非均匀瞬变磁场的测量

　　0　前　言

　　电磁感应法是一种最基本的测量磁场强度的方法。用电磁感应法测磁场时,只要探头尺寸和回路设计合理,可以得到足够准确的测量结果。

　　基于电磁感应原理制作的磁场测量系统主要包括探测线圈和积分电路两部分。在非均匀瞬变磁场的测量中,要求做到以下两点:

　　1)磁场探测线圈尽可能小,使探测线圈所界定范围内的磁场能近似看作是均匀的,测量结果近似反映线圈中心轴向的点磁场值;同时,探测线圈的存在应不对测量点的磁场产生较大影响。

　　2)积分电路应具有足够宽的频带,同时具有尽可能小的积分误差。

　　本文讨论了非均匀瞬变磁场测量中以上两方面的问题,提出了一套合适的测量系统。研究结果可用于测量雷电流产生的磁场。

　　1　磁场探测线圈

　　根据法拉第电磁感应定律,当线圈所交链的磁通发生变化时,线圈中感应电动势e,即:

其中,B为线圈轴向磁感应强度,N为线圈匝数,截面积S的大小与被测磁场的不均匀度相适应,使S范围内的磁场基本上接近均匀。线圈常数NS的计算误差一般约为±(0.03～0.05)%[1],可以准确地计算出来。

　　磁场探测线圈采用薄壁单层圆柱型线圈。为使测量结果能反映非均匀场的情况,采用线圈的内径为d=19.65mm。线圈由0.29mm的漆包线绕制。在测量1.2/50μs雷电流产生的磁场时,线圈内各点磁场不均匀度小于1%,可以认为线圈测量的是其中心轴上的“点磁场”。探测线圈结构如图1所示,线圈内、外层均有薄铜皮屏蔽。两层铜皮各开有宽度约2mm的槽以减少涡流。

　　铜皮对高频磁场的屏蔽作用必须考虑。如将两层铜皮的上、下边缘分别紧密连接,做成封闭的环状,则受工艺条件限制,屏蔽层两边会超出线圈两边较多(见图1右),超出线圈的部分宽度为l。在测量中发现,超出部分铜皮对被测磁场的衰减较大。这是因为在非均匀场中包含从线圈两头侧面斜射入线圈截面的部分场分量。它们在超出部分铜皮端部产生涡流,抵消进入的磁场。实验表明这个屏蔽层边缘对磁场测量可造成10%以上的误差。为此将内外两屏蔽层分开,只在一点有电连接,内外两层屏蔽分别贴紧线圈的内外层,使L1mm。实测证明,这样干扰小,静电屏蔽好,且能有效屏蔽从线圈侧面进入的磁通。

    探测线圈的等效电路见图2,图中R、L、C分别为线圈的电阻、电感和端口电容,e为感应电动势,R1、R2为负载电阻,u0为输出电压。R1、R2构成了分压器。

　　线圈对同一磁场感应输出电压和匝数应有良好的正比关系。按实测经验取探测线圈匝数为55,其R、L、C值分别为1.7Ω、20.4μH和66.5pF。