一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置及方法与流程

本发明涉及电气测量技术领域，并且更具体地，涉及一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置及方法。

背景技术：

雷击至输电线路、建筑等物体上时产生极高的电压，导致绝缘闪络或击穿的同时，还附带强大的冲击电流，将产生非常高的地电位抬升，严重危害设备和人身安全。

为了研究雷击电流对设备的影响，进而为设备耐受电流能力设计提供技术支撑，冲击电流试验设备在实验室模拟雷电流，防雷设备电器产品如避雷器、阀片以及大功率电阻等都需要进行冲击电流耐受试验。

目前测量冲击电流的传感器包括罗氏线圈和分流器，它们使用时需要串接进回路，很多试验设备没有串接的空间，因此非接触式的冲击电流测量方法即磁场传感器是冲击电流现场测量的研究方向。

目前的磁场测量传感器一般用于测量工频磁场(电流)，对于冲击电流的测量需要频带宽、响应特性好，宽频磁场传感器是一个很小的导体环形圈，由于被测磁场变化，该线圈内的磁通会产生变化，从而产生感应电动势，即该感应电压与通过线圈的磁通变化率成正比，然而现阶段还未有体积小、使用方便、灵敏系数大、抗干扰能力强的宽频磁场传感器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种体积小、使用方便、灵敏系数大和抗干扰能力强的冲击电力测量装置，提出了一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置，包括：

磁场传感探头、所述磁场传感探头接收被测目标磁场的磁感应强度，根据磁感应强度随时间的变化关系生成磁场微分信号；

有源积分模块、所述有源积分模块接收磁场微分信号，并将磁场微分信号转换为被测冲击电流信号；

数据采集模块、所述数据采集模块采集被测冲击电流信号，将被测冲击电流信号转换为数字信号，并将数字信号传输至光电转换模块；

光电转换模块、所述光电转换模块接收数字信号，将数字信号转换为光信号，并将光信号传输至主控制器；

主控制器，所述主控制器接收光信号，确定光信号绘制冲击电流变化曲线，根据冲击电流变化曲线确定被测目标冲击电流的时间参数及幅值参数，根据冲击电流的时间参数及幅值参数确定宽频磁场传感器的冲击电流。

可选的，装置，还包括：测量高频电缆；

所述测量高频电缆用于磁场传感探头与有源积分模块间磁场微分信号的传输。

可选的，磁场传感探头，包括：

线圈、所述线圈生成磁场微分信号，所述线圈包括：印刷电路板和两层预设匝数的阿基米德螺旋线，所述两层预设匝数的阿基米德螺旋线敷设在印刷电路板的两面；

输入端口及输出端口，所述输入端口及输出端口固定在印刷电路板中心区域的两面，所述输出端口为sma高频母座，用于连接测量高频电缆

金属屏蔽盒，所述金属屏蔽盒横向为绝缘材料，允许磁感线进入线圈，纵向为金属铜材料，屏蔽横向磁感线进入线圈。

可选的，阿基米德螺旋线的匝间间距不小于0.5mm且匝间间距均匀，阿基米德螺旋线匝间电容和对地电容小于10pf。

可选的，两层阿基米德螺旋线通过过孔串联。

可选的，阿基米德螺旋线匝数，根据测量目标磁场的灵敏度决定，测量灵敏度越大，匝数越多，测量灵敏度越小，匝数越少。

本发明还提出了一种用于测量冲击电流的方法，包括：

接收被测目标磁场的磁感应强度，根据磁感应强度随时间的变化关系生成磁场微分信号；

将磁场微分信号转换为被测冲击电流信号，将被测冲击电流信号转换为数字信号，将数字信号转换为光信号；

确定光信号绘制冲击电流变化曲线，根据冲击电流变化曲线确定被测目标冲击电流的时间参数及幅值参数，根据冲击电流的时间参数及幅值参数确定宽频磁场传感器的冲击电流。

可选的，被测目标磁场的磁感应强度使用光纤接收。

本发明提供的装置体积小，重量轻，测量频带宽，可以适用于各类瞬态磁场的测量，pcb电路板设计了特殊的双层阿基米德螺旋线串联结构，既保证了匝间电容和对地电容足够小，使得输出感应电压增加一倍，大幅提高线圈输出电压的灵敏系数；

本发明根据测量对象磁场强度的不同和所需灵敏度不同，灵活选择不同匝数的宽频磁场传感器，宽频磁场传感器外部采用金属屏蔽设计，提高了抗干扰能力，保证了磁场测量的准确性。

附图说明

图1为本发明一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置结构图；

图2为本发明一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置线圈三视图；

图3为本发明一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置线圈轴测图；

图4为本发明一种用于测量冲击电流的方法流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提供了一种用于测量冲击电流的宽频磁场传感器装置，如图1所示，包括：

磁场传感探头、所述磁场传感探头接收被测目标磁场的磁感应强度，根据磁感应强度随时间的变化关系生成磁场微分信号；

有源积分模块、所述有源积分模块接收磁场微分信号，并将磁场微分信号转换为被测冲击电流信号；

数据采集模块、所述数据采集模块采集被测冲击电流信号，将被测冲击电流信号转换为数字信号，并将数字信号传输至光电转换模块；

光电转换模块、所述光电转换模块接收数字信号，将数字信号转换为光信号，并将光信号传输至主控制器；

主控制器，所述主控制器接收光信号，确定光信号绘制冲击电流变化曲线，根据冲击电流变化曲线确定被测目标冲击电流的时间参数及幅值参数，根据冲击电流的时间参数及幅值参数确定宽频磁场传感器的冲击电流。

其中，测量高频电缆；

所述测量高频电缆用于磁场传感探头与有源积分模块间磁场微分信号的传输。

磁场传感探头，包括：

线圈、所述线圈生成磁场微分信号，所述线圈包括：印刷电路板和两层预设匝数的阿基米德螺旋线，所述两层预设匝数的阿基米德螺旋线敷设在印刷电路板的两面；

输入端口及输出端口，所述输入端口及输出端口固定在印刷电路板中心区域的两面，所述输出端口为sma高频母座，用于连接测量高频电缆

金属屏蔽盒，所述金属屏蔽盒横向为绝缘材料，允许磁感线进入线圈，纵向为金属铜材料，屏蔽横向磁感线进入线圈。

阿基米德螺旋线的匝间间距不小于0.5mm且匝间间距均匀，阿基米德螺旋线匝间电容和对地电容小于10pf。

两层阿基米德螺旋线通过过孔串联。

阿基米德螺旋线匝数，根据测量目标磁场的灵敏度决定，测量灵敏度越大，匝数越多，测量灵敏度越小，匝数越少。

本发明中线圈为印刷电路板(pcb)加工而成，pcb板设计保证线圈的同心度，并确保线圈间距均匀，从而保证输出电压信号的稳定性；

匝间电容和对地电容约，保证了线圈具有优良的高频响应特性；

双层阿基米德螺旋线串联结构在不增加杂散电容的同时，使得输出感应电压增加一倍，大幅提高线圈输出电压的灵敏系数。

金属屏蔽盒，提高抗干扰能力。

光电转换模块将电信号转换为光信号，并通过光纤传输至主控制器，消除了长连接电缆的折反射在波形上叠加高频振荡，保证信号不失真。

下面结合实施例对本发明进行进一步的说明：

本发明线圈三视图和轴测图如图2和图3所示，本发明中线圈的匝数取15匝，线宽10mil，线厚35um，匝间距为1mm，印刷电路板pcb板厚1.6mm，上下两层线圈通过孔串联。

使用时将磁场传感器固定于所需测量的磁场之中，并保持磁场传感器的感应面垂直于磁场方向，与导电杆的距离为10cm，当输出电流峰值为5.36ka，磁场探头输出感应电压峰值43.5v。

在磁场传感器的输出端口接入1m长高频测量电缆。

高频测量电缆末端连接有源积分回路，将微分信号转换为积分信号，使用数据采集单元进行信号采集，就地转换成数字信号，通过光电转换模块和光纤传输信号，最后使用冲击电流计算分析软件即主控制器计算波形参数，根据参数确定冲击电流。

本发明还提供了一种测量冲击电流的方法，如图4所示，包括：

接收被测目标磁场的磁感应强度，根据磁感应强度随时间的变化关系生成磁场微分信号；

将磁场微分信号转换为被测冲击电流信号，将被测冲击电流信号转换为数字信号，将数字信号转换为光信号；

确定光信号绘制冲击电流变化曲线，根据冲击电流变化曲线确定被测目标冲击电流的时间参数及幅值参数，根据冲击电流的时间参数及幅值参数确定宽频磁场传感器的冲击电流。

其中，被测目标磁场的磁感应强度使用光纤接收。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和直译式脚本语言javascript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。