張瀟藝，王彩霞，田楊萌，劉琳，崔麗蘭

北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院，北京 100192

雷電是發(fā)生在大氣中的一種長(zhǎng)距離放電現(xiàn)象，常引起各種災(zāi)害，特別是隨著近年來(lái)電子設(shè)備的電磁敏感程度越來(lái)越高，帶來(lái)的后果使得經(jīng)濟(jì)損失越來(lái)越大。如果能及時(shí)測(cè)到待測(cè)區(qū)域雷電磁場(chǎng)的大小及方向，可以用于該區(qū)域雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警。另外，得到的雷電磁場(chǎng)三維信息能夠豐富雷電相關(guān)的研究資料及雷電放電過(guò)程中產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，這對(duì)雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究具有重要意義[1]?，F(xiàn)有的雷電磁場(chǎng)測(cè)量方法一般是利用電磁感應(yīng)規(guī)律來(lái)進(jìn)行測(cè)量[2]：一種方法是當(dāng)穿過(guò)正交的2 個(gè)天線環(huán)面(其法線方向均與地面平行)的磁場(chǎng)變化時(shí)[3]，會(huì)在環(huán)上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，根據(jù)測(cè)量出的電流特征可以反演得出磁場(chǎng)的2 個(gè)分量大小。由于所采用的天線線圈環(huán)路[4](尤其是單匝線圈的天線)占用面積大，不便于攜帶，同時(shí)信號(hào)相對(duì)弱，噪聲影響也較大，受加工工藝及水平的限制，未必能夠完全符合正交的要求；另一種方法是利用螺線管來(lái)測(cè)量雷電磁場(chǎng)，原理與第一種類似，不同的是該方法使用螺線管代替單環(huán)天線，其實(shí)質(zhì)是用N匝線圈的螺線管來(lái)代替單匝線圈，可以增大信號(hào)增益、提高儀器靈敏度、增強(qiáng)所測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。由于螺線管線圈是由金屬材料組成的，具有一定的電阻率，在瞬態(tài)電磁分析中，螺線管線圈自帶有電流源，由焦耳定律可知載流導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生熱量，會(huì)對(duì)螺線管的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致磁場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定量的偏差。而現(xiàn)有的雷電磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)大致分為2 個(gè)部分：室外部分是由2 個(gè)垂直的正交環(huán)天線構(gòu)成，室內(nèi)部分包含信號(hào)處理電路及采集記錄模塊。其中感應(yīng)探頭是2 個(gè)垂直正交的天線，每個(gè)天線環(huán)的面積相同。所測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)先通過(guò)放大電路放大后，再通過(guò)同軸電纜將其傳輸送入到室內(nèi)的記錄和處理系統(tǒng)中，磁場(chǎng)信號(hào)用示波器或者采集卡進(jìn)行記錄。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，現(xiàn)有的雷電磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際上測(cè)量的是雷電的磁場(chǎng)變化量隨時(shí)間的變化，且測(cè)出來(lái)的結(jié)果并非磁場(chǎng)本身，如果要得到磁場(chǎng)大小，尚需對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分后獲得。另外目前儀器中大多只測(cè)出雷電磁場(chǎng)變化與地面平行的2 個(gè)分量的大小，而沒(méi)有測(cè)與地面垂直的磁場(chǎng)方向的雷電磁場(chǎng)變化。

基于霍爾效應(yīng)原理測(cè)量雷電磁場(chǎng)的方法及裝置則能夠直接檢測(cè)出某一方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，霍爾元件的靈敏度、覆蓋范圍和空間分辨率等由其敏感區(qū)域形狀、幾何尺寸以及晶體性質(zhì)決定。

本文基于霍爾效應(yīng)原理提出一種雷電磁場(chǎng)大小的測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了一款測(cè)量雷電磁場(chǎng)的裝置，這種方法可以對(duì)磁場(chǎng)自身進(jìn)行測(cè)量。由于雷電磁場(chǎng)復(fù)雜，為了能夠更加全面地測(cè)得磁場(chǎng)隨時(shí)間變化的特征，該方法及裝置提出了測(cè)量3 個(gè)正交方向的磁場(chǎng)分量大小的設(shè)計(jì)思路，然后通過(guò)計(jì)算得出該點(diǎn)的總磁場(chǎng)方向和大小。

1 霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)原理

當(dāng)導(dǎo)體中的載流子在雷電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚蛊溥\(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相互平衡，從而在導(dǎo)體兩側(cè)建立起一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓[5]?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，基于霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的原理如圖1 所示。在電流IS垂直于外磁場(chǎng)B通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體垂直于雷電磁場(chǎng)和所給電流方向的2 個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差UH。B和UH之間滿足：

式中：IS為半導(dǎo)體工作電流的電流值；B為如圖1 所示方向上的磁場(chǎng)；UH為如圖1 所示方向上霍爾電壓的值；KH為霍爾靈敏度；d為霍爾片沿B方向的厚度；RH為霍爾系數(shù)，與導(dǎo)體的材料相關(guān)；n為載流子濃度；q為每一個(gè)載流子所帶的電量。

圖1 霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)原理及電路

理論上霍爾元件可以是半導(dǎo)體也可以是導(dǎo)體，然而在日常應(yīng)用中我們一般都會(huì)優(yōu)先選用半導(dǎo)體。因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，載流子的數(shù)量n遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單價(jià)金屬中自由電子的數(shù)量，因此同等條件下可得到較大的霍爾電勢(shì)差。由式(1)—式(3)可知，對(duì)于1 個(gè)已知霍爾靈敏度的半導(dǎo)體霍爾元器件，通過(guò)1 個(gè)已知方向、大小的電流，如果測(cè)出該半導(dǎo)體元器件兩側(cè)的霍爾電勢(shì)差大小，即可得到霍爾元件上所加的垂直方向的磁場(chǎng)大小。電路包含1 個(gè)限流電阻、1 個(gè)電流源和1 個(gè)開(kāi)關(guān)，此電路及其元器件、參數(shù)、連接方式見(jiàn)圖1。

2 測(cè)量裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

本文基于霍爾效應(yīng)原理設(shè)計(jì)出測(cè)量雷電磁場(chǎng)的裝置，整體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。總體設(shè)計(jì)功能模塊包括磁場(chǎng)測(cè)量模塊、信號(hào)放大模塊、閾值觸發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、單片機(jī)和顯示模塊，共6 個(gè)模塊。將磁場(chǎng)測(cè)量裝置置于待測(cè)量磁場(chǎng)中的指定測(cè)試點(diǎn)，輸出的霍爾電壓信號(hào)先進(jìn)行信號(hào)放大處理，需放大到適于量程觀測(cè)的范圍內(nèi)；當(dāng)達(dá)到霍爾電壓觸發(fā)閾值時(shí)，裝置自動(dòng)開(kāi)始記錄所述霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓值，記錄時(shí)間長(zhǎng)度可以自己設(shè)定。實(shí)際操作中數(shù)據(jù)記錄可以設(shè)計(jì)成自動(dòng)觸發(fā)模式，通常使用閾值觸發(fā)方式來(lái)記錄我們所需要的那些強(qiáng)度大的信號(hào)，從而過(guò)濾掉那些強(qiáng)度弱的信號(hào)，可以減少噪音干擾，不過(guò)多占用資源空間。通過(guò)閾值觸發(fā)器輸出信號(hào)后再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行預(yù)處理，接著將數(shù)據(jù)信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出待測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)大小和方向并顯示結(jié)果，顯示電路采用2 個(gè)四位數(shù)碼管進(jìn)行顯示[6]。該裝置線路設(shè)置簡(jiǎn)易，可以放置在室外進(jìn)行測(cè)量。

圖2 裝置總體設(shè)計(jì)功能模塊示意

2.2 磁場(chǎng)測(cè)量裝置

利用霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)的原理可以分別測(cè)量3 個(gè)正交方向上的磁場(chǎng)分量，測(cè)量裝置電路如圖3所示。

圖3 磁場(chǎng)測(cè)量裝置電路設(shè)計(jì)

首先在三維正交空間支架的3 個(gè)軸上分別安置相互正交的磁場(chǎng)測(cè)量裝置，各個(gè)磁場(chǎng)測(cè)量裝置與對(duì)應(yīng)空間支架的原點(diǎn)之間的距離相等。每個(gè)方向上的所述磁場(chǎng)測(cè)量裝置中都包括一個(gè)同樣的霍爾元件。3 個(gè)霍爾元件固定于一個(gè)支架上的3 個(gè)不同方向(豎直、東西、南北)，并使各霍爾元件的法線方向同三維坐標(biāo)軸方向一致。在每個(gè)方向上的霍爾元件分屬3 個(gè)電路，這3 個(gè)電路相互獨(dú)立，避免了相互之間產(chǎn)生干擾和影響。為了能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行全方面的保護(hù)，每個(gè)電路都需要一只電阻作為限流電阻。霍爾片的工作電流由直流電源提供，輸出的霍爾電壓信號(hào)先進(jìn)行放大后由數(shù)據(jù)記錄模塊進(jìn)行記錄。

回?fù)羰侨藗冄芯孔疃嗟睦纂娺^(guò)程，主要原因是在于回?fù)綦娏髌茐男宰顝?qiáng)，也在于雷電所有過(guò)程中回?fù)暨^(guò)程最易測(cè)量。實(shí)際上，回?fù)暨^(guò)程也是雷暴云外最明亮的過(guò)程，并產(chǎn)生易于探測(cè)的電磁信號(hào)，所以我們選擇回?fù)暨^(guò)程來(lái)進(jìn)行參數(shù)選取[7]。磁場(chǎng)測(cè)量裝置的參數(shù)估計(jì)及選取如下：

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]，其報(bào)道的人工引雷15 m 處磁場(chǎng)最大值為466×10-6T，自然閃電在1～200 km的磁場(chǎng)分布為1×10-8～5×10-6T?？紤]到雷電發(fā)生地點(diǎn)的不確定性和測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性等問(wèn)題，儀器設(shè)計(jì)中考慮測(cè)量的磁場(chǎng)最小值為1×10-9T，另外還考慮到人工引雷相對(duì)于自然閃電要弱一些，故這里將儀器測(cè)量最大值設(shè)為500×10-6T。選取的霍爾片靈敏度KH為169 mV/mA·T[9]，半導(dǎo)體工作電流IS的值為5～10 mA。因?yàn)樵谙嗤拇艌?chǎng)下，隨著工作電流的增大，附加電位差的影響也在增加。因此，在測(cè)量一定大小的磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)針對(duì)特定的實(shí)驗(yàn)裝置選用適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏?，有利于提高?shí)驗(yàn)質(zhì)量[10]。將霍爾片放置于雷電磁場(chǎng)中，并讓霍爾片平面與所測(cè)磁場(chǎng)方向(如y方向)垂直，可以估算出測(cè)得的霍爾電壓UH為8.45×10-10～8.45×10-4V。為了便于將測(cè)得結(jié)果在所給的量程范圍內(nèi)很好地顯示，設(shè)計(jì)中將輸出的信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行放大(對(duì)數(shù)放大器通常用于大動(dòng)態(tài)范圍的接收系統(tǒng)中，主要功能是把大動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為小動(dòng)態(tài)范圍的輸出信號(hào)，傳輸給信息處理組件進(jìn)行采集和檢測(cè))[11]，以滿足采集儀器的顯示要求。

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

本研究采用STC90C516RD+單片機(jī)[12]作為數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)，信號(hào)采集功能由XPT2046 完成。XPT2046 是一種典型的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器[13]，它包含了采樣/保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換和串口數(shù)據(jù)輸出等功能，采樣頻率為125 kHz。其工作過(guò)程是當(dāng)電壓信號(hào)達(dá)到霍爾電壓觸發(fā)閾值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始采集模擬電壓信號(hào)，并通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸給單片機(jī)，最后根據(jù)式(1)中測(cè)出的UH進(jìn)行編程計(jì)算。經(jīng)單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)，就可得到當(dāng)前軸方向上磁場(chǎng)分量Bx、By、Bz的大小，再由

可得到待測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)大小，處理結(jié)果采用8 位數(shù)碼管顯示。

另外，利用測(cè)得的數(shù)據(jù)還可以得到矢量磁場(chǎng)B的方向，設(shè)矢量磁場(chǎng)B與x軸、y軸、z軸的正向夾角分別為 α、β、δ，稱其為矢量磁場(chǎng)B的方向角，矢量磁場(chǎng)B的方向余弦如下：

對(duì)于待測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)方向，處理結(jié)果同樣采用8 位數(shù)碼管顯示。STC90C516RD+單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。單片機(jī)有2 種復(fù)位方式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位。時(shí)鐘電路控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)有2 種時(shí)鐘產(chǎn)生方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式[14]，大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。最終單片機(jī)接收到12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果后轉(zhuǎn)換為BCD 碼進(jìn)行顯示。采用C 語(yǔ)言編寫A/D 轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的程序。由于磁場(chǎng)測(cè)量裝置輸出電壓的最大值預(yù)計(jì)會(huì)大于XPT2046 的內(nèi)部參考電壓(2.5 V)，故不能采用內(nèi)部參考電壓模式，需由外部提供+5 V 的參考電壓輸入。單片機(jī)的基本系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)基本系統(tǒng)框圖

3 結(jié)論

雷電發(fā)生過(guò)程中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行測(cè)量是雷電研究的基礎(chǔ)工作。本文裝置利用霍爾效應(yīng)來(lái)測(cè)量三維的雷電磁場(chǎng)大小，該裝置在現(xiàn)有的雷電磁場(chǎng)測(cè)量方法上做了改進(jìn)，較以往僅能測(cè)得2 個(gè)維度的電磁場(chǎng)方法有所提高。另外該裝置構(gòu)造成本低、質(zhì)量輕、易攜帶。

本文通過(guò)軟硬件結(jié)合研發(fā)出了這套雷電磁場(chǎng)測(cè)量裝置，預(yù)期在雷電測(cè)量及定位的相關(guān)研究中發(fā)揮特有的作用，此測(cè)量裝置對(duì)于雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警以及雷電物理研究也有較好的應(yīng)用前景。在今后的學(xué)習(xí)中，需進(jìn)一步研究基于該測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)性傳輸問(wèn)題。