磁场强度计和校准器

　　该项目将解释如何开发一种系统来测量大电流电力电缆频率高达150 kHz的磁场发射，而不会切断或干扰电缆。

　　磁场 几乎无处不在。然而，在广泛的强度和频率范围（20 Hz至150

kHz）上评估磁场强度的便捷方法并不广泛可用。尽管存在这些限制，但仍有很多原因可能需要这些测量。一个例子是追踪来自非屏蔽或屏蔽不良电缆的干扰。

　　在本项目中，我们将开发一种方法来评估大电流电力电缆在高达 150 kHz 频率下的磁场发射，而不会切断或干扰电缆。

　　首先，我们需要两个简单的模拟仪器：

　　带场传感器探头的手持式磁场计

　　校准参考验证器源，能够产生高达 1000 A/m（安培/米）或 1.26 mT 的磁场强度

　　通常，高精度测量不太可能可行或有用。这是因为许多磁场强度，特别是在高频下，即使在短时间和距离内也会有很大差异。此外，重要的是要注意，验证器克服了仪器具有高固有精度的要求，但其稳定性通常绰绰有余。

　　用于测量磁场强度的手持式装置

　　让我们深入了解手持式磁场强度单元的开发和组件。首先，让我们看一下图 1 中所示的仪表和验证器的框图。

　　

　　图1. 磁场计和验证器的框图。

　　请注意，测量仪由单个 9 V 电池供电。从这里开始，我们将分解不同的必要组件。

　　磁场探头和前置放大器

　　探头由一个 1.6 μH 电感器组成，该电感器长 8 mm，直径 7.5 mm。它缠绕在绝缘成型机上，大约有 22

圈。提供静电屏蔽（铜箔的单个重叠绝缘匝）。关于频率响应，电感值并不重要，但物理尺寸会影响灵敏度。探头连接到同轴电缆，静电屏蔽层连接到电缆屏蔽层。

　　探头是定向的，通常它的轴线垂直放置（假设是水平电缆）并感测磁场的垂直分量。尽管如此，用户仍然可以水平设置它以测量水平分量。

　　总体而言，一个点处的总场强是垂直场 Hv 的平方和水平场的两个分量 Hx 和 Hy 之和的平方根。

　　Ht或t一个l=√H2在+H2x+H2和Htotal=Hv2+Hx2+Hy2

　　探头和前置放大器的原理图如图2所示。

　　

　　图2. 探头和前置放大器原理图。

　　前置放大器与主放大器物理集成，并共享一个共同的接地。前置放大器的输出X连接到主放大器原理图的输入X，如图3所示。

　　

　　图3. 主放大器原理图。

　　前置放大器由一个具有极低输入阻抗的跨导放大器组成。该技术从互感源产生平坦的频率响应。但是，与20 Hz时1.6

μH的电抗相比，获得足够低的输入阻抗是不切实际的。克服这个问题的一种方法是通过对外部磁场不敏感的串联1 mH环形电感器增加电感。线圈的电阻和增加的15

Ω电阻通过包括一个与1 kΩ反馈电阻串联的电容进行补偿。

　　该电感器由约20匝的铁氧体环形线圈组成，外径9.6mm，内径4.7mm，厚度3.2mm。环形线圈的 Digi-Key 部件号为

240-2522-ND。市售的1 mH电感器是物理上较大的部件，设计用于承载大电流，不适合用于此用途。

　　主放大器

　　放大器只有一个小增益，包括两个滤波器。驱动高阻抗负载时，探头、前置放大器和主放大器在探头处提供1 mV的灵敏度，场强为1 A/m。SI 单位

A/m（安培/米）是一个“小”单位，而不是法拉，例如，法拉是一个“大”单位，所以我们通常使用电容是法拉非常小的一部分的零件。有多小？嗯，1 A/m

在空气或真空中产生 1.26 μT（微特斯拉）的磁通量密度，而耳塞中的磁铁产生大约 1 T。

　　在前面的图3中，我们显示了主放大器的原理图。其中，第一级是三阶低通滤波器，用于消除约200 kHz以上的噪声。

　　低通滤波器后接一个三阶高通滤波器，其-3dB频率可通过开关S1a、S1b和S1c在8 Hz和800 Hz之间切换。这些开关可以使用单个 3 极 2

路（或开关）开关来实现。

　　图3显示，第二级中的开关配置为从第二级滤波器产生8 Hz的-3 dB频率。这种8

Hz响应最适合在这种宽带响应模式下衰减闪烁噪声。在这种配置中，全主放大器提供宽带输出，在低于20 Hz至100

kHz的范围内具有基本平坦的响应，并具有高达150 kHz的有限下降，如图4所示。由于其他耦合电容（C2、C7、C11、C18）的影响，全主放大器响应的-3

dB频率为11 Hz。

　　

　　图4. 主放大器频率响应显示配置为8 Hz响应的三阶低通滤波器。

　　对于800 Hz高通响应，1.5 kΩ电阻与R8、R9和R11并联，以衰减低于2 kHz的工频和谐波分量。采用800

Hz高通滤波器配置的主放大器频率响应如图5所示。

　　

　　图5. 主放大器频率响应显示配置为800 Hz响应的三阶高通滤波器。

　　这些滤波器看起来像萨伦-基等分量值三阶巴特沃斯滤波器，但不完全是。对于真正的巴特沃兹响应，第一无源部分后应跟有缓冲器，以便第二部分从低阻抗馈电。但对于我们这个项目的目的，这是没有必要的。

　　第二级高通滤波器的输出施加于第三级低功耗放大器，后者提供的输出将驱动50 Ω（或更高）负载。

　　磁场强度验证器

　　产生大磁场强度的一种简单方法是使用螺线管。场强和电感可以根据物理尺寸和电流精确计算。电感的测量值用于检查计算出的场强。

　　电磁阀长 50 毫米，直径 16 毫米，转数为 200

圈。它缠绕在纸板成型机上（如果被烙铁接触不会融化）。当然，前者的孔需要足够大以容纳探头。它可以在一端安装一个粘合的唱机连接器（因此需要焊接），以便可以通过屏蔽电缆连接到验证器放大器。

　　验证器放大器是一款低功耗放大器，采用LM386，采用15 V电源供电。它配置为电流源输出，可在 20 Hz 至 100 kHz

的任何频率下产生基本恒定的电流，并限制降低至 150 kHz。

　　验证器原理图如图6所示。

　　

　　图6. 验证器和电磁阀的示意图。

　　探头和电磁阀如图7所示。

　　

　　图7. 探头和电磁阀。

　　验证器电流输出的频率响应如图8所示。当然，螺线管中的磁场与电流严格成正比，因为空气具有恒定的磁导率。

　　

　　图8. 验证器电流输出的频率响应。

　　期望 LM386 音频放大器在 150 kHz 和螺线管中产生 1000 A/m 时产生 250 mA 电流太过分了。它将产生高达 15 kHz 的

250 mA、高达 100 kHz 的 25 mA 和高达 150 kHz 的 12.5 mA。很少遇到高频的强磁场。

　　由于高感负载，器件在产生 250 mA 电流时会变得非常热。如果需要提供超过一两分钟的电流，则可以将散热器粘在上面，这通常足够长以检查校准。

　　使用验证程序

　　将探头线圈插入电磁阀中，大约位于中间点以使用验证器。将探头移入和移出可显示螺线管内部磁场强度的均匀程度;仅当探头接近终点时，它才会发生变化。

　　图9显示了从验证器到主放大器输出的总体频率响应，主放大器处于宽带（11 Hz至150 kHz）模式。

　　

　　图9. 在宽带模式下工作时，从验证器输入到主放大器输出的整体频率响应。

　　磁场强度计使用案例示例

　　考虑到所有这些，让我们探索此磁场强度计的一些示例用例。

　　电源变压器的磁场泄漏

　　尽管市电变压器正在被开关模式技术所取代，但仍有数十亿人在使用，出于某些目的，它们可以是首选。然而，它们确实会产生外部磁场，并且电流通常不是正弦的，因为变压器为整流器提供滤波电容器。因此，该场包括功率频率高达至少10

kHz的谐波分量。这可能会对附近的音频电路造成严重的“尖峰嗡嗡声”干扰。尖锐的嗡嗡声不是低沉的咆哮：磁耦合过程夸大了谐波含量，其中感应电压与其频率成正比。在带有网格而不是底座或门的管子/阀门的时代，它曾经被称为“网格嗡嗡声”。

　　单个直导体的磁场

　　磁场方向是圆形的，以导体为中心，其强度H由以下公式精确给出：

　　H=我2PrH=I2πr

　　哪里：

　　I = 电流（以安培为单位）

　　r = 测量场强的半径

　　扁平电缆（如 Romex）的磁场泄漏

　　在距离电缆一定距离处，与两个载流导体的间距相比，来自相反电流的磁场几乎抵消，但在靠近电缆附近，它们不会。可以精确计算场强。图10显示了由相距1

cm的两个导体产生的磁场垂直分量的简化计算结果，假设导体极细。可以看出，场强随距离而迅速下降，但在电缆附近可能非常强。

　　

　　图 10. 相距 1 cm 的水平双芯电缆的极细导体之间和之外的垂直磁场强度。

　　场强测量值

　　在接下来的部分中，我们将介绍该项目的不同场强测量。

　　电源变压器的磁场泄漏

　　在距离变压器外壳 25 mm 处，测得的场强为 50 A/m。波形是失真的50

Hz正弦波。该场强足够大，足以在附近的电路中感应出可听见的“尖峰嗡嗡声”信号。

　　单直导体

　　表 1 给出了在 50 Hz 下承载 10 A 的长 （1 m） 直线水平导体的测量结果。

　　表 1. 显示长直导体磁场的表格

　　与导体中心的距离（毫米）仪表输出电压 （mV） 磁场强度（A/m）

　　10133133

　　206666

　　304444

　　403333

　　502626

　　双芯电缆外部的磁场

　　表2显示了从水平双芯电缆（导体间距为6 mm）在不同距离处测量的辐射。

　　表 2. 2芯电缆的外部垂直场

　　与较近导体中心的距离（毫米）仪表输出电压 （mV） 磁场强度（A/m）

　　58.08.0

　　104.04.0

　　152.42.4

　　201.51.5

　　251.11.1

　　电缆承载的 400 W 阻性负载电流降至一半电流。结果无法与图9进行数值比较，因为导体的直径（1.6

mm）与其间距相比并不小。但是，表2显示了场强如何随距离而降低。

　　图11显示了50 Hz分量在7 mV（对应于7 A/m）时的电压频谱。

　　

　　图 11. 2芯电缆外的垂直磁场，线性刻度。

　　图12显示了以dB（mV）为单位的相同响应，分贝称为1 mV，以更好地突出高频分量的优势。在这里我们可以看到，150 Hz分量比50 Hz基波低7

dB，比率为0.45。谐波实际上扩展到约10 MHz，但频谱分析仪不会扩展到这样的频率。

　　

　　图 12. 2芯电缆外的垂直磁场，对数刻度。

　　场强计原型摘要

　　两个完整的原型是在插板上构建的，其杂散比印刷板更高。印制板的性能可能会好一点。

　　图表

　　原理图是使用免费且非常强大的模拟器LTspice制作的，除了成为一个满意的用户之外，我与它没有任何联系。它们被复制为图形，不会运行以进行模拟。仿真结果基于具有精确值的某种理想化零件。元件容差会对中频增益产生轻微影响，并在频率响应的极端值时导致增益变化。虽然可以通过添加几个预设组件来纠正这些组件，但验证程序使这变得没有必要。

　　频率响应和频谱

　　频率响应和频谱是使用经济实惠的 PC 附加组件 Instrustar USB 示波器 ISD205C

捕获和绘制的实际测量值。同样，我只是一个满意的用户。用户界面确实需要一些学习。