江玉柱，張偉，井賽，尹曉峰，張谷敏，張科

濟(jì)南軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所，山東 濟(jì)南 250022

一種野戰(zhàn)便攜式電磁計(jì)量檢定儀的研制

江玉柱，張偉，井賽，尹曉峰，張谷敏，張科

濟(jì)南軍區(qū)聯(lián)勤部藥品儀器檢驗(yàn)所，山東 濟(jì)南 250022

本文通過(guò)分析電磁輻射的數(shù)學(xué)建模，闡述了一種便攜式電磁計(jì)量檢定儀的硬件設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。該檢定儀主要由天線(xiàn)、傳感器、濾波網(wǎng)絡(luò)、控制單元等構(gòu)成，適用于野戰(zhàn)條件下的電磁輻射現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，可快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)不同頻段的電磁輻射劑量的檢測(cè)。

電磁輻射；電磁計(jì)量檢定儀；單片機(jī)；模數(shù)轉(zhuǎn)換

在以復(fù)雜電磁環(huán)境為背景的軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備中，要特別重視電磁輻射帶來(lái)的危害[1]。電磁輻射信號(hào)含有大量信息，一旦泄露將帶來(lái)巨大的安全隱患；同時(shí)過(guò)量的電磁輻射會(huì)對(duì)作業(yè)人員的生理機(jī)能造成不利影響。為了增強(qiáng)軍事信息的安全性，有效評(píng)估電磁屏蔽設(shè)施的屏蔽效果，評(píng)價(jià)電磁輻射生物學(xué)效應(yīng)對(duì)官兵健康的影響，進(jìn)行輻射劑量的檢測(cè)十分必要[2]。我國(guó)已制定了電磁輻射檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》（GJB151A/152A-1997）和《電磁輻射暴露限值和測(cè)量方法》（GJB5313-2004）等，對(duì)電磁輻射的測(cè)量提出了明確要求。

筆者研制了一款便攜式、適用于野戰(zhàn)環(huán)境的電磁計(jì)量檢定儀，可用于野戰(zhàn)作業(yè)環(huán)境下電磁輻射生物效應(yīng)的檢測(cè)[3]，也可用于強(qiáng)電磁輻射設(shè)備偽裝效能的檢測(cè)以及屏蔽設(shè)施的漏磁檢測(cè)，以評(píng)估或判別戰(zhàn)場(chǎng)電磁輻射環(huán)境，為相關(guān)部門(mén)提供電磁輻射的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)[4-5]。

1 電磁輻射數(shù)學(xué)建模分析

劑量學(xué)中廣泛采用比吸收率（Specific Absorption Rate， SAR）來(lái)度量電磁輻射在生物單位組織中所感應(yīng)的電場(chǎng)，定量描述由于熱耗散引起的能量損失。它被定義為每單位質(zhì)量組織所吸收的能量，單位為W/kg。通過(guò)確定發(fā)射端和接收端之間人體組織所有單位質(zhì)量上的平均SAR，就可以計(jì)算出所有的能量損失。利用有損耗介質(zhì)的Maxwell關(guān)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方程可以得到介質(zhì)分別在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的平均SAR。人體組織的能量吸收是近場(chǎng)能量吸收（PNF）和遠(yuǎn)場(chǎng)能量吸收（PFF）之和[6]。輻射天線(xiàn)在人體組織中的場(chǎng)域示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 輻射天線(xiàn)在人體組織中的場(chǎng)域示意圖

設(shè)有損耗介質(zhì)的電導(dǎo)率為σ（S/m），介電常數(shù)為ε（F/m），磁導(dǎo)率為μ（H/m），復(fù)傳播常數(shù)為γ，則其在頻率ω處的固有阻抗為：

其中：γ=α+jβ，α和β分別為衰減常數(shù)和相位常數(shù)。距離發(fā)射源R處的磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度分別為：

因此得到輻射源外的任意點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的表達(dá)式，近場(chǎng)內(nèi)的有耗損介質(zhì)的比吸收率SAR為：

積分計(jì)算出近場(chǎng)內(nèi)全部人體組織上的電磁能量吸收PNF，此時(shí)距離R的積分區(qū)間為從天線(xiàn)的表面（R=r，r作為天線(xiàn)材料的傳導(dǎo)性的半徑）到近場(chǎng)的邊界（R=d0）。

其中：

同理，可計(jì)算得到遠(yuǎn)場(chǎng)人體組織上的電磁能量吸收PFF為：L

電磁能量人體組織里傳播時(shí)，近場(chǎng)能量吸收和遠(yuǎn)場(chǎng)能量吸收之和為生物組織吸收的總體能量Ptiss，即：

根據(jù)軍用標(biāo)準(zhǔn)，人體受電磁輻射的限值適用頻率范圍為100 kHz～3 GHz。職業(yè)輻射值的定義為在每天8 h工作期間內(nèi)，電磁輻射場(chǎng)參數(shù)在任意連續(xù)6 min內(nèi)的平均值。國(guó)軍標(biāo)職業(yè)輻射限值，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)軍標(biāo)職業(yè)輻射限值

根據(jù)軍隊(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行科學(xué)分析和推導(dǎo)計(jì)算，為后續(xù)的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件程序編寫(xiě)提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和明確的技術(shù)要求。

2 硬件及電路設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括：天線(xiàn)、信號(hào)調(diào)諧電路、傳感器、濾波網(wǎng)絡(luò)、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)控制部分、單片機(jī)控制單元、液晶顯示和報(bào)警部分等。電磁計(jì)量檢定儀硬件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)框圖，見(jiàn)圖2。

硬件部分工作原理：天線(xiàn)接收電磁輻射信號(hào)，調(diào)諧電路將接受的信號(hào)按照用戶(hù)選擇的波段傳輸至傳感器；探頭傳感器將電磁波轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電子信號(hào)，通過(guò)濾波、放大后進(jìn)行模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；將模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出電磁輻射功率密度值，并將其顯示在液晶模塊上，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示。當(dāng)測(cè)量值超過(guò)所選頻段對(duì)應(yīng)的軍隊(duì)職業(yè)照射標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，儀器聲光報(bào)警模塊發(fā)出聲光報(bào)警。為了保證各波段的檢測(cè)效果，我們對(duì)濾波模塊進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。其中，在檢定儀操作面板上，使用了可選擇3個(gè)波段的檔位；在內(nèi)部電路上，設(shè)計(jì)了與檔位相匹配的調(diào)諧電路，以此來(lái)檢測(cè)各個(gè)波段的電磁輻射劑量。

圖2 電磁計(jì)量檢定儀硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 探頭

探頭包含天線(xiàn)和傳感器。天線(xiàn)接收的電磁波信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。探頭的優(yōu)劣對(duì)設(shè)備的電磁輻射信號(hào)接收性能有很大影響，性能質(zhì)量取決于探頭的電氣參數(shù)[7]。該檢定儀采用意大利PMM公司EP330探頭，適用于100 kHz～3 GHz 頻率范圍，頻帶寬、可靠性高、增益穩(wěn)定性好，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 濾波和放大單元

傳感器探頭輸出的信號(hào)比較微弱且含有高頻成分，因此需要進(jìn)行濾波并放大有用信號(hào)，濾波器采用有源低通濾波器。放大器輸入端的設(shè)計(jì)與電場(chǎng)探頭阻抗相匹配，以獲得最佳的信號(hào)能量傳送。放大器電路圖，見(jiàn)圖3。

圖3 放大器電路圖

兩級(jí)放大電路中，第一級(jí)采用運(yùn)算放大器AD620，具有高共模抑制比、低溫漂、低噪聲、線(xiàn)性度好等特點(diǎn)；第二級(jí)采用高精度、低失調(diào)電壓型的運(yùn)算放大器OP07。這兩級(jí)放大電路能滿(mǎn)足低噪放大器的噪聲系數(shù)小和頻帶寬的技術(shù)要求。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換單元

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采用MAX152CPP，在2個(gè)4位閃速ADC中使用半閃速（half-flash）轉(zhuǎn)換技術(shù)能在1.8 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)獲得8位結(jié)果，其數(shù)字抽樣率可達(dá)400 Ksps。MAX152CPP可工作于3.0～3.6 V之間，轉(zhuǎn)換時(shí)間隨電壓的升高而降低。MAX152CPP的微處理器可以無(wú)需任何外部接口邏輯的輸入/輸出端口，數(shù)據(jù)輸出使用鎖存的3態(tài)緩沖電路，可直接傳輸至微處理器的數(shù)據(jù)總線(xiàn)或系統(tǒng)的輸入端口。這些特點(diǎn)極大地滿(mǎn)足了信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，MAX152CPP把放大電路處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送至單片機(jī)進(jìn)行下一步處理。

2.4 單片機(jī)控制單元設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制單元主要由中央處理單元、顯示屏、鍵盤(pán)等組成。中央處理單元采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C52。片內(nèi)含有8 KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256位的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O線(xiàn)，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，1個(gè)6向量?jī)蓸O中斷結(jié)構(gòu)，1個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路[8]。AT89C52功能強(qiáng)大，可滿(mǎn)足較為復(fù)雜的控制需求。顯示屏采用美國(guó)平達(dá)系統(tǒng)公司的電致發(fā)光顯示屏（EL屏），堅(jiān)固防撞擊，透光性強(qiáng)、溫度惰性好，在惡劣環(huán)境下仍能正常工作。顯示單元選擇6位8段的顯示模塊LCMO6XA。單片機(jī)與按鍵、光電警報(bào)器和液晶顯示器等的接口電路圖，見(jiàn)圖4。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)由P2端口輸入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的控制計(jì)算，所測(cè)量到的電磁輻射功率密度值將顯示在顯示屏上。按鍵S1用作歸零鍵，按鍵S2用作峰值保持鍵。按下S1鍵，會(huì)將測(cè)量到的數(shù)值歸零，屏幕顯示“----”，此時(shí)儀器處于自動(dòng)校零（初始化）狀態(tài)，校零以后，便可以開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。將儀器靠近被測(cè)點(diǎn)，按下S1鍵，測(cè)量?jī)x實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前所測(cè)值，繼續(xù)測(cè)量，若數(shù)據(jù)超過(guò)當(dāng)前值，數(shù)據(jù)顯示會(huì)自動(dòng)更新；低于當(dāng)前值則輸出保持不變。如果測(cè)量值超過(guò)所選頻段的功率輻射最大閾值，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路，以二極管發(fā)光閃爍和蜂鳴器發(fā)聲來(lái)提醒輻射值超標(biāo)[9]。測(cè)量完畢后，按下S2鍵，液晶屏將保持顯示值，以便讀取數(shù)據(jù)。

圖4 單片機(jī)周邊接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件編寫(xiě)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等功能，負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的各應(yīng)用程序模塊，并與系統(tǒng)的設(shè)備及時(shí)交換信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件資源的整體管理[10]。軟件主程序流程圖，見(jiàn)圖5。

圖5 軟件主程序流程圖

4 主要參數(shù)

研制的電磁計(jì)量檢定儀的主要參數(shù)：外型尺寸：23.5 cm×18 cm×5 cm（長(zhǎng)×寬×高）；重量：1.5 kg；頻帶：100 kHz～3 GHz；溫度：-10～50 ℃；相對(duì)濕度：＜90%；輻照量程：0～40 W/m2；測(cè)量精度：±0.5%。

5 討論

基于AT89C52單片機(jī)的電磁計(jì)量檢定儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高、功耗低、可移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)踐表明，電磁計(jì)量檢定儀樣機(jī)性能均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，能夠在野戰(zhàn)條件下對(duì)不同頻段的電磁輻射進(jìn)行快速檢測(cè)。

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Development of A Portable Electromagnetism Measurement Instrument for Field Operations

JIANG Yu-zhu, ZHANG Wei, JING Sai, YIN Xiao-feng, ZHANG Gu-min, ZHANG Ke
Institute for Drug and Instrument Control, Jinan Military Area Command, Jinan Shandong 250022, China

Based on the analysis of the mathematical modeling of electromagnetic radiation, this paper introduced the hardware, circuit and software design processes of a portable electromagnetism measurement instrument which was composed of antenna, sensor, fi lter network, control unit and so on. The fast and accurate detection of radiation dose of electromagnetism in different frequency bands can be implemented with the application of the electromagnetism measurement instrument which was suitable for the on-site test of electromagnetic radiation for fi eld operations.

electromagnetic radiation; electromagnetism measurement instrument; single-chip microcomputer; analog-digital conversion

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.008

1674-1633(2014)07-0026-03

2014-02-24

本文作者：江玉柱，高級(jí)工程師。

作者郵箱：jingsaifmmu@126．com