該項目將解釋如何開發(fā)一種系統(tǒng)來測量大電流電力電纜頻率高達150 kHz的磁場發(fā)射，而不會切斷或干擾電纜。

磁場 幾乎無處不在。然而，在廣泛的強度和頻率范圍（20 Hz至150

kHz）上評估磁場強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量。一個例子是追蹤來自非屏蔽或屏蔽不良電纜的干擾。

在本項目中，我們將開發(fā)一種方法來評估大電流電力電纜在高達 150 kHz 頻率下的磁場發(fā)射，而不會切斷或干擾電纜。

首先，我們需要兩個簡單的模擬儀器：

帶場傳感器探頭的手持式磁場計

校準參考驗證器源，能夠產(chǎn)生高達 1000 A/m（安培/米）或 1.26 mT 的磁場強度

通常，高精度測量不太可能可行或有用。這是因為許多磁場強度，特別是在高頻下，即使在短時間和距離內(nèi)也會有很大差異。此外，重要的是要注意，驗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。

用于測量磁場強度的手持式裝置

讓我們深入了解手持式磁場強度單元的開發(fā)和組件。首先，讓我們看一下圖 1 中所示的儀表和驗證器的框圖。

圖1. 磁場計和驗證器的框圖。

請注意，測量儀由單個 9 V 電池供電。從這里開始，我們將分解不同的必要組件。

磁場探頭和前置放大器

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

圈。提供靜電屏蔽（銅箔的單個重疊絕緣匝）。關于頻率響應，電感值并不重要，但物理尺寸會影響靈敏度。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（假設是水平電纜）并感測磁場的垂直分量。盡管如此，用戶仍然可以水平設置它以測量水平分量。

總體而言，一個點處的總場強是垂直場 Hv 的平方和水平場的兩個分量 Hx 和 Hy 之和的平方根。

Ht或t一個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。

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

μH的電抗相比，獲得足夠低的輸入阻抗是不切實際的?？朔@個問題的一種方法是通過對外部磁場不敏感的串聯(lián)1 mH環(huán)形電感器增加電感。線圈的電阻和增加的15

Ω電阻通過包括一個與1 kΩ反饋電阻串聯(lián)的電容進行補償。

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 部件號為

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

主放大器

放大器只有一個小增益，包括兩個濾波器。驅動高阻抗負載時，探頭、前置放大器和主放大器在探頭處提供1 mV的靈敏度，場強為1 A/m。SI 單位

A/m（安培/米）是一個“小”單位，而不是法拉，例如，法拉是一個“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??？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三階高通濾波器，其-3dB頻率可通過開關S1a、S1b和S1c在8 Hz和800 Hz之間切換。這些開關可以使用單個 3 極 2

路（或開關）開關來實現(xiàn)。

圖3顯示，第二級中的開關配置為從第二級濾波器產(chǎn)生8 Hz的-3 dB頻率。這種8

Hz響應最適合在這種寬帶響應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，并具有高達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，全主放大器響應的-3

dB頻率為11 Hz。

圖4. 主放大器頻率響應顯示配置為8 Hz響應的三階低通濾波器。

對于800 Hz高通響應，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如圖5所示。

圖5. 主放大器頻率響應顯示配置為800 Hz響應的三階高通濾波器。

這些濾波器看起來像薩倫-基等分量值三階巴特沃斯濾波器，但不完全是。對于真正的巴特沃茲響應，第一無源部分后應跟有緩沖器，以便第二部分從低阻抗饋電。但對于我們這個項目的目的，這是沒有必要的。

第二級高通濾波器的輸出施加于第三級低功耗放大器，后者提供的輸出將驅動50 Ω（或更高）負載。

磁場強度驗證器

產(chǎn)生大磁場強度的一種簡單方法是使用螺線管。場強和電感可以根據(jù)物理尺寸和電流精確計算。電感的測量值用于檢查計算出的場強。

電磁閥長 50 毫米，直徑 16 毫米，轉數(shù)為 200

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

驗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。

驗證器原理圖如圖6所示。

圖6. 驗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。

驗證器電流輸出的頻率響應如圖8所示。當然，螺線管中的磁場與電流嚴格成正比，因為空氣具有恒定的磁導率。

圖8. 驗證器電流輸出的頻率響應。

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

250 mA、高達 100 kHz 的 25 mA 和高達 150 kHz 的 12.5 mA。很少遇到高頻的強磁場。

由于高感負載，器件在產(chǎn)生 250 mA 電流時會變得非常熱。如果需要提供超過一兩分鐘的電流，則可以將散熱器粘在上面，這通常足夠長以檢查校準。

使用驗證程序

將探頭線圈插入電磁閥中，大約位于中間點以使用驗證器。將探頭移入和移出可顯示螺線管內(nèi)部磁場強度的均勻程度;僅當探頭接近終點時，它才會發(fā)生變化。

圖9顯示了從驗證器到主放大器輸出的總體頻率響應，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，從驗證器輸入到主放大器輸出的整體頻率響應。

磁場強度計使用案例示例

考慮到所有這些，讓我們探索此磁場強度計的一些示例用例。

電源變壓器的磁場泄漏

盡管市電變壓器正在被開關模式技術所取代，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，它們確實會產(chǎn)生外部磁場，并且電流通常不是正弦的，因為變壓器為整流器提供濾波電容器。因此，該場包括功率頻率高達至少10

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

單個直導體的磁場

磁場方向是圓形的，以導體為中心，其強度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 = 測量場強的半徑

扁平電纜（如 Romex）的磁場泄漏

在距離電纜一定距離處，與兩個載流導體的間距相比，來自相反電流的磁場幾乎抵消，但在靠近電纜附近，它們不會?？梢跃_計算場強。圖10顯示了由相距1

cm的兩個導體產(chǎn)生的磁場垂直分量的簡化計算結果，假設導體極細。可以看出，場強隨距離而迅速下降，但在電纜附近可能非常強。

圖 10. 相距 1 cm 的水平雙芯電纜的極細導體之間和之外的垂直磁場強度。

場強測量值

在接下來的部分中，我們將介紹該項目的不同場強測量。

電源變壓器的磁場泄漏

在距離變壓器外殼 25 mm 處，測得的場強為 50 A/m。波形是失真的50

Hz正弦波。該場強足夠大，足以在附近的電路中感應出可聽見的“尖峰嗡嗡聲”信號。

單直導體

表 1 給出了在 50 Hz 下承載 10 A 的長 （1 m） 直線水平導體的測量結果。

表 1. 顯示長直導體磁場的表格

與導體中心的距離（毫米）儀表輸出電壓 （mV） 磁場強度（A/m）

10133133

206666

304444

403333

502626

雙芯電纜外部的磁場

表2顯示了從水平雙芯電纜（導體間距為6 mm）在不同距離處測量的輻射。

表 2. 2芯電纜的外部垂直場

與較近導體中心的距離（毫米）儀表輸出電壓 （mV） 磁場強度（A/m）

58.08.0

104.04.0

152.42.4

201.51.5

251.11.1

電纜承載的 400 W 阻性負載電流降至一半電流。結果無法與圖9進行數(shù)值比較，因為導體的直徑（1.6

mm）與其間距相比并不小。但是，表2顯示了場強如何隨距離而降低。

圖11顯示了50 Hz分量在7 mV（對應于7 A/m）時的電壓頻譜。

圖 11. 2芯電纜外的垂直磁場，線性刻度。

圖12顯示了以dB（mV）為單位的相同響應，分貝稱為1 mV，以更好地突出高頻分量的優(yōu)勢。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。諧波實際上擴展到約10 MHz，但頻譜分析儀不會擴展到這樣的頻率。

圖 12. 2芯電纜外的垂直磁場，對數(shù)刻度。

場強計原型摘要

兩個完整的原型是在插板上構建的，其雜散比印刷板更高。印制板的性能可能會好一點。

圖表

原理圖是使用免費且非常強大的模擬器LTspice制作的，除了成為一個滿意的用戶之外，我與它沒有任何聯(lián)系。它們被復制為圖形，不會運行以進行模擬。仿真結果基于具有精確值的某種理想化零件。元件容差會對中頻增益產(chǎn)生輕微影響，并在頻率響應的極端值時導致增益變化。雖然可以通過添加幾個預設組件來糾正這些組件，但驗證程序使這變得沒有必要。

頻率響應和頻譜

頻率響應和頻譜是使用經(jīng)濟實惠的 PC 附加組件 Instrustar USB 示波器 ISD205C

捕獲和繪制的實際測量值。同樣，我只是一個滿意的用戶。用戶界面確實需要一些學習。