本發(fā)明涉及電磁場輻射領(lǐng)域，尤其涉及一種用于工頻電磁場全向檢測的裝置及方法。

背景技術(shù)：

電磁場輻射是一種看不見、摸不著、難以感知的“隱形污染”。當在一定的空間中，電磁輻射強度達到一定限值以后，將對人身健康或動物的生存安全等產(chǎn)生不良影響，同時也對電子儀器、設(shè)備，包括通信設(shè)備的安全運行產(chǎn)生影響。在電力工業(yè)中，精確地測量電力設(shè)備周圍空間電磁場及變化，對電力設(shè)備的設(shè)計制造和安全運行有重要的意義。除電力系統(tǒng)電磁兼容問題外，很多其它領(lǐng)域也存在電磁兼容問題，都需要工頻電磁場的測量作為其實驗支持。

早期人們測量工頻電場主要采用電學原理的方法，如小球法、電容充電法等電位平衡的方法及電荷法等。電位平衡法的測量原理是通過測量電位分布來進行電場測量，準確性較差；電荷法的測量原理是通過計算小球在電場中捕獲的電荷來測量電場，具有很大的局限性。近年來，在測量包括工頻電場在內(nèi)的強電場時，以電學原理為基礎(chǔ)設(shè)計的電荷感應(yīng)式電場儀仍然得到廣泛應(yīng)用；在測量幅值小、頻率高的電場時，基于光學原理的電場儀應(yīng)用較多。

尤其是在電力系統(tǒng)工程應(yīng)用中，常常需要了解設(shè)備表面和內(nèi)部的工頻電場，如超高壓輸電線路導體表面和附近的電場分布、絕緣子表面電場分布、高壓電器內(nèi)部電場分布等，從而更好地研究設(shè)備運行的狀態(tài)及優(yōu)化改進設(shè)備；在電磁效應(yīng)研究領(lǐng)域，準確地確定電場強度，及時發(fā)現(xiàn)電場過高、不適于長時間工作的區(qū)域，對長期處于高壓強電場環(huán)境下人員的人身安全和健康具有重要意義。目前，常用的工頻電場輻射檢測器的傳統(tǒng)方案是采用球形傳感器進行電場輻射檢測，如圖1所示的，通過球形傳感器將一中空的球殼分成兩部分，分隔后的上半球面和下半球面為傳感器的兩個電極。通過絕緣物質(zhì)將其連接在一起，在傳感器的電極間接入測量電容后，電容上產(chǎn)生的電壓便可作為測量信號。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難加工及固定，同時該檢測器只能針對一個方向的電場進行檢測，難以實現(xiàn)電場全向檢測，該電場檢測器只是簡單的進行電場強度的檢測，無法識別輻射電場的頻率。因工頻頻率范圍內(nèi)的電場和磁場無法直接互相換算，該探測器也無法進行工頻磁場強度的檢測。

因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于更進一步的改進和發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供的一種用于工頻電磁場全向檢測的裝置及方法，以實現(xiàn)對工頻電磁場進行全向檢測的目的。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括：

一種用于工頻電磁場全向檢測的裝置，其包括探測處理單元，其中，探測處理單元一部分的外壁上均勻布置有三個電場檢測面天線，探測處理單元剩余部分的外壁上均勻布置有三個磁場檢測環(huán)天線；三個電場檢測面天線所在的平面相互垂直，且相互連接，形成準各向同性電場檢測天線陣，三個磁場檢測環(huán)天線所在的平面相互垂直，形成準各向同性磁場檢測天線陣；三個電場檢測面天線所在的平面與三個磁場檢測環(huán)天線所在的平面形成一個六面體，上述探測處理單元位于該六面體的中心；三個電場檢測面天線、三個磁場檢測環(huán)天線均與上述探測處理單元電路連接。

所述的裝置，其中，上述探測處理單元包括模數(shù)變換電路，模數(shù)變換電路與現(xiàn)場可編程門陣列處理電路相連接，現(xiàn)場可編程門陣列處理電路與光電轉(zhuǎn)換電路相連接；三個電場檢測面天線、三個磁場檢測環(huán)天線均與模數(shù)變換電路相連接。

所述的裝置，其中，上述電場檢測面天線包括與探測處理單元外壁相連接的第一導電層，第一導電層與探測處理單元電路連接，第一導電層外側(cè)設(shè)置有第二導電層，第一導電層與第二導電層之間設(shè)置有介質(zhì)層，第一導電層、第二導電層與介質(zhì)層形成一容性結(jié)構(gòu)，容性結(jié)構(gòu)對入射到導電層法線方向的電場輻射進行響應(yīng)。

所述的裝置，其中，上述磁場檢測環(huán)天線為電小環(huán)天線，其包括用于固定在探測處理單元外壁上述的支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)上纏繞有多圈導電線圈，導電線圈與探測處理單元電路連接，多圈導電線圈在上述探測處理單元外壁形成圓形的橫截面，橫截面對入射到線圈法線方向的磁場輻射進行響應(yīng)。

所述的裝置，其中，上述現(xiàn)場可編程門陣列處理電路包括ADC數(shù)據(jù)解串模塊，ADC數(shù)據(jù)解串模塊與一數(shù)據(jù)降采樣模塊相連接，數(shù)據(jù)降采樣模塊與一FIFO緩存模塊相連接，F(xiàn)IFO緩存模塊與一FFT變換模塊相連接，F(xiàn)FT變換模塊與一數(shù)據(jù)擬合模塊相連接，數(shù)據(jù)擬合模塊與一數(shù)據(jù)緩存相連接；ADC數(shù)據(jù)解串模塊與模數(shù)變換電路相連接，數(shù)據(jù)緩存與光電轉(zhuǎn)換電路相連接。

一種使用所述裝置的方法，其中，準各向同性電場檢測天線陣、準各向同性磁場檢測天線陣將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸至模數(shù)變換電路，經(jīng)過數(shù)據(jù)解串，降采樣，F(xiàn)IFO緩存，然后通過FFT變換得到該信號的頻譜數(shù)據(jù)，然后對信號的FFT運算結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，最后將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上位機進行顯示。

本發(fā)明提供的一種用于工頻電磁場全向檢測的裝置及方法，準各向同性電場檢測天線陣包含三個互相垂直的電場檢測面天線，每一個面天線對電場法線方向的輻射進行檢測，準各向同性磁場檢測天線陣包含三個互相垂直的磁場檢測環(huán)天線，每一個環(huán)天線對垂直于天線平面的磁場輻射進行檢測，實現(xiàn)了對工頻電磁場進行全向檢測的目的；而且準各向同性電場檢測天線陣與準各向同性磁場檢測天線陣的一體化設(shè)計，探測處理單元收到來自每一個面天線和環(huán)天線的信號，產(chǎn)生正比于收到的工頻電磁場輻射信號強度的輸出信號，然后送到上位機進行顯示，通過采用該裝置可以實現(xiàn)5Hz-1MHz頻率范圍內(nèi)的工頻電磁場輻射的超寬帶全向探測及強度顯示，能進行工頻磁場輻射的全向檢測；探測處理單元結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，可直接將探測處理單元放置于相應(yīng)天線的中心區(qū)域，實現(xiàn)了工頻電場及磁場的同步全向檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、工作帶帶寬、可實現(xiàn)工頻電磁場同步全向檢測并提供頻譜顯示等等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電磁場輻射檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中裝置的拆分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中探測處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中一個電場檢測面天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明中一個磁場檢測環(huán)天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明中現(xiàn)場可編程門陣列處理電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種用于工頻電磁場全向檢測的裝置及方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種用于工頻電磁場全向檢測的裝置，如圖2與圖3所示的，其包括探測處理單元1，其中，探測處理單元一部分的外壁上均勻布置有三個電場檢測面天線2，探測處理單元1剩余部分的外壁上均勻布置有三個磁場檢測環(huán)天線3；三個電場檢測面天線2所在的平面相互垂直，且相互連接，形成準各向同性電場檢測天線陣，三個磁場檢測環(huán)天線3所在的平面相互垂直，且相互連接，形成準各向同性磁場檢測天線陣；三個電場檢測面天線2所在的平面與三個磁場檢測環(huán)天線3所在的平面形成一個六面體，上述探測處理單元1位于該六面體的中心；三個電場檢測面天線2、三個磁場檢測環(huán)天線3均與上述探測處理單元1電路連接。

更進一步的，如圖4所示的，上述探測處理單元1包括模數(shù)變換電路4，模數(shù)變換電路4與現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6相連接，現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6與光電轉(zhuǎn)換電路7相連接；光電轉(zhuǎn)換電路7用于與外界上位機相連接。三個電場檢測面天線2、三個磁場檢測環(huán)天線3均與模數(shù)變換電路4相連接，從而使各個數(shù)據(jù)能準確的傳輸至探測處理單元1內(nèi)進行處理。

更進一步的，如圖5所示的，上述電場檢測面天線2包括與探測處理單元1外壁相連接的第一導電層8，第一導電層8與探測處理單元1電路連接，第一導電層8外側(cè)設(shè)置有第二導電層9，第一導電層8與第二導電層9之間設(shè)置有介質(zhì)層10，第一導電層8、第二導電層9與介質(zhì)層10形成一容性結(jié)構(gòu)，容性結(jié)構(gòu)對入射到導電層法線方向的電場輻射進行響應(yīng)。

而且如圖6所示的，上述磁場檢測環(huán)天線3為電小環(huán)天線，其包括用于固定在探測處理單元外壁上述的支撐結(jié)構(gòu)12，支撐結(jié)構(gòu)12上纏繞有多圈導電線圈11，導電線圈11與探測處理單元1電路連接。如圖4所示的，其具體的是：第一導電層8、導電線圈11均與模數(shù)變換電路4相連接。多圈導電線圈11在上述探測處理單元1外壁形成圓形的橫截面，橫截面對入射到線圈法線方向的磁場輻射進行響應(yīng)。

在本發(fā)明的另一較佳實施例中，如圖7所示的，上述現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6包括ADC數(shù)據(jù)解串模塊13，ADC數(shù)據(jù)解串模塊13與一數(shù)據(jù)降采樣模塊14相連接，數(shù)據(jù)降采樣模塊14與一FIFO緩存模塊15相連接，F(xiàn)IFO緩存模塊15與一FFT變換模塊16相連接，F(xiàn)FT變換模塊16與一數(shù)據(jù)擬合模塊17相連接，數(shù)據(jù)擬合模塊17與一數(shù)據(jù)緩存18相連接；ADC數(shù)據(jù)解串模塊13與模數(shù)變換電路4相連接，數(shù)據(jù)緩存18與光電轉(zhuǎn)換電路7相連接。

為了更進一步的描述本發(fā)明，以下列舉更為詳盡的實施例進行說明。

用于工頻電磁場全向檢測的裝置結(jié)構(gòu)及各組成部分如圖2與圖3所示的，該裝置由準各向同性的電場檢測天線陣、準各向同性的磁場檢測天線陣及探測處理單元1構(gòu)成。準各向同性電場檢測天線陣包含三個互相垂直的電場檢測面天線2，每一個面天線2對電場法線方向的輻射進行檢測。準各向同性磁場天線陣包含三個互相垂直的磁場檢測環(huán)天線3，每一個環(huán)天線3對垂直于天線平面的磁場輻射進行檢測。探測處理單元1由三個通道的磁場檢測電路、三個通道的電場檢測電路、多通道模數(shù)變換電路4、現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6及光電轉(zhuǎn)換電路7構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)緊湊，探測處理單元1可直接安置在電場檢測天線陣及磁場檢測天線陣的中心區(qū)域，如圖2、圖3與圖4所示。探測處理單元1收到來自每一個面天線2和電小環(huán)天線3的信號，通過電磁場檢測電路的調(diào)理，然后進行模數(shù)變換，送到現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6處理電路中產(chǎn)生正比于收到的工頻電磁場輻射信號強度的輸出信號，通過光電轉(zhuǎn)換電路連接光纖送到上位機進行顯示。

準各向同性電場檢測天線陣包含三個電場檢測面天線2，確定了三個互相垂直的平面和一個頂點。每一個面天線2對電場輻射產(chǎn)生響應(yīng)，這些輻射入射方向垂直于面天線2的表面，并且產(chǎn)生一個正比于入射量的輸出信號，從而實現(xiàn)了電場輻射的準全向檢測。每一個面天線2的結(jié)構(gòu)如圖5所示。每一個面天線2包含第一導電層8、第二導電層9和介質(zhì)層10。介質(zhì)層10在第一導電層8和第二導電層9之間，形成一個容性結(jié)構(gòu)，容性結(jié)構(gòu)是對入射到導電層法線方向的電場輻射進行響應(yīng)。

準各向同性磁場天線陣包含由三個互相垂直的磁場檢測環(huán)天線3。每一個電小環(huán)天線3對磁場輻射產(chǎn)生感應(yīng)，磁場輻射入射方向垂直于電小環(huán)天線3的線圈，并且產(chǎn)生一個正比于入射量的輸出信號，從而實現(xiàn)了磁場輻射的準全向檢測。每一個電小環(huán)天線3的結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含多圈導電線圈11及其支撐結(jié)構(gòu)12，導電線圈11形成一個圓形的橫截面。每一個電小環(huán)天線3對入射到線圈法線方向的磁場輻射產(chǎn)生響應(yīng)。一般為環(huán)體結(jié)構(gòu)，導電線圈11纏繞在其支撐結(jié)構(gòu)12上。

其具體的事將采集到的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換后從到上位機進行頻譜顯示，現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6通過總線將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的實時數(shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)解串，降采樣，F(xiàn)IFO緩存，然后通過FFT變換得到該信號的頻譜數(shù)據(jù)，然后對信號的FFT運算結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，最后將處理后的數(shù)據(jù)光電轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上位機顯示。

而且本發(fā)明還提供了一種使用上述裝置的方法，具體的包括準各向同性電場檢測天線陣、準各向同性磁場檢測天線陣將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸至模數(shù)變換電路4，現(xiàn)場可編程門陣列處理電路6經(jīng)過數(shù)據(jù)解串，降采樣，F(xiàn)IFO緩存，然后通過FFT變換得到該信號的頻譜數(shù)據(jù)，然后對信號的FFT運算結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，最后將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后發(fā)送到上位機進行顯示。

當然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實施例，應(yīng)當說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護。