一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出的是一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法，宽带电磁传感器动态范围自动标定装置的结构包括脉冲发生器，横电磁波室，峰值检测电路；所述脉冲发生器的信号输出端与横电磁波室的首端连接，横电磁波室内用于放置被试的宽带电磁传感器，峰值检测电路的信号输入端与被试的宽带电磁传感器的信号输出端连接。一种利用宽带电磁传感器动态范围自动标定装置进行动态范围自动标定的方法，该方法通过传递系数k随场强的变化曲线测得传递系数动态范围；通过闭环控制获得被试的宽带电磁传感器的工作特性曲线。本发明专利技术解决了现有装置成本高、测试步骤复杂，测试效率低、测量时间长的问题。量时间长的问题。量时间长的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法


[0001]本专利技术涉及一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法，属于电磁传感技术与宽频带电磁测量领域。

技术介绍

[0002]瞬态电磁骚扰来源于静电放电、雷击以及电力系统中的各类暂态开关操作，可以以电磁波的形式在空间中传播，并常通过天线、孔缝和介质窗口等途径耦合进入电子系统内部，严重威胁其正常工作与设备自身安全；为了准确测量空间中的瞬态电磁环境，需要发展工作频带宽、量程大的电磁传感技术；对于从低频段或直流段起的宽带传感器，基于电磁和磁场天线以及相应的信号处理单元上限截止频率已经高达百MHz量级或以上，而基于电磁致光或者其他物理量的间接测量手段也不断涌现，截止频率从几十MHz到数GHz不等；如何准确标定各类宽带电磁传感器的频率宽度、灵敏度、分辨率，特别是工作动态范围，是准确测量空间电磁骚扰、保障重要基础设施安全可靠运行的重要手段。
[0003]目前，对于宽带电磁传感器，主要采用的是频域扫描法，如TEM室标准场法的校准频段为10kHz～200MHz，GTEM室标准场法的校准频段为200MHz～1GHz，微波暗室标准场法的校准频段为1GHz～40GHz；但由于动态范围涉及到传感器的非线性特性，无法利用傅里叶变换从频域进行处理，通常利用时域脉冲信号进行时域标定；这种方法的思路是用标准的瞬态电磁脉冲波形，如矩形波脉冲或指数波脉冲激励传感器，测量传感器的响应，再通过输入输出间的关系计算传感器的传递系数；通过改变脉冲激励的幅值，绘制传递系数的变化曲线，截取线性段作为宽带电磁传感器的工作动态范围；这种方法需要人工多次测量传感器的输入输出，绘制散点图，并凭经验选取步进值，选取线性工作段，测试步骤复杂，测试效率低；此外，由于需要进行脉冲信号的准确测量，需要配置有高采样率和宽模拟带宽的信号采集设备，如高速数字示波器等，平台建设的成本很高，且需要培训专业的人员进行操作。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出的是一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置及标定方法，其目的旨在解决现有标定方法和装置在选取线性工作段时无法实现宽带电磁传感器动态范围自动标定的问题。
[0005]本专利技术的技术解决方案：一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构包括脉冲发生器，横电磁波室，峰值检测电路；所述脉冲发生器的信号输出端与横电磁波室的首端连接，横电磁波室内用于放置被试的宽带电磁传感器，峰值检测电路的信号输入端与被试的宽带电磁传感器的信号输出端连接。
[0006]进一步地，一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其结构还包括直流电源和采样、分析和控制单元；直流电源的电输出端与脉冲发生器的电输入端连接；采样、分析和控制单元的信号输入端与峰值检测电路的信号输出端连接；所述横电磁波室设置有匹配负载；匹配负载设置在横电磁波室的末端。
[0007]进一步地，所述脉冲发生器用于产生可调脉冲电压波。
[0008]进一步地，所述脉冲发生器包括储能电容、开关器件、负载电阻，由外部的直流电源对储能电容供电，开关器件为气体火花间隙开关或半导体开关器件；工作时，脉冲发生器产生脉冲上升时间固定、峰值可调的可调脉冲电压波；所述可调脉冲电压波的幅值通过直流电源对储能电容上的充电电压进行控制。
[0009]进一步地，所述开关器件选择三电极火花间隙开关或相应的功率MOSFET可控半导体开关，在开关器件的触发极输入控制信号触发开关器件闭合，将储能电容上存储的电荷向负载电阻释放，产生可调脉冲电压波。
[0010]进一步地，所述可调脉冲电压波的波形通过公式(1)进行描述：
[0011][0012]其中，u
R
(t)是负载电阻R上的输出电压，U0是储能电容上的充电电压，C1和L分别是脉冲发生器的储能电容和回路电感；当直流电源的电压U0确定时，可调脉冲电压波的峰值时刻如公式(2)所示：
[0013][0014]故可调脉冲电压波的峰值电压即为U
peak
＝u
R
(t
peak
)。
[0015]进一步地，所述横电磁波室内的电场E(t)和磁场H(t)均匀分布，具体如公式(3)和公式(4)：
[0016][0017][0018]其中，h是横电磁波室的高度，Z是横电磁波室的特征阻抗；
[0019]所述横电磁波室内的峰值电场E
peak
和峰值磁场H
peak
分别为：
[0020][0021][0022]进一步地，所述峰值检测电路包括宽带前置放大器，隔离二极管，信号保持电容，缓冲器；宽带前置放大器的输出端与隔离二极管的输入端连接，隔离二极管的输出端分别与信号保持电容和缓冲器的输入端连接，隔离二极管的输出端通过信号保持电容接地；工作时，从峰值检测电路数字采样得到的时间序列看作一个阶跃信号，以高电平或者上升边缘作为触发判据，记录触发时刻的第一个采样点作为峰值的估计值，数字采样获得的电压记为U
meas
；U
meas
与可调脉冲电压波的峰值U
peak
进行比对，即可得到被试的宽带电磁传感器的
传递系数k，具体如公式(7)所示：
[0023][0024]工作时，控制脉冲发生器的充电电压U0就能够改变所述宽带电磁传感器动态范围自动标定装置输出的场强，进而获得传递系数k随场强的变化曲线；对传递系数k随场强的变化曲线作最小二乘线性拟合，通过公式(8)得到线性部分的比例系数b：
[0025][0026]其中，U
i
和k
i
分别是n次测量结果中的第i次可调脉冲电压波的峰值电压与传递系数，和分别是n次的平均值。
[0027]进一步地，所述动态范围的自动标定是通过对工作特性曲线进行最小二乘线性拟合和残差计算获得的，用线性拟合的结果bU
peak
与实测的传递系数k求残差，则只要给定非线性度α，即可获得单边线性工作区间的线性动态范围0到具体如公式(9)：
[0028][0029]一种利用宽带电磁传感器动态范围自动标定装置进行动态范围自动标定的方法，该方法具体包括：
[0030]1)将被试的宽带电磁传感器放置于横电磁波室内；
[0031]2)利用脉冲发生器产生峰值电压U
peak
已知的可调脉冲电压波；
[0032]3)可调脉冲电压波通过横电磁波室时，产生瞬态脉冲电磁场并作用在被试的宽带电磁传感器上，利用公式(5)和公式(6)获得施加在被试的宽带电磁传感器上的峰值电场场强E
peak
和峰值磁场H
peak
；
[0033]4)被试的宽带电磁传感器的输出经过峰值检测电路后，输出信号的脉冲幅值被维持在信号保持电容C2中，并通过数字采样被记录；通过合理选择隔离二极管D和信号保持电容C2，增加缓冲器B的入端阻抗，就能够延长峰值保持的时间，以远低于奈奎斯特采样频率的低速采样系统采集宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是包括脉冲发生器，横电磁波室，峰值检测电路；所述脉冲发生器的信号输出端与横电磁波室的首端连接，横电磁波室内用于放置被试的宽带电磁传感器，峰值检测电路的信号输入端与被试的宽带电磁传感器的信号输出端连接。2.根据权利要求1所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是还包括直流电源和采样、分析和控制单元；直流电源的电输出端与脉冲发生器的电输入端连接；采样、分析和控制单元的信号输入端与峰值检测电路的信号输出端连接；所述横电磁波室设置有匹配负载；匹配负载设置在横电磁波室的末端。3.根据权利要求1所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是所述脉冲发生器用于产生可调脉冲电压波。4.根据权利要求1所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是所述脉冲发生器包括储能电容、开关器件、负载电阻，由外部的直流电源对储能电容供电，开关器件为气体火花间隙开关或半导体开关器件；工作时，脉冲发生器产生脉冲上升时间固定、峰值可调的可调脉冲电压波；所述脉冲电压波的幅值通过直流电源对储能电容上的充电电压进行控制。5.根据权利要求4所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是所述开关器件选择三电极火花间隙开关或相应的功率MOSFET可控半导体开关，在开关器件的触发极输入控制信号触发开关器件闭合，将储能电容上存储的电荷向负载电阻释放，产生可调脉冲电压波。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是所述可调脉冲电压波的波形通过公式(1)进行描述：其中，u
R
(t)是负载电阻R上的输出电压，U0是储能电容上的充电电压，C1和L分别是脉冲发生器的储能电容和回路电感；当直流电源的电压U0确定时，可调脉冲电压波的峰值时刻如公式(2)所示：故可调脉冲电压波的峰值电压即为U
peak
＝u
R
(t
peak
)。7.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是所述横电磁波室内的电场E(t)和磁场H(t)均匀分布，具体如公式(3)和公式(4)：特征是所述横电磁波室内的电场E(t)和磁场H(t)均匀分布，具体如公式(3)和公式(4)：
其中，h是横电磁波室的高度，Z是横电磁波室的特征阻抗；所述横电磁波室内的峰值电场E
peak
和峰值磁场H
peak
分别为：分别为：8.根据权利要求7所述的一种宽带电磁传感器动态范围自动标定装置，其特征是所述峰值检测电路包括宽带前置放大器，隔离二极管，信号保持电容，缓冲器；宽带前置放大器的输出端与隔离二极管的输入端连接，隔离二极管的输出端分别与信号保持电容和缓冲器的输入端连接，隔离二极管的输出端通过信号保持电容接地；工作时，从峰值检测电路数字采样得到的时间序列看作一个阶跃信号，以高电平或者上升边缘作为触发判据，记录触发时刻的第一个采样点作为峰值的估计值，数字采样获得的电压记为U
meas
；U
meas
与可调脉冲电压波的峰值U
peak
进行比对，即可得到被试的宽带电磁传感器的传递系数k，具体如公式(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱冬，刘刚，张圆明，韩少华，戴成弟，石聪聪，陈晨，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司，
类型：发明
国别省市：