磁天线工作原理及其应用与标定.docxVIP

磁天线的工作原理、应用及其标定1.1磁天线的工作原理磁天线的结构简单，最基本的结构就是在磁芯上绕上环形线圈，如下图（1）所示。工作原理是法拉第感应定律，当磁力线通过绕在磁芯上的环形线圈时，必然会在线圈上产生感应电动势，磁天线就是通过检测信号磁场分量的感应信号来实现对信号的检测、接收。磁天线接收到信号后，将信号传输到信号调节电路上，最后将处理过的信号传输到系统终端的处理器上，将数据进行保存，以便之后分析处理。图（1）1.1.1无磁芯时的电压信号输出原理From Tumanski [2007]VB图（2）我们设线圈的圈数为N，线圈的横截面积为A，磁通量为??，磁场强度为B。由法拉第电磁感应定律可知，导体回路（单个线圈）中感应电动势V的大小与穿过该回路的磁通量的时间变化率K成正比。此定律可以表示为： (1)所以当线圈圈数为N时，产生的感应电动势为： (2)又有： (3)可以得到： (4)在频率响应分析时，我们假设： (5)所以有： (6)最后得： (7)1.1.2有磁芯时的电压信号输出原理铁氧体磁芯的影响：在线圈中当作一个磁通量集中器。高磁导率，提高感应线圈的感应系数。（由铁氧体磁芯的有效磁导率的一个参数决定）低电导率，可以阻止涡流减小被测量磁场。由于磁芯的出现，感应线圈的比例因数变为： (8)上式中最后一项为磁芯的有效磁导率。1.1.3信号调节电路信号调节电路如下图所示：R1=390 kΩGain of 39 at 2nd stage (R1/R4)R6=470 ΩGain of ~22 at 1st stage (1 + 10000/R6)图（3）1.2磁天线的应用磁天线一般用来进行磁场强度的测量。利用两个正交环形天线感应电压的比值，可以得到入射电磁波的方位角??： (9)式中，和分别为两个正交环形天线上的感应电压。基于两站DF确定的方位角，利用三角汇交法可以确定雷电发生的位置P，如下图（4）所示。但是两站基线方向上发生的雷电无法利用三角汇交法来确定，因此至少利用三站DF才能确定所有方位放生的雷电。即使是采用三站DF得到的雷电定位误差仍然相对较大，必须利用多站定位，并经过优化处理后才能获得较为精确的雷电发生位置。图（4）在人工引雷实验中当闪电未击中引雷装置时，近距离磁场测量可以用来对雷电流的反演。根据电磁学中的毕奥-萨伐尔定律，携带电流为I的长直导线周围产生的磁感应强度B与电流I之间满足关系： (9)式中，为导线的距离；为真空磁导率。因此在一定的近似条件假定下，利用地面附件的磁场测量可以反演地闪回击的放电电流。1.3磁天线的标定标定方法如下图（5）所示。需要的仪器为：信号发生器一台，需要用的磁棒若干，示波器一台，调节电路，电阻，电子平台，绕上线圈的一定规格的塑料管。信号发生器的输出与塑料管一端上的线圈相连，将磁棒放到塑料管里面的中间位置，并将磁棒的输出接口接到调节电路输入端上，最后将调节电路的输出端与示波器连接。每一次标定过程中，信号发生器的输出电压不变，通过公式（10）计算塑料管内部的磁场大小，改变信号发生器输出信号的频率，同时观察示波器上面输出信号的变化，并做相应的记录。将记录的数据用MATLAB处理，就可以得到磁棒的频响曲线。 (10)由公式（10），当塑料管的长度很长，直径较小时，管内中心处的为：