磁场几乎无处不在。然而，评估大范围强度和频率（20 Hz 至 150 kHz）磁场强度的便捷方法尚未广泛使用。尽管存在这些限制，但您仍然需要这些测量的原因有很多。一个例子是追踪来自未屏蔽或屏蔽不良的
电缆的干扰。
在这个项目中，我们将开发一种方法来评估高电流电力电缆频率高达 150 kHz 的磁场发射，而无需切割或干扰电缆。
首先，我们需要两个简单的模拟仪器：
带有场传感器探头的手持式磁场计
校准参考验证源能够产生高达 1000 A/m（安培/米）或 1.26 mT 的磁场强度
一般来说，高精度测量不太可能实用或有用。这是因为许多磁场强度，尤其是高频磁场强度，即使在短周期和短距离内也可能发生很大变化。此外，值得注意的是，验证器克服了对仪器具有高固有精度的要求，但其稳定性通常是绰绰有余的。
用于测量磁场强度的手持式装置
让我们深入了解手持式磁场强度单元的开发和组件。首先，让我们看一下图 1 所示的仪表和验证器的框图。
磁场计和验证器的框图。
图 1.磁场计和验证器的框图。
请注意，仪表由单节 9 V 电池供电。从这里开始，我们将分解不同的必要组件。
磁场探头和前置放大器
该探头由一个长 8 mm、直径 7.5 mm 的 1.6 μH 电感器组成。它缠绕在绝缘
线圈架上，大约有 22 匝。提供静电屏蔽（单圈重叠的绝缘铜箔）。对于频率响应，电感值并不重要，但物理尺寸会影响灵敏度。探头连接到同轴电缆，静电屏蔽层连接到电缆屏蔽层。
探头是定向的，通常将其轴垂直放置（假设水平电缆）并感测磁场的垂直分量。不过，用户可以将其水平设置以测量水平分量。
总体而言，某一点的总场强是垂直场 Hv 与水平场两个分量 Hx 和 Hy 的平方和的平方根。
$$H_{总计} = \sqrt{H^2_v + H^2_x + H^2_y}$$
探头和前置放大器的原理图如图 2 所示。
探头和前置放大器原理图。
图 2.探头和前置放大器原理图。
前置放大器与主放大器物理集成并共享公共地。前置放大器的输出 X 连接到主放大器原理图的输入 X，如下图 3 所示。
主放大器原理图。
图 3.主放大器原理图。
前置放大器由输入阻抗非常低的跨导放大器组成。该技术从互感源产生平坦的频率响应。然而，与 20 Hz 时 1.6 μH 的电抗相比，获得足够低的输入阻抗是不切实际的。克服这个问题的一种方法是通过一系列对外部磁场不敏感的 1 mH 环形电感器来增加电感。线圈的电阻和添加的 15 Ω 电阻器通过与 1 kΩ 反馈电阻器串联的电容器进行补偿。
该电感器由约 20 匝铁氧体环形线圈组成，外径为 9.6 毫米，内径为 4.7 毫米，厚度为 3.2 毫米。环形线圈的 Digi-Key 部件号为 240-2522-ND。市售 1 mH 电感器体积较大，设计用于承载大电流，因此不适合此处。
主放大器
该放大器只有很小的增益，并包括两个滤波器。驱动高阻抗负载时，探头、前置放大器和主放大器针对探头处的 1 A/m 场强提供 1 mV 的灵敏度。SI 单位 A/m（安培/米）是一个“小”单位，与法拉相反，法拉是一个“大”单位，因此我们通常使用电容仅为法拉很小的部件。多么小？那么，1 A/m 在空气或真空中会产生 1.26 μT（微特斯拉）的磁通密度，而耳塞中的磁铁会产生约 1 T 的磁通密度。
之前在图 3 中，我们展示了主放大器的原理图。其中，级是一个三阶低通滤波器，用于消除约 200 kHz 以上的噪声。
低通滤波器后面是一个三阶高通滤波器，其 -3dB 频率可以使用开关 S1a、S1b 和 S1c 在 8 Hz 和 800 Hz 之间切换。这些开关可以使用单个 3 极 2 路（或开关）开关来实现。
在图 3 中，第二级中的开关被配置为从第二级滤波器产生 8 Hz 的 -3 dB 频率。在这种宽带响应模式下，8 Hz 响应适合衰减闪烁噪声。在此配置中，完整的主放大器提供宽带输出，在 20 Hz 以下至 100 kHz 范围内具有基本平坦的响应，并且在高达 150 kHz 时有有限的下降，如图 4 所示。由于其他耦合电容器（C2、 C7、C11、C18），完整主放大器响应的 -3 dB 频率为 11 Hz。
主放大器频率响应显示配置为 8 Hz 响应的三阶低通滤波器。
图 4.主放大器频率响应显示配置为 8 Hz 响应的三阶低通滤波器。
对于 800 Hz 高通响应，1.5 kΩ 电阻与 R8、R9 和 R11 并联，以衰减 2 kHz 以下的电源频率和谐波分量。采用 800 Hz 高通滤波器配置的主放大器频率响应如图 5 所示。
主放大器频率响应显示配置为 800 Hz 响应的三阶高通滤波器。
图 5.主放大器频率响应，显示配置为 800 Hz 响应的三阶高通滤波器。
这些滤波器看起来像 Sallen-Key 等分量值三阶巴特沃斯滤波器，但并不完全一样。对于真正的巴特沃斯响应，个无源部分后面应该跟有缓冲器，以便第二个部分由低阻抗馈电。但就我们本项目的目的而言，这是没有必要的。
第二级高通滤波器的输出应用于第三级低
功率放大器，该放大器提供驱动 50 Ω（或更高）负载的输出。
磁场强度验证仪
产生大磁场强度的一种简单方法是使用螺线管。可以根据物理尺寸和电流准确计算场强和电感。电感的测量值可用于检查计算的场强。
螺线管长 50 毫米，直径 16 毫米，匝数 200 匝。它缠绕在纸板模型上（如果被烙铁接触，纸板不会熔化）。当然，前一个孔需要足够大才能容纳探头。它可以在一端粘有一个唱机连接器（因此需要焊接），以便可以通过屏蔽电缆将其连接到验证器放大器。
验证器放大器是一款使用 LM386 的低功耗放大器，工作电压为 15 V。它被配置为电流源输出，可在 20 Hz 至 100 kHz 的任何频率下产生基本恒定的电流，并有限降低至 150 kHz。
验证器电流输出的频率响。当然，螺线管中的磁场与电流严格成正比，因为空气具有恒定的磁导率。
如果期望 LM386 音频放大器在 150 kHz 下产生 250 mA 的电流，并在螺线管中产生 1000 A/m 的电流，那就太过分了。它将产生高达 15 kHz 的 250 mA 电流、高达 100 kHz 的 25 mA 电流以及高达 150 kHz 的 12.5 mA 电流。很少遇到高频
强磁场。
由于高电感负载，设备在产生 250 mA 电流时会变得相当热。如果需要提供电流超过一两分钟，则可以将散热器粘在其上，这通常足以检查校准。
使用验证器
将探头线圈插入螺线管，大约位于中间点以使用验证器。进出探头可显示螺线管内部磁场强度的均匀程度；仅当探头接近末端时它才会改变。
磁场强度计的用例示例
考虑到所有这些，让我们探讨一下该磁场强度计的一些示例用例。
电源变压器的磁场泄漏
尽管电源变压器正在被开关模式技术取代，但仍有数十亿台变压器在使用，并且出于某些目的，它们可能是。然而，它们确实会产生外部磁场，并且电流通常不是正弦波，因为变压器通过滤波电容器为整流器供电。因此，该场包括高达至少 10 kHz 的工频谐波分量。这可能会对附近的音频电路造成严重的“尖峰嗡嗡声”干扰。尖锐的嗡嗡声并不是低沉的咆哮声：谐波含量因磁耦合过程而放大，其中感应电压与其频率成正比。在管子/阀门带有网格而不是底座或闸门的时代，它曾经被称为“网格嗡嗡声”。
单根直导体的磁场
磁场方向是圆形的，以导体为中心，其强度 H 由以下公式给出：
$$H = \frac{I}{2πr}$$
在哪里：
I = 以安培为单位的电流
r = 测量场强的半径
扁平电缆（如 Romex）的磁场泄漏
在距电缆一定距离处，与两个载流导体的间距相比，来自相反电流的磁场几乎抵消，但在靠近电缆处则不然。可以准确计算场强。图 10 显示了对两个相距 1 厘米的导体产生的场的垂直分量进行简化计算的结果，假设导体非常细。可以看出，场强随着距离的增加而迅速下降，但靠近电缆时场强可能相当强。
水平双导体电缆中相距 1 厘米的极细导体之间和之外的垂直磁场强度。
场强测量值
在接下来的部分中，我们将介绍该项目的不同场强测量。
电源变压器的磁场泄漏
在距变压器外壳 25 mm 处，测得场强为 50 A/m。波形是失真的 50 Hz 正弦波。该场强足够大，足以在附近的电路中产生可听见的“尖峰嗡嗡声”信号。
该电缆承载调暗至一半电流的 400 W 电阻负载电流。结果无法与图 9 进行数值比较，因为导体的直径 (1.6 mm) 与其间距相比并不小。然而，表 2 显示了场强如何随距离而减小。
显示了相同的响应，以 dB (mV) 为单位，分贝称为 1 mV，以更好地突出高频组件的优势。在这里我们可以看到 150 Hz 分量比 50 Hz 基波低 7 dB，比率为 0.45。谐波实际上延伸到大约 10 MHz，但频谱分析仪不会延伸到这样的频率。
2 芯电缆外部的垂直磁场，对数刻度。
图 12. 2 芯电缆外部的垂直磁场，对数刻度。
场强计原型总结
这两个完整的原型是在杂散比印刷板更高的插板上构建的。印制板的性能可能会好一点。
原理图是使用且非常强大的模拟器 LTspice (www.analog.com) 生成的，除了作为一个满意的用户之外，我与它没有任何联系。它们以图形形式再现，不会运行模拟。模拟结果基于具有值的较为理想化的部件。元件容差可能会稍微影响中频增益，并导致频率响应极端处的增益变化。虽然可以通过添加几个预设组件来纠正这些问题，但验证程序使这变得不必要。
