基于霍爾效應(yīng)的雷電磁場測量裝置

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距離放電現(xiàn)象，常引起各種災(zāi)害，特別是隨著近年來電子設(shè)備的電磁敏感程度越來越高，帶來的后果使得經(jīng)濟(jì)損失越來越大。如果能及時(shí)測到待測區(qū)域雷電磁場的大小及方向，可以用于該區(qū)域雷電監(jiān)測和預(yù)警。另外，得到的雷電磁場三維信息能夠豐富雷電相關(guān)的研究資料及雷電放電過程中產(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)有的雷電磁場測量方法一般是利用電磁感應(yīng)規(guī)律來進(jìn)行測量[2]：一種方法是當(dāng)穿過正交的2 個(gè)天線環(huán)面(其法線方向均與地面平行)的磁場變化時(shí)[3]，會(huì)在環(huán)上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，根據(jù)測量出的電流特征可以反演得出磁場的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測量雷電磁場，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)致磁場測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定量的偏差。而現(xiàn)有的雷電磁場測量系統(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。所測磁場信號(hào)先通過放大電路放大后，再通過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)有的雷電磁場測量系統(tǒng)實(shí)際上測量的是雷電的磁場變化量隨時(shí)間的變化，且測出來的結(jié)果并非磁場本身，如果要得到磁場大小，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出雷電磁場變化與地面平行的2 個(gè)分量的大小，而沒有測與地面垂直的磁場方向的雷電磁場變化。

基于霍爾效應(yīng)原理測量雷電磁場的方法及裝置則能夠直接檢測出某一方向上磁場強(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大小的測量方法，并設(shè)計(jì)了一款測量雷電磁場的裝置，這種方法可以對(duì)磁場自身進(jìn)行測量。由于雷電磁場復(fù)雜，為了能夠更加全面地測得磁場隨時(shí)間變化的特征，該方法及裝置提出了測量3 個(gè)正交方向的磁場分量大小的設(shè)計(jì)思路，然后通過計(jì)算得出該點(diǎn)的總磁場方向和大小。

1 霍爾效應(yīng)測量磁場原理

當(dāng)導(dǎo)體中的載流子在雷電磁場中運(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，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相互平衡，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)測量磁場的原理如圖1 所示。在電流IS垂直于外磁場B通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體垂直于雷電磁場和所給電流方向的2 個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢差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；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)測量磁場原理及電路

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1 個(gè)已知方向、大小的電流，如果測出該半導(dǎo)體元器件兩側(cè)的霍爾電勢差大小，即可得到霍爾元件上所加的垂直方向的磁場大小。電路包含1 個(gè)限流電阻、1 個(gè)電流源和1 個(gè)開關(guān)，此電路及其元器件、參數(shù)、連接方式見圖1。

2 測量裝置設(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)出測量雷電磁場的裝置，整體設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。總體設(shè)計(jì)功能模塊包括磁場測量模塊、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。將磁場測量裝置置于待測量磁場中的指定測試點(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)開始記錄所述霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓值，記錄時(shí)間長度可以自己設(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)方式來記錄我們所需要的那些強(qiáng)度大的信號(hào)，從而過濾掉那些強(qiáng)度弱的信號(hào)，可以減少噪音干擾，不過多占用資源空間。通過閾值觸發(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)算處理后輸出待測點(diǎn)磁場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)置簡易，可以放置在室外進(jìn)行測量。

圖2 裝置總體設(shè)計(jì)功能模塊示意

2.2 磁場測量裝置

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

圖3 磁場測量裝置電路設(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測量裝置，各個(gè)磁場測量裝置與對(duì)應(yīng)空間支架的原點(diǎn)之間的距離相等。每個(gè)方向上的所述磁場測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^程，主要原因是在于回?fù)綦娏髌茐男宰顝?qiáng)，也在于雷電所有過程中回?fù)暨^程最易測量。實(shí)際上，回?fù)暨^程也是雷暴云外最明亮的過程，并產(chǎn)生易于探測的電磁信號(hào)，所以我們選擇回?fù)暨^程來進(jìn)行參數(shù)選取[7]。磁場測量裝置的參數(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 處磁場最大值為466×10-6T，自然閃電在1～200 km的磁場分布為1×10-8～5×10-6T。考慮到雷電發(fā)生地點(diǎn)的不確定性和測量數(shù)據(jù)的有效性等問題，儀器設(shè)計(jì)中考慮測量的磁場最小值為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拇艌鱿?，隨著工作電流的增大，附加電位差的影響也在增加。因此，在測量一定大小的磁場時(shí)，應(yīng)針對(duì)特定的實(shí)驗(yàn)裝置選用適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏鳎欣谔岣邔?shí)驗(yàn)質(zhì)量[10]。將霍爾片放置于雷電磁場中，并讓霍爾片平面與所測磁場方向(如y方向)垂直，可以估算出測得的霍爾電壓UH為8.45×10-10～8.45×10-4V。為了便于將測得結(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)[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)開始采集模擬電壓信號(hào)，并通過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)前軸方向上磁場分量Bx、By、Bz的大小，再由

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

另外，利用測得的數(shù)據(jù)還可以得到矢量磁場B的方向，設(shè)矢量磁場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B的方向角，矢量磁場B的方向余弦如下：

對(duì)于待測點(diǎn)的磁場方向，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。由于磁場測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)生過程中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行測量是雷電研究的基礎(chǔ)工作。本文裝置利用霍爾效應(yīng)來測量三維的雷電磁場大小，該裝置在現(xiàn)有的雷電磁場測量方法上做了改進(jìn)，較以往僅能測得2 個(gè)維度的電磁場方法有所提高。另外該裝置構(gòu)造成本低、質(zhì)量輕、易攜帶。

本文通過軟硬件結(jié)合研發(fā)出了這套雷電磁場測量裝置，預(yù)期在雷電測量及定位的相關(guān)研究中發(fā)揮特有的作用，此測量裝置對(duì)于雷電監(jiān)測預(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)一步研究基于該測量裝置的實(shí)時(shí)性傳輸問題。