基于光纖傳輸的三維電磁場傳感器設計與試驗標定

王淑敏，陳曉寧，張海濤，黃立洋，林 楚

（中國人民解放軍陸軍工程大學國防工程學院，江蘇 南京210007）

雷電是一種強烈地放電現象，飛機飛行在強大電荷區(qū)時會為閃電提供放電路徑，導致雷擊飛機事故的發(fā)生。雷擊帶來的強瞬態(tài)電磁場環(huán)境對飛機航電系統(tǒng)產生干擾或損害的現象稱為雷電間接效應[1]。為了研究雷電產生的強電磁環(huán)境下飛機內部關鍵位置的電場與磁場分布情況，近幾年，國內外先后研制出各類電磁場傳感器，但大多都是一維或二維的探測器，即探測方向一般與傳感器主軸方向垂直或平行[2]。本文首先介紹了基于光纖傳輸的三維電場和磁場傳感器的設計，然后分析制定了標定試驗的方案，最后搭建了傳感器的標定系統(tǒng)并進行了大量的試驗，得到了相應的標定系數。由于測量環(huán)境存在強電磁干擾，因此利用光纖通信等方法保證了測量精度與準確性，對后續(xù)利用此種傳感器進行飛機雷電間接效應整機試驗研究提供了依據。

1 基于光纖傳輸的三維電場磁場傳感器的設計

為了進行雷擊環(huán)境下的電場磁場環(huán)境測量，為雷電間接效應研究提供依據，設計了三維電場、磁場傳感器，結構如圖1所示，主要包括外部結構和內部電路兩大部分。

圖1 傳感器結構

本傳感器應用于強電磁場干擾環(huán)境，為使測量信號能夠準確、穩(wěn)定地輸送，本試驗采用光纖通信的方式進行可靠的信號傳輸。激光受電磁波干擾小、帶寬大、保密性好等優(yōu)點以及光通信器件制造技術的提高[3，4]，使得光纖通信在中短距離的高速通信領域日益展現出其獨特魅力。在信號傳輸的過程中，設計將用于驅動光纖傳輸的光發(fā)射機電路集于傳感器主電路中，光纖發(fā)射器采用AvagoTechnologies公司生產的一款高耦合效率、高功率、高穩(wěn)定性的HFBR-1414[5]，并利用光接收機實現信號的光電轉換。

1.1 三維電場傳感器的設計

1.1.1 三維電場傳感器的外部結構

三維電場傳感器外殼為一個邊長為10 cm的正方體結構，材料為鋁合金。安裝在傳感器上的六根天線作為感應電極構成了三個相互正交的X、Y、Z軸，以進行電場的三維測量，另外在金屬天線與金屬殼體間放置絕緣墊以保證兩結構間的電氣隔離。該種結構設計提高了傳感器的電磁屏蔽性能，降低了外界環(huán)境對內部電路的干擾，能更加準確地測量待測點的電場波形。三維電場傳感器實物如圖2所示。

圖2 三維電場傳感器

1.1.2 三維電場傳感器的內部電路

三維電場傳感器的內部電路主要有信號采集電路、信號處理電路、光發(fā)射機電路和供電電路。信號采集電路作為前端電路，用以將金屬棒天線采集的電場信號轉化為電信號輸入到后續(xù)電路。由于前端電路轉化的電信號非常微弱，因此需要信號處理電路具有較好的放大性能。光發(fā)射機電路用以對輸入的電信號進行放大和電光轉換。為提升傳感器性能，做了以下分析。

集成運算放大器是一種具有高放大倍數的直接耦合放大電路，電路可靈活地實現輸入輸出信號之間的各種特定函數關系[6]。由于需要在強電磁干擾下進行實時測量，因此采用差分信號輸入方式，較單線輸入方式來說有抗干擾能力強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。基于此，放大器的基礎電路采用同相差分放大器。另外，為使電路盡量處于平衡狀態(tài)以提高共模抑制比，本文設計集成運放同相和反相輸入端都接1 kΩ電阻。采用LMH6622MA運算放大器，帶寬為160 MHz，低噪聲。利用Multisim仿真工具搭建本傳感器的信號處理電路如圖3所示。利用“虛短”和“虛斷”方法對該電壓串聯(lián)負反饋放大電路進行分析，求得vo（輸出電壓）與vin（輸入電壓）的關系如式（1），與圖4中的仿真結果一致并且波形完整，說明了三極管很好的工作在放大區(qū)，放大電路能夠對上級輸入信號進行有效地放大，圖中幅值大的為輸出信號曲線。

圖3 放大電路

圖4 放大電路輸入輸出關系

集成運算放大器以及外圍電路存在大量的電容，電容電抗會隨信號的頻率變化而變化，使放大電路對應不同頻率的信號有著不同的放大特性。為了得到理想的放大結果，使傳感器放大部分工作在通頻帶內，對放大電路進行頻域仿真，如圖5.分析可知上限截止頻率fH為118.712 MHz，在頻率處于大于上限截止頻率的高頻區(qū)時，三極管內的極間電容和電路中的分布電容不能再視為對交流信號開路，幅頻響應會隨著頻率的增加而降低，并產生相移。由于雷電產生的能量主要集中在10 kHz以內，且傳感器使用金屬殼進行了電磁屏蔽，因此滿足頻域方面的應用要求。

圖5 放大電路的頻率特性

1.2 三維GMR磁場傳感器的設計

1.2.1 三維GMR磁場傳感器的外部結構

法國費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現了非常弱小的磁性變化就能引起某種磁性材料發(fā)生顯著的電阻變化的現象，并將其命名為巨磁阻效應[7-9]。利用這種效應制成的傳感器具有體積小、精度高，并且能夠直接測得某位置的磁場值的優(yōu)點。將感應探頭旋于傳感器上以完成三維磁場測量。感應探頭上的芯片采用兩個貼片式GMR芯片（VA100F3）用于感應水平方向上的磁場，一個直插式高靈敏度GMR芯片（VA100F2）用于感應垂直方向上的磁場，三個芯片的敏感軸相互正交構成空間坐標系以降低極間耦合。三維GMR磁場傳感器的實物圖如圖6所示。

圖6 三維GMR磁場傳感器

1.2.2 三維GMR磁場傳感器的內部電路

三維GMR磁場傳感器的放大調理電路設計思路同上述三維電場傳感器，但由于該電路前端信號源的阻抗較大，所以考慮增加一級信號處理電路，設計為兩級結構：第一級為電壓跟隨器，起著緩沖、隔離以及提高帶載能力的作用；第二級為同相差分比例運算電路，起著放大、調理的作用。在Multisim中搭建放大部分電路如圖7所示。兩級中的集成運放都使用CMOS高阻運放OPA211，其單位增益帶寬為80 MHz、輸入噪聲為1.1 nV/（Hz）1/2。

圖7 放大電路

在Multisim中對電路進行仿真測試。將兩個大小相等、相位差為180°的差分信號輸入第一級電路，產生與該輸入信號相等的輸出信號，作為第二級電路的差分輸入信號，分析計算可得整個電路的輸入vin和輸出vo關系如式（2）。電路時域仿真如圖8，圖中幅值大的為輸出信號曲線，拖動游標T2至9.625 ms處，可知輸入信號的瞬時值為99.337 mV，輸出信號的瞬時值為3.498 V，與式（2）相對應，且波形完整穩(wěn)定，說明電路能夠有效地放大、調理輸入信號。另外，分析電路頻域特性如圖9，上限截止頻率fH為13.354 MHz，應用時要求fH在10 MHz以內，滿足設計要求。

圖8 放大電路輸入輸出關系

圖9 放大電路的頻率特性

2 三維電場磁場傳感器的試驗標定

傳感器輸入信號與輸出信號的轉換關系為傳感器系數，可以通過理論計算得出，但由于器件中模擬電路的元器件參數不完全相同，需要通過專用設備進行實際試驗來確定，以保證測量結果的準確性，這個過程稱為標定。在標定試驗中，標準天線法和標準電磁場法[10]都能夠建立標準場，鑒于本傳感器的應用環(huán)境，試驗采用標準電磁場法。該方法即將一種已知的電磁場作為標準電磁場，然后用傳感器對其進行測量，按照測量結果與標準電磁場之間的關系對傳感器進行系數標定。應用傳感器時，只需將三軸的標定系數分別與測量結果相乘即可得到實際軸向的電場強度。

本傳感器應用于測量雷擊時某位置處的電磁場，為飛機雷電防護的設計提供依據，相較于信號的波形信息來說更需要的是信號的最大值信息，故在同樣的標定系統(tǒng)中只需選取測量結果的最大值與標準電磁場最大值進行系數標定即可。另外，標準的雷電環(huán)境[11]由獨立的電壓波形和電流波形組成，這些波形代表了自然雷電的重要特征，其中，雷電流A波最常用于飛機雷電間接效應測試，故選用A波形沖擊電流發(fā)生器產生脈沖源。

2.1 三維電場傳感器的試驗標定

2.1.1 三維電場傳感器的標定系統(tǒng)

根據標準[12，13]搭建三維電場傳感器的標定系統(tǒng)，主要包括：A波形沖擊電流發(fā)生器（SJTU-ICG-A1.5）、TEM小室、匹配阻抗（50 Ω）、光纜、多通道光接收機（NPS02-CH/OA）、同軸電纜、四通道示波器、高壓探頭（100X）。TEM小室是一種常用的標定設備，用于產生標準場環(huán)境，內部電場垂直于芯板分布，內部磁場環(huán)繞著芯板分布。小室的金屬外殼有利于屏蔽外部的噪聲干擾，提高標定的準確性。

標定試驗場景如圖10所示，脈沖電流發(fā)生裝置產生脈沖電流作用于TEM小室產生標準電場，置于TEM小室下半空間均勻電場位置處的電場傳感器對該場進行三維測量，并將測量結果轉化為光信號通過光纜傳輸到光接收機，轉化后的三路電信號分別顯示在示波器的2、3、4通道。另外，將高壓探頭與TEM小室連接，再通過20 dB衰減器將沖擊電流發(fā)生器產生的脈沖電流信號轉化為電壓信號顯示在示波器的1通道。將測量數據代入式（3）、（4）中計算出三維GMR電場傳感器的標定系數KE.

式中，U1為示波器1通道波形的電壓峰值，Estd為TEM小室中測量位置處的電場強度峰值，d為小室下半空間高度0.5 m，KE為傳感器的標定系數，Ux為示波器2、3、4通道波形的電壓峰值，其中x的值2、3、4分別對應傳感器X、Y、Z軸的測量數據。

圖10 三維電場傳感器標定系統(tǒng)

2.1.2 三維電場傳感器的標定結果

不同長度的天線適用于不同頻率的工作環(huán)境，為保證三維電場傳感器更好地應用于后續(xù)雷電間接效應測量，分別制作了8 cm和15 cm天線，可配于電場傳感器1、電場傳感器2上。根據上述試驗方法對這4組搭配進行了大量的試驗測量，結果如下表1-4.為了提高測量的精度，數據保留了到小數點后第4位。

表1為配置8 cm天線的電場傳感器1標定結果，對同軸（x值相同）方向的標定系數取平均值，可將 X、Y、Z 軸的標定系數分別確定為 17.897 9（m-1）、12.441 2（m-1）、11.032 5（m-1）.另外，由表可知傳感器三個軸的標定結果由于模擬電路中元器件參數不完全相同確實存在一定的差異。

表1 配置8 cm天線的傳感器1標定數據

表2為配置15 cm天線的電場傳感器1標定結果，計算得X、Y、Z軸的平均標定系數分別確定為6.803 8（m-1）、6.376 3（m-1）、4.949 7（m-1），對比表 1可知隨著感應天線長度的增加標定系數減小。表3和表4分別為配置8 cm天線和15 cm天線的電場傳感器2標定結果，計算可得X、Y、Z軸的平均標定系數分別為 11.458 2（m-1）、18.290 6（m-1）、16.362 3（m-1）和 4.624 2（m-1）、9.656 7（m-1）、7.470 2（m-1）.

表2 配置15cm天線的傳感器1標定數據

表3 配置8cm天線的電場傳感器2標定數據

表4 配置15cm天線的電場傳感器2標定數據

2.2 三維GMR磁場傳感器的試驗標定

2.2.1 三維GMR磁場傳感器的標定系統(tǒng)

根據標準[12，13]搭建三維GMR磁場傳感器標定系統(tǒng)，主要包括：A波形沖擊電流發(fā)生器（SJTU-ICG-A1.5）、羅氏線圈（系數為 293）、衰減器、多匝磁環(huán)（半徑為1 m）、光纜、光接收機、同軸電纜、屏蔽柜。

利用電流發(fā)生器產生的沖擊電流作用于多匝磁環(huán)以產生標準磁場環(huán)境，使用羅式線圈測量并通過20 dB衰減器連接在示波器的1通道。如圖11所示，將配置有磁場感應探頭的傳感器置于多匝磁環(huán)的圓心位置，并將傳感器中光發(fā)射機的三路信號發(fā)射端分別連接三路光纜，傳輸X、Y、Z軸三個方向的光信號，光接收機連接對應路光纜，將光信號轉化為電信號顯示在示波器的2、3、4通道上。另外，考慮到多匝磁環(huán)在其圓心位置處的磁場方向，試驗時需要旋轉三維GMR磁場傳感器來變換前端探頭角度，使三個感應芯片的敏感軸分別平行于磁場方向進行測量。根據標準電磁場法進行試驗，將測量結果代入式（5）-（7）中計算出標定系數。

圖11 三維GMR磁場傳感器標定系統(tǒng)

式中，Kr為羅式線圈系數，U1為示波器1通道電壓波形的峰值，I為輸入的電流峰值，r為多匝磁環(huán)半徑，Hstd為磁場的理論計算峰值，KH為標定系數，Ux為示波器 2、3、4 通道電壓波形的峰值，x 的值 2、3、4分別對應的傳感器X、Y、Z軸。

2.2.2 三維GMR磁場傳感器的標定結果

為了保證傳感器的實際應用，設計制作了三個磁場傳感器（編號為1、2、3）和一個三維磁場感應探頭。利用上述方法分別對配置感應探頭的三個傳感器進行了大量的標定試驗，綜合上述理論計算方法，標定結果如下表5-7.將標定系數KH取平均列于表8，表中KH1、KH2、KH3分別表示三維GMR磁場傳感器1、2、3 的標定系數平均值。

表5 傳感器1標定數據

表6 傳感器2標定數據

表7 傳感器3標定數據

表8 標定系數平均值

3 結束語

本文詳細介紹了基于光纖傳輸的三維電場傳感器、三維GMR磁場傳感器的設計與試驗標定，得到了如下結論：

（1）為了適應雷電強電磁干擾的工作環(huán)境，設計使用了光纖傳輸、差分信號輸入、傳感器金屬外殼屏蔽等方式，有效地保證了信號傳輸的穩(wěn)定性以及測量結果的準確性。

（2）為了滿足傳感器的設計要求，通過Multisim仿真軟件對傳感器電路中的關鍵部分進行了時域和頻域分析，結果說明了本傳感器的電路能夠在雷擊電磁環(huán)境下穩(wěn)定地工作。

（3）依據標準電磁場法，利用TEM小室、多匝磁環(huán)等設備，對配置不同長度天線的三維電場傳感器、配置一個感應探頭的三個三維GMR磁場傳感器進行了標定系統(tǒng)的設計，并完成了大量的系數標定試驗，得到了相應的傳感器標定系數，為后續(xù)應用該傳感器進行實際待測點的電磁場測量提供了可靠保障，是研究飛機雷電間接效應的重要手段。