基于光纖傳輸?shù)娜S電磁場傳感器設(shè)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(xué)國防工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

雷電是一種強烈地放電現(xiàn)象，飛機飛行在強大電荷區(qū)時會為閃電提供放電路徑，導(dǎo)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(chǎn)生干擾或損害的現(xiàn)象稱為雷電間接效應(yīng)[1]。為了研究雷電產(chǎn)生的強電磁環(huán)境下飛機內(nèi)部關(guān)鍵位置的電場與磁場分布情況，近幾年，國內(nèi)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?shù)娜S電場和磁場傳感器的設(shè)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(yīng)的標定系數(shù)。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(yīng)整機試驗研究提供了依據(jù)。

1 基于光纖傳輸?shù)娜S電場磁場傳感器的設(shè)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(yīng)研究提供依據(jù)，設(shè)計了三維電場、磁場傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路兩大部分。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

本傳感器應(yīng)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(shù)的提高[3，4]，使得光纖通信在中短距離的高速通信領(lǐng)域日益展現(xiàn)出其獨特魅力。在信號傳輸?shù)倪^程中，設(shè)計將用于驅(qū)動光纖傳輸?shù)墓獍l(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(chǎn)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(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換。

1.1 三維電場傳感器的設(shè)計

1.1.1 三維電場傳感器的外部結(jié)構(gòu)

三維電場傳感器外殼為一個邊長為10 cm的正方體結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金。安裝在傳感器上的六根天線作為感應(yīng)電極構(gòu)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(jié)構(gòu)間的電氣隔離。該種結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了傳感器的電磁屏蔽性能，降低了外界環(huán)境對內(nèi)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(nèi)部電路

三維電場傳感器的內(nèi)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(zhuǎn)化為電信號輸入到后續(xù)電路。由于前端電路轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)的直接耦合放大電路，電路可靈活地實現(xiàn)輸入輸出信號之間的各種特定函數(shù)關(guān)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?；诖?，放大器的基礎(chǔ)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(shè)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(guān)系如式（1），與圖4中的仿真結(jié)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?qū)ι霞壿斎胄盘栠M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(guān)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(yīng)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(jié)果，使傳感器放大部分工作在通頻帶內(nèi)，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(nèi)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(yīng)會隨著頻率的增加而降低，并產(chǎn)生相移。由于雷電產(chǎn)生的能量主要集中在10 kHz以內(nèi)，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(yīng)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(shè)計

1.2.1 三維GMR磁場傳感器的外部結(jié)構(gòu)

法國費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)象，并將其命名為巨磁阻效應(yīng)[7-9]。利用這種效應(yīng)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(yīng)探頭旋于傳感器上以完成三維磁場測量。感應(yīng)探頭上的芯片采用兩個貼片式GMR芯片（VA100F3）用于感應(yīng)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(yīng)垂直方向上的磁場，三個芯片的敏感軸相互正交構(gòu)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(nèi)部電路

三維GMR磁場傳感器的放大調(diào)理電路設(shè)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(shè)計為兩級結(jié)構(gòu)：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(diào)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(chǎn)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(guān)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(yīng)，且波形完整穩(wěn)定，說明電路能夠有效地放大、調(diào)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(yīng)用時要求fH在10 MHz以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖8 放大電路輸入輸出關(guān)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(zhuǎn)換關(guān)系為傳感器系數(shù)，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(shù)不完全相同，需要通過專用設(shè)備進行實際試驗來確定，以保證測量結(jié)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(yīng)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(jié)果與標準電磁場之間的關(guān)系對傳感器進行系數(shù)標定。應(yīng)用傳感器時，只需將三軸的標定系數(shù)分別與測量結(jié)果相乘即可得到實際軸向的電場強度。

本傳感器應(yīng)用于測量雷擊時某位置處的電磁場，為飛機雷電防護的設(shè)計提供依據(jù)，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(jié)果的最大值與標準電磁場最大值進行系數(shù)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(yīng)測試，故選用A波形沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)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(jù)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(shè)備，用于產(chǎn)生標準場環(huán)境，內(nèi)部電場垂直于芯板分布，內(nèi)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(chǎn)生脈沖電流作用于TEM小室產(chǎn)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(jié)果轉(zhuǎn)化為光信號通過光纜傳輸?shù)焦饨邮諜C，轉(zhuǎn)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(chǎn)生的脈沖電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號顯示在示波器的1通道。將測量數(shù)據(jù)代入式（3）、（4）中計算出三維GMR電場傳感器的標定系數(shù)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(shù)，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(yīng)傳感器X、Y、Z軸的測量數(shù)據(jù)。

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(jié)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(yīng)用于后續(xù)雷電間接效應(yīng)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(jù)上述試驗方法對這4組搭配進行了大量的試驗測量，結(jié)果如下表1-4.為了提高測量的精度，數(shù)據(jù)保留了到小數(shù)點后第4位。

表1為配置8 cm天線的電場傳感器1標定結(jié)果，對同軸（x值相同）方向的標定系數(shù)取平均值，可將 X、Y、Z 軸的標定系數(shù)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(jié)果由于模擬電路中元器件參數(shù)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(shù)據(jù)

表2為配置15 cm天線的電場傳感器1標定結(jié)果，計算得X、Y、Z軸的平均標定系數(shù)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(yīng)天線長度的增加標定系數(shù)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(jié)果，計算可得X、Y、Z軸的平均標定系數(shù)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(shù)據(jù)

表3 配置8cm天線的電場傳感器2標定數(shù)據(jù)

表4 配置15cm天線的電場傳感器2標定數(shù)據(jù)

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(jù)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(shù)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(chǎn)生的沖擊電流作用于多匝磁環(huán)以產(chǎn)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(yīng)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(yīng)路光纜，將光信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)三維GMR磁場傳感器來變換前端探頭角度，使三個感應(yīng)芯片的敏感軸分別平行于磁場方向進行測量。根據(jù)標準電磁場法進行試驗，將測量結(jié)果代入式（5）-（7）中計算出標定系數(shù)。

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(shù)，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(shù)，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(yīng)的傳感器X、Y、Z軸。

2.2.2 三維GMR磁場傳感器的標定結(jié)果

為了保證傳感器的實際應(yīng)用，設(shè)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(yīng)探頭。利用上述方法分別對配置感應(yīng)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(jié)果如下表5-7.將標定系數(shù)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(shù)平均值。

表5 傳感器1標定數(shù)據(jù)

表6 傳感器2標定數(shù)據(jù)

表7 傳感器3標定數(shù)據(jù)

表8 標定系數(shù)平均值

3 結(jié)束語

本文詳細介紹了基于光纖傳輸?shù)娜S電場傳感器、三維GMR磁場傳感器的設(shè)計與試驗標定，得到了如下結(jié)論：

（1）為了適應(yīng)雷電強電磁干擾的工作環(huán)境，設(shè)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?shù)姆€(wěn)定性以及測量結(jié)果的準確性。

（2）為了滿足傳感器的設(shè)計要求，通過Multisim仿真軟件對傳感器電路中的關(guān)鍵部分進行了時域和頻域分析，結(jié)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(jù)標準電磁場法，利用TEM小室、多匝磁環(huán)等設(shè)備，對配置不同長度天線的三維電場傳感器、配置一個感應(yīng)探頭的三個三維GMR磁場傳感器進行了標定系統(tǒng)的設(shè)計，并完成了大量的系數(shù)標定試驗，得到了相應(yīng)的傳感器標定系數(shù)，為后續(xù)應(yīng)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(yīng)的重要手段。