磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)和校準(zhǔn)器

該項(xiàng)目將解釋如何開(kāi)發(fā)一種系統(tǒng)來(lái)測(cè)量大電流電力電纜頻率高達(dá)150 kHz的磁場(chǎng)發(fā)射，而不會(huì)切斷或干擾電纜。

磁場(chǎng) 幾乎無(wú)處不在。然而，在廣泛的強(qiáng)度和頻率范圍（20 Hz至150

kHz）上評(píng)估磁場(chǎng)強(qiáng)度的便捷方法并不廣泛可用。盡管存在這些限制，但仍有很多原因可能需要這些測(cè)量。一個(gè)例子是追蹤來(lái)自非屏蔽或屏蔽不良電纜的干擾。

在本項(xiàng)目中，我們將開(kāi)發(fā)一種方法來(lái)評(píng)估大電流電力電纜在高達(dá) 150 kHz 頻率下的磁場(chǎng)發(fā)射，而不會(huì)切斷或干擾電纜。

首先，我們需要兩個(gè)簡(jiǎn)單的模擬儀器：

帶場(chǎng)傳感器探頭的手持式磁場(chǎng)計(jì)

校準(zhǔn)參考驗(yàn)證器源，能夠產(chǎn)生高達(dá) 1000 A/m（安培/米）或 1.26 mT 的磁場(chǎng)強(qiáng)度

通常，高精度測(cè)量不太可能可行或有用。這是因?yàn)樵S多磁場(chǎng)強(qiáng)度，特別是在高頻下，即使在短時(shí)間和距離內(nèi)也會(huì)有很大差異。此外，重要的是要注意，驗(yàn)證器克服了儀器具有高固有精度的要求，但其穩(wěn)定性通常綽綽有余。

用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的手持式裝置

讓我們深入了解手持式磁場(chǎng)強(qiáng)度單元的開(kāi)發(fā)和組件。首先，讓我們看一下圖 1 中所示的儀表和驗(yàn)證器的框圖。

圖1. 磁場(chǎng)計(jì)和驗(yàn)證器的框圖。

請(qǐng)注意，測(cè)量?jī)x由單個(gè) 9 V 電池供電。從這里開(kāi)始，我們將分解不同的必要組件。

磁場(chǎng)探頭和前置放大器

探頭由一個(gè) 1.6 μH 電感器組成，該電感器長(zhǎng) 8 mm，直徑 7.5 mm。它纏繞在絕緣成型機(jī)上，大約有 22

圈。提供靜電屏蔽（銅箔的單個(gè)重疊絕緣匝）。關(guān)于頻率響應(yīng)，電感值并不重要，但物理尺寸會(huì)影響靈敏度。探頭連接到同軸電纜，靜電屏蔽層連接到電纜屏蔽層。

探頭是定向的，通常它的軸線垂直放置（假設(shè)是水平電纜）并感測(cè)磁場(chǎng)的垂直分量。盡管如此，用戶仍然可以水平設(shè)置它以測(cè)量水平分量。

總體而言，一個(gè)點(diǎn)處的總場(chǎng)強(qiáng)是垂直場(chǎng) Hv 的平方和水平場(chǎng)的兩個(gè)分量 Hx 和 Hy 之和的平方根。

Ht或t一個(gè)l=√H2在+H2x+H2和Htotal=Hv2+Hx2+Hy2

探頭和前置放大器的原理圖如圖2所示。

圖2. 探頭和前置放大器原理圖。

前置放大器與主放大器物理集成，并共享一個(gè)共同的接地。前置放大器的輸出X連接到主放大器原理圖的輸入X，如圖3所示。

圖3. 主放大器原理圖。

前置放大器由一個(gè)具有極低輸入阻抗的跨導(dǎo)放大器組成。該技術(shù)從互感源產(chǎn)生平坦的頻率響應(yīng)。但是，與20 Hz時(shí)1.6

μH的電抗相比，獲得足夠低的輸入阻抗是不切實(shí)際的。克服這個(gè)問(wèn)題的一種方法是通過(guò)對(duì)外部磁場(chǎng)不敏感的串聯(lián)1 mH環(huán)形電感器增加電感。線圈的電阻和增加的15

Ω電阻通過(guò)包括一個(gè)與1 kΩ反饋電阻串聯(lián)的電容進(jìn)行補(bǔ)償。

該電感器由約20匝的鐵氧體環(huán)形線圈組成，外徑9.6mm，內(nèi)徑4.7mm，厚度3.2mm。環(huán)形線圈的 Digi-Key 部件號(hào)為

240-2522-ND。市售的1 mH電感器是物理上較大的部件，設(shè)計(jì)用于承載大電流，不適合用于此用途。

主放大器

放大器只有一個(gè)小增益，包括兩個(gè)濾波器。驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載時(shí)，探頭、前置放大器和主放大器在探頭處提供1 mV的靈敏度，場(chǎng)強(qiáng)為1 A/m。SI 單位

A/m（安培/米）是一個(gè)“小”單位，而不是法拉，例如，法拉是一個(gè)“大”單位，所以我們通常使用電容是法拉非常小的一部分的零件。有多小？嗯，1 A/m

在空氣或真空中產(chǎn)生 1.26 μT（微特斯拉）的磁通量密度，而耳塞中的磁鐵產(chǎn)生大約 1 T。

在前面的圖3中，我們顯示了主放大器的原理圖。其中，第一級(jí)是三階低通濾波器，用于消除約200 kHz以上的噪聲。

低通濾波器后接一個(gè)三階高通濾波器，其-3dB頻率可通過(guò)開(kāi)關(guān)S1a、S1b和S1c在8 Hz和800 Hz之間切換。這些開(kāi)關(guān)可以使用單個(gè) 3 極 2

路（或開(kāi)關(guān)）開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3顯示，第二級(jí)中的開(kāi)關(guān)配置為從第二級(jí)濾波器產(chǎn)生8 Hz的-3 dB頻率。這種8

Hz響應(yīng)最適合在這種寬帶響應(yīng)模式下衰減閃爍噪聲。在這種配置中，全主放大器提供寬帶輸出，在低于20 Hz至100

kHz的范圍內(nèi)具有基本平坦的響應(yīng)，并具有高達(dá)150 kHz的有限下降，如圖4所示。由于其他耦合電容（C2、C7、C11、C18）的影響，全主放大器響應(yīng)的-3

dB頻率為11 Hz。

圖4. 主放大器頻率響應(yīng)顯示配置為8 Hz響應(yīng)的三階低通濾波器。

對(duì)于800 Hz高通響應(yīng)，1.5 kΩ電阻與R8、R9和R11并聯(lián)，以衰減低于2 kHz的工頻和諧波分量。采用800

Hz高通濾波器配置的主放大器頻率響應(yīng)如圖5所示。

圖5. 主放大器頻率響應(yīng)顯示配置為800 Hz響應(yīng)的三階高通濾波器。

這些濾波器看起來(lái)像薩倫-基等分量值三階巴特沃斯濾波器，但不完全是。對(duì)于真正的巴特沃茲響應(yīng)，第一無(wú)源部分后應(yīng)跟有緩沖器，以便第二部分從低阻抗饋電。但對(duì)于我們這個(gè)項(xiàng)目的目的，這是沒(méi)有必要的。

第二級(jí)高通濾波器的輸出施加于第三級(jí)低功耗放大器，后者提供的輸出將驅(qū)動(dòng)50 Ω（或更高）負(fù)載。

磁場(chǎng)強(qiáng)度驗(yàn)證器

產(chǎn)生大磁場(chǎng)強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)單方法是使用螺線管。場(chǎng)強(qiáng)和電感可以根據(jù)物理尺寸和電流精確計(jì)算。電感的測(cè)量值用于檢查計(jì)算出的場(chǎng)強(qiáng)。

電磁閥長(zhǎng) 50 毫米，直徑 16 毫米，轉(zhuǎn)數(shù)為 200

圈。它纏繞在紙板成型機(jī)上（如果被烙鐵接觸不會(huì)融化）。當(dāng)然，前者的孔需要足夠大以容納探頭。它可以在一端安裝一個(gè)粘合的唱機(jī)連接器（因此需要焊接），以便可以通過(guò)屏蔽電纜連接到驗(yàn)證器放大器。

驗(yàn)證器放大器是一款低功耗放大器，采用LM386，采用15 V電源供電。它配置為電流源輸出，可在 20 Hz 至 100 kHz

的任何頻率下產(chǎn)生基本恒定的電流，并限制降低至 150 kHz。

驗(yàn)證器原理圖如圖6所示。

圖6. 驗(yàn)證器和電磁閥的示意圖。

探頭和電磁閥如圖7所示。

圖7. 探頭和電磁閥。

驗(yàn)證器電流輸出的頻率響應(yīng)如圖8所示。當(dāng)然，螺線管中的磁場(chǎng)與電流嚴(yán)格成正比，因?yàn)榭諝饩哂泻愣ǖ拇艑?dǎo)率。

圖8. 驗(yàn)證器電流輸出的頻率響應(yīng)。

期望 LM386 音頻放大器在 150 kHz 和螺線管中產(chǎn)生 1000 A/m 時(shí)產(chǎn)生 250 mA 電流太過(guò)分了。它將產(chǎn)生高達(dá) 15 kHz 的

250 mA、高達(dá) 100 kHz 的 25 mA 和高達(dá) 150 kHz 的 12.5 mA。很少遇到高頻的強(qiáng)磁場(chǎng)。

由于高感負(fù)載，器件在產(chǎn)生 250 mA 電流時(shí)會(huì)變得非常熱。如果需要提供超過(guò)一兩分鐘的電流，則可以將散熱器粘在上面，這通常足夠長(zhǎng)以檢查校準(zhǔn)。

使用驗(yàn)證程序

將探頭線圈插入電磁閥中，大約位于中間點(diǎn)以使用驗(yàn)證器。將探頭移入和移出可顯示螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度的均勻程度;僅當(dāng)探頭接近終點(diǎn)時(shí)，它才會(huì)發(fā)生變化。

圖9顯示了從驗(yàn)證器到主放大器輸出的總體頻率響應(yīng)，主放大器處于寬帶（11 Hz至150 kHz）模式。

圖9. 在寬帶模式下工作時(shí)，從驗(yàn)證器輸入到主放大器輸出的整體頻率響應(yīng)。

磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)使用案例示例

考慮到所有這些，讓我們探索此磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)的一些示例用例。

電源變壓器的磁場(chǎng)泄漏

盡管市電變壓器正在被開(kāi)關(guān)模式技術(shù)所取代，但仍有數(shù)十億人在使用，出于某些目的，它們可以是首選。然而，它們確實(shí)會(huì)產(chǎn)生外部磁場(chǎng)，并且電流通常不是正弦的，因?yàn)樽儔浩鳛檎髌魈峁V波電容器。因此，該場(chǎng)包括功率頻率高達(dá)至少10

kHz的諧波分量。這可能會(huì)對(duì)附近的音頻電路造成嚴(yán)重的“尖峰嗡嗡聲”干擾。尖銳的嗡嗡聲不是低沉的咆哮：磁耦合過(guò)程夸大了諧波含量，其中感應(yīng)電壓與其頻率成正比。在帶有網(wǎng)格而不是底座或門(mén)的管子/閥門(mén)的時(shí)代，它曾經(jīng)被稱為“網(wǎng)格嗡嗡聲”。

單個(gè)直導(dǎo)體的磁場(chǎng)

磁場(chǎng)方向是圓形的，以導(dǎo)體為中心，其強(qiáng)度H由以下公式精確給出：

H=我2PrH=I2πr

哪里：

I = 電流（以安培為單位）

r = 測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)的半徑

扁平電纜（如 Romex）的磁場(chǎng)泄漏

在距離電纜一定距離處，與兩個(gè)載流導(dǎo)體的間距相比，來(lái)自相反電流的磁場(chǎng)幾乎抵消，但在靠近電纜附近，它們不會(huì)。可以精確計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)。圖10顯示了由相距1

cm的兩個(gè)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直分量的簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果，假設(shè)導(dǎo)體極細(xì)。可以看出，場(chǎng)強(qiáng)隨距離而迅速下降，但在電纜附近可能非常強(qiáng)。

圖 10. 相距 1 cm 的水平雙芯電纜的極細(xì)導(dǎo)體之間和之外的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度。

場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值

在接下來(lái)的部分中，我們將介紹該項(xiàng)目的不同場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量。

電源變壓器的磁場(chǎng)泄漏

在距離變壓器外殼 25 mm 處，測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)為 50 A/m。波形是失真的50

Hz正弦波。該場(chǎng)強(qiáng)足夠大，足以在附近的電路中感應(yīng)出可聽(tīng)見(jiàn)的“尖峰嗡嗡聲”信號(hào)。

單直導(dǎo)體

表 1 給出了在 50 Hz 下承載 10 A 的長(zhǎng) （1 m） 直線水平導(dǎo)體的測(cè)量結(jié)果。

表 1. 顯示長(zhǎng)直導(dǎo)體磁場(chǎng)的表格

與導(dǎo)體中心的距離（毫米）儀表輸出電壓 （mV） 磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）

10133133

206666

304444

403333

502626

雙芯電纜外部的磁場(chǎng)

表2顯示了從水平雙芯電纜（導(dǎo)體間距為6 mm）在不同距離處測(cè)量的輻射。

表 2. 2芯電纜的外部垂直場(chǎng)

與較近導(dǎo)體中心的距離（毫米）儀表輸出電壓 （mV） 磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）

58.08.0

104.04.0

152.42.4

201.51.5

251.11.1

電纜承載的 400 W 阻性負(fù)載電流降至一半電流。結(jié)果無(wú)法與圖9進(jìn)行數(shù)值比較，因?yàn)閷?dǎo)體的直徑（1.6

mm）與其間距相比并不小。但是，表2顯示了場(chǎng)強(qiáng)如何隨距離而降低。

圖11顯示了50 Hz分量在7 mV（對(duì)應(yīng)于7 A/m）時(shí)的電壓頻譜。

圖 11. 2芯電纜外的垂直磁場(chǎng)，線性刻度。

圖12顯示了以dB（mV）為單位的相同響應(yīng)，分貝稱為1 mV，以更好地突出高頻分量的優(yōu)勢(shì)。在這里我們可以看到，150 Hz分量比50 Hz基波低7

dB，比率為0.45。諧波實(shí)際上擴(kuò)展到約10 MHz，但頻譜分析儀不會(huì)擴(kuò)展到這樣的頻率。

圖 12. 2芯電纜外的垂直磁場(chǎng)，對(duì)數(shù)刻度。

場(chǎng)強(qiáng)計(jì)原型摘要

兩個(gè)完整的原型是在插板上構(gòu)建的，其雜散比印刷板更高。印制板的性能可能會(huì)好一點(diǎn)。

圖表

原理圖是使用免費(fèi)且非常強(qiáng)大的模擬器LTspice制作的，除了成為一個(gè)滿意的用戶之外，我與它沒(méi)有任何聯(lián)系。它們被復(fù)制為圖形，不會(huì)運(yùn)行以進(jìn)行模擬。仿真結(jié)果基于具有精確值的某種理想化零件。元件容差會(huì)對(duì)中頻增益產(chǎn)生輕微影響，并在頻率響應(yīng)的極端值時(shí)導(dǎo)致增益變化。雖然可以通過(guò)添加幾個(gè)預(yù)設(shè)組件來(lái)糾正這些組件，但驗(yàn)證程序使這變得沒(méi)有必要。

頻率響應(yīng)和頻譜

頻率響應(yīng)和頻譜是使用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 PC 附加組件 Instrustar USB 示波器 ISD205C

捕獲和繪制的實(shí)際測(cè)量值。同樣，我只是一個(gè)滿意的用戶。用戶界面確實(shí)需要一些學(xué)習(xí)。