁波信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。探頭的優(yōu)劣對設(shè)備的電磁輻射信號接收性能有很大影響，性能質(zhì)量取決于探頭的電氣參數(shù)[7]。該檢定儀采用意大利PMM公司EP330探頭，適用于100 kHz～3 GHz 頻率范圍，頻帶寬、可靠性高、增益穩(wěn)定性好，能滿足設(shè)計要求。

2.2 濾波和放大單元

傳感器探頭輸出的信號比較微弱且含有高頻成分，因此需要進(jìn)行濾波并放大有用信號，濾波器采用有源低通濾波器。放大器輸入端的設(shè)計與電場探頭阻抗相匹配，以獲得最佳的信號能量傳送。放大器電路圖，見圖3。

圖3 放大器電路圖

兩級放大電路中，第一級采用運算放大器AD620，具有高共模抑制比、低溫漂、低噪聲、線性度好等特點；第二級采用高精度、低失調(diào)電壓型的運算放大器OP07。這兩級放大電路能滿足低噪放大器的噪聲系數(shù)小和頻帶寬的技術(shù)要求。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換單元

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采用MAX152CPP，在2個4位閃速ADC中使用半閃速（half-flash）轉(zhuǎn)換技術(shù)能在1.8 μs的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)獲得8位結(jié)果，其數(shù)字抽樣率可達(dá)400 Ksps。MAX152CPP可工作于3.0～3.6 V之間，轉(zhuǎn)換時間隨電壓的升高而降低。MAX152CPP的微處理器可以無需任何外部接口邏輯的輸入/輸出端口，數(shù)據(jù)輸出使用鎖存的3態(tài)緩沖電路，可直接傳輸至微處理器的數(shù)據(jù)總線或系統(tǒng)的輸入端口。這些特點極大地滿足了信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，MAX152CPP把放大電路處理后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送至單片機進(jìn)行下一步處理。

2.4 單片機控制單元設(shè)計

單片機控制單元主要由中央處理單元、顯示屏、鍵盤等組成。中央處理單元采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C52。片內(nèi)含有8 KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個I/O線，3個16位定時器/計數(shù)器，1個6向量兩極中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路[8]。AT89C52功能強大，可滿足較為復(fù)雜的控制需求。顯示屏采用美國平達(dá)系統(tǒng)公司的電致發(fā)光顯示屏（EL屏），堅固防撞擊，透光性強、溫度惰性好，在惡劣環(huán)境下仍能正常工作。顯示單元選擇6位8段的顯示模塊LCMO6XA。單片機與按鍵、光電警報器和液晶顯示器等的接口電路圖，見圖4。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號由P2端口輸入單片機，通過單片機的控制計算，所測量到的電磁輻射功率密度值將顯示在顯示屏上。按鍵S1用作歸零鍵，按鍵S2用作峰值保持鍵。按下S1鍵，會將測量到的數(shù)值歸零，屏幕顯示“----”，此時儀器處于自動校零（初始化）狀態(tài)，校零以后，便可以開始進(jìn)行測量。將儀器靠近被測點，按下S1鍵，測量儀實時顯示當(dāng)前所測值，繼續(xù)測量，若數(shù)據(jù)超過當(dāng)前值，數(shù)據(jù)顯示會自動更新；低于當(dāng)前值則輸出保持不變。如果測量值超過所選頻段的功率輻射最大閾值，單片機將驅(qū)動聲光報警電路，以二極管發(fā)光閃爍和蜂鳴器發(fā)聲來提醒輻射值超標(biāo)[9]。測量完畢后，按下S2鍵，液晶屏將保持顯示值，以便讀取數(shù)據(jù)。

圖4 單片機周邊接口電路圖

3 軟件設(shè)計

軟件編寫采用模塊化設(shè)計思想，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等功能，負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的各應(yīng)用程序模塊，并與系統(tǒng)的設(shè)備及時交換信息，實現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件資源的整體管理[10]。軟件主程序流程圖，見圖5。

圖5 軟件主程序流程圖

4 主要參數(shù)

研制的電磁計量檢定儀的主要參數(shù)：外型尺寸：23.5 cm×18 cm×5 cm（長×寬×高）；重量：1.5 kg；頻帶：100 kHz～3 GHz；溫度：-10～50 ℃；相對濕度：＜90%；輻照量程：0～40 W/m2；測量精度：±0.5%。

5 討論

基于AT89C52單片機的電磁計量檢定儀具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、測量精度高、功耗低、可移動性強等特點。實踐表明，電磁計量檢定儀樣機性能均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計要求，能夠在野戰(zhàn)條件下對不同頻段的電磁輻射進(jìn)行快速檢測。

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Development of A Portable Electromagnetism Measurement Instrument for Field Operations

JIANG Yu-zhu, ZHANG Wei, JING Sai, YIN Xiao-feng, ZHANG Gu-min, ZHANG Ke
Institute for Drug and Instrument Control, Jinan Military Area Command, Jinan Shandong 250022, China

Based on the analysis of the mathematical modeling of electromagnetic radiation, this paper introduced the hardware, circuit and software design processes of a portable electromagnetism measurement instrument which was composed of antenna, sensor, fi lter network, control unit and so on. The fast and accurate detection of radiation dose of electromagnetism in different frequency bands can be implemented with the application of the electromagnetism measurement instrument which was suitable for the on-site test of electromagnetic radiation for fi eld operations.

electromagnetic radiation; electromagnetism measurement instrument; single-chip microcomputer; analog-digital conversion

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.008

1674-1633(2014)07-0026-03

2014-02-24

本文作者：江玉柱，高級工程師。

作者郵箱：jingsaifmmu@126．com