《雷電電磁場傳感器標(biāo)定》編制說明

中國氣象服務(wù)協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《雷電電磁場傳感器標(biāo)定》編制說明一、工作簡況 1.1任務(wù)來源根據(jù)中國氣象局文件氣發(fā)[2006]78號《關(guān)于下達(dá)2006年氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計劃的通知》的要求，在2022年～2023年內(nèi)完成《雷電電磁場傳感器標(biāo)定》氣象團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。（針對雷電電磁場傳感器標(biāo)定工作的現(xiàn)狀和需求，中國氣象局政策法規(guī)司下達(dá)了《雷電電磁場傳感器標(biāo)定》標(biāo)準(zhǔn)化編制項目，）該標(biāo)準(zhǔn)由陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，四川中光防雷科技股份有限公司，北京雷電防護(hù)裝置測試中心參加起草，由中國氣象服務(wù)協(xié)會提出并歸口。項目任務(wù)書見附件。1.2主要工作過程預(yù)研階段2022年5月始，“雷電電磁場傳感器標(biāo)定”的標(biāo)準(zhǔn)編制人員，著手收集相關(guān)資料。在本項目資料收集過程中，標(biāo)準(zhǔn)編制人員對國內(nèi)外相關(guān)資料作了廣泛深入的調(diào)查研究等工作。在標(biāo)準(zhǔn)編制前期收集了大量相關(guān)的最新國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及資料。為標(biāo)準(zhǔn)的編制，提供參考。雷電電磁場傳感器標(biāo)定的現(xiàn)狀調(diào)查。為標(biāo)準(zhǔn)的起草積累了第一手資料。起草階段確定標(biāo)準(zhǔn)的整體結(jié)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)編制前以及編寫過程中，對標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和組成部分進(jìn)行了充分的考慮。對標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)論證，并予以確定，并對標(biāo)準(zhǔn)的編寫具體內(nèi)容做好具體分工。確定標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。對標(biāo)準(zhǔn)中有爭論的內(nèi)容，組織參編人員查閱各類資料和實地調(diào)研，并組織討論予以確認(rèn)。2022年10月組織各參編單位召開起草會議，并開始標(biāo)準(zhǔn)起草工作。2022年11月組織各參編單位進(jìn)行匯總，由陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院、四川中光防雷科技股份有限公司進(jìn)行匯總，并完成草稿審定工作。2022年12月提交初稿給中國氣象服務(wù)協(xié)會。下一階段將根據(jù)專家反饋意見對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論并完成修改工作。1.3標(biāo)準(zhǔn)起草單位及主要起草人該標(biāo)準(zhǔn)由陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，四川中光防雷科技股份有限公司，北京雷電防護(hù)裝置測試中心、北京中科飛龍傳感技術(shù)有限責(zé)任公司、南京云凱防雷科技股份有限公司、深圳市國家氣象觀象臺、湖南中普技術(shù)股份有限公司、浙江潤和安全技術(shù)有限公司參加起草，由中國氣象服務(wù)協(xié)會提出并歸口。主要起草人：邱實、石立華、張琪、張建培、張利華等二、編制原則和主要內(nèi)容2.1編制原則2.1.1立足國際與國內(nèi)研究最新進(jìn)展，保證標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的先進(jìn)性針對本標(biāo)準(zhǔn)編制，編制組查閱了近10年來與本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容相關(guān)的技術(shù)文檔、論文、技術(shù)規(guī)范和國家、國外標(biāo)準(zhǔn)，吸收借鑒了其中的先進(jìn)技術(shù)和方法，比如標(biāo)定場產(chǎn)生裝置中，擬采用的TEM波導(dǎo)、亥姆霍茲線圈和平行板標(biāo)定系統(tǒng)均為當(dāng)前國際和國內(nèi)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化測試環(huán)境，在不確定度評定方法中，總結(jié)歸納了論著中提出的這些標(biāo)定場產(chǎn)生裝置的主要影響因素。2.1.2針對雷電電磁場傳感器應(yīng)用中的特殊要求，科學(xué)提出擬編制的標(biāo)準(zhǔn)化要素雷電電磁場傳感器是用于測量雷電放電產(chǎn)生的瞬變電磁場的專用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于雷電監(jiān)測定位、預(yù)警系統(tǒng)和雷電電磁效應(yīng)試驗、雷電、靜電放電等相關(guān)領(lǐng)域的電磁環(huán)境評估和放電參數(shù)反演。然而，雷電電磁場傳感器量程范圍廣、頻率跨度大，與電磁脈沖傳感器相比體積較大，關(guān)注的頻段更低。在實際應(yīng)用中，傳感器的靈敏度、幅頻響應(yīng)、分辨力、線性動態(tài)范圍等都會對雷電探測效率產(chǎn)生影響，這些參數(shù)的一致性也會直接影響定位精度。由于目前缺乏相應(yīng)的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，影響了傳感器性能的標(biāo)準(zhǔn)化測試以及測量波形數(shù)據(jù)的使用。因此，本標(biāo)準(zhǔn)從實際應(yīng)用出發(fā)，通過對雷電電磁場傳感器標(biāo)準(zhǔn)化過程的考慮，確保標(biāo)準(zhǔn)化過程的目標(biāo)明確，實用性強(qiáng)，為雷電電磁場傳感器的性能檢測評估提供了有效途徑。2.2標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定2.2.1標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了雷電電磁場傳感器的標(biāo)定方法和步驟，可用于測量雷電以及其它放電過程的瞬變電磁場傳感器的標(biāo)定，規(guī)定的標(biāo)定項目包含幅度響應(yīng)和頻率響應(yīng)2類，幅度響應(yīng)具體包含靈敏度、分辨力、線性度、測量范圍、量程、動態(tài)范圍6項，頻率響應(yīng)具體包含上、下限截止頻率、歸一化幅頻響應(yīng)和帶寬4項。根據(jù)被測傳感器類型的不同，每一項對應(yīng)4種傳感器的標(biāo)定：電場強(qiáng)度（E）、磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）、電場變化率（dE/dt或E-Dot）、磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率（dB/dt或B-Dot）。2.2.2標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的確定依據(jù)國外相關(guān)領(lǐng)域最相近的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE于2013年發(fā)布的《IEEEStd1309-2013CalibrationofElectromagneticFieldSensorsandProbes(ExcludingAntennas)from9kHzto40GHz》（9kHz~40GHz電磁場傳感器和探頭校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)），國內(nèi)對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為國家計量技術(shù)規(guī)范《JJF1884-202010kHz～100MHz電磁場探頭校準(zhǔn)規(guī)范》和《JJF1886-2020電場探頭校準(zhǔn)規(guī)范》。以上標(biāo)準(zhǔn)雖然也涉及電磁場傳感器的標(biāo)定方法，但是與本標(biāo)準(zhǔn)有顯著不同，主要體現(xiàn)在以下4個方面：（1）頻率范圍不同由于雷電電磁場信號集中在較低頻率，本標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的頻段更低，甚至到直流，以上發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重高頻，低頻標(biāo)定相比高頻在方法上有特殊性，比如，對于反射和駐波的要求較低，因此存在針對性的優(yōu)化標(biāo)定方法。（2）標(biāo)定項目不同以上發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)主要關(guān)注規(guī)定了天線系數(shù)（或稱為校準(zhǔn)因子）的標(biāo)定方法，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了靈敏度、分辨力、線性度、測量范圍、量程、動態(tài)范圍、上、下限截止頻率、歸一化幅頻響應(yīng)和帶寬共10個標(biāo)定項目的標(biāo)定。（3）標(biāo)定傳感器類型不同本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4類傳感器的標(biāo)定方法，其中電場變化率（dE/dt或E-Dot）和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率（dB/dt或B-Dot）傳感器的靈敏度、幅頻響應(yīng)等項目的標(biāo)定在國內(nèi)外所有標(biāo)準(zhǔn)中都沒有涉及，屬于創(chuàng)新技術(shù)。三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果1、基于平行板標(biāo)定環(huán)境的雷電電場傳感器標(biāo)定技術(shù)研究 1.1場不均勻性的仿真研究平行板標(biāo)定環(huán)境的準(zhǔn)確度受到平行板尺寸和平行板間距的影響。為了評估幾何因素造成的場不均勻性，在CST中建立極板高度2m，半徑為可變的仿真環(huán)境，并且在上極板模擬注入了20V的電壓注入信號，在半徑1.5m時垂直剖面的電場等值線如REF_Ref121151215\h圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1垂直剖面的電場等值線改變半徑大小，得到半徑1m、1.5m、2m和3m時中心軸線上的電場垂直分布，如REF_Ref121151440\h圖2~REF_Ref121151442\h圖5。從圖中可見，半徑增大后，場均勻性明顯提高。采用半徑間距比值作為參考指標(biāo)，當(dāng)采用2m的半徑時，半徑間距比為1，在絕大部分區(qū)域內(nèi)不均勻性誤差在5%以內(nèi)；當(dāng)采用3m的半徑時，半徑間距比為1.5，在絕大部分區(qū)域內(nèi)不均勻性誤差在1%以內(nèi)。這一結(jié)論可作為標(biāo)定環(huán)境尺寸制定的重要依據(jù)。圖SEQ圖\*ARABIC2極板半徑1米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布圖SEQ圖\*ARABIC3極板半徑1.5米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布圖SEQ圖\*ARABIC4極板半徑2米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布圖SEQ圖\*ARABIC5極板半徑3米、間距2m時，中心軸線上電場隨高度的分布1.2實驗研究為驗證平行板標(biāo)定環(huán)境對雷電電場傳感器靈敏度的標(biāo)定效果，在實驗室搭建了標(biāo)定實驗環(huán)境，采用實驗室自行研制的雷電電場傳感器作為待標(biāo)定設(shè)備。REF_Ref119440741\h圖6為本次實驗采用的平行板標(biāo)定實驗系統(tǒng)組成，REF_Ref121152438\h圖7為電場天線的實驗室標(biāo)定現(xiàn)場，圖中的大圓盤為上極板，上極板與信號源的輸出端口通過同軸線相連，下極板接地，電場天線放置在金屬地板的中央，示波器用于測量電場傳感器的輸出信號。由于傳感器靈敏，不需要采用功放，直接將信號源連接到極板上。信號源為RigolDG4162型函數(shù)/任意波形發(fā)生器，內(nèi)阻50Ω，能夠輸出穩(wěn)定連續(xù)的波形，且波形失真程度較低；示波器為Tek3024，帶寬范圍200MHz，最大采樣率為2.5GHz。圖SEQ圖\*ARABIC6平行板標(biāo)定系統(tǒng)連接圖SEQ圖\*ARABIC7標(biāo)定實驗現(xiàn)場圖通過信號源注入100k的正弦波，能夠得到清晰的傳感器輸出信號，利用本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)定步驟，求傳感器輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)的比值，得到傳感器的靈敏度值。2、基于亥姆霍茲線圈的雷電磁場傳感器標(biāo)定實驗研究利用實驗室自行設(shè)計的磁場傳感器進(jìn)行標(biāo)定研究，其中傳感器的靈敏度可根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和線圈尺寸理論計算得到。實驗的目的是驗證標(biāo)定實驗結(jié)果與理論靈敏度的一致性。標(biāo)定實驗如REF_Ref121153935\h圖8所示，模擬器線圈的一端由信號源注入不同波形的信號，另一端串聯(lián)50電阻后接地。通過測量電阻兩端的電壓的得到流過模擬器環(huán)路的電流。磁場測量傳感器輸出接至示波器2通道記錄傳感器測量到的信號。被測環(huán)天線與模擬器截面平行,天線整體放在模擬器中央位置。圖SEQ圖\*ARABIC8雷電磁場傳感器標(biāo)定實驗連接框圖信號源在模擬器中注入頻率100kHz的正弦波信號，幅值由-20V至20V，間隔為5V，分別讀取每次實驗示波器兩個通道波形的峰峰值并記錄數(shù)據(jù)。模擬器內(nèi)磁場強(qiáng)度與系統(tǒng)輸出電壓值之間的比值為系統(tǒng)靈敏度系數(shù)。在實驗中，由模擬器信號輸出端串聯(lián)50電阻兩端的電壓可得到注入模擬器中電流的大小。實驗中隨著信號源輸出信號幅值的改變得到傳感器在不同磁場強(qiáng)度下的動態(tài)響應(yīng)，從而得到傳感器兩個通道在不同磁場強(qiáng)度下的靈敏度系數(shù)。記注入模擬器信號幅度為Uin，傳感器正交的兩個磁環(huán)分別為x和y通道，結(jié)果如表1所示：表1模擬器注入不同幅值信號時靈敏度系數(shù)（單位：nT/V）Uin/V-20-15-10-55101520x33.40733.88833.22833.82533.89933.55034.25333.068y32.86633.13633.00033.13631.57632.86533.03432.933為了確定傳感器靈敏度系數(shù)，本文對實驗各組數(shù)據(jù)建立線性模型進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7(a)、(b)所示。兩個通道各自的和方差（SSE）均接近于0，方程擬合線性度（R2）均接近于1，說明輸出電壓與輸入磁場間都具有良好的線性特性。(a)(b)圖SEQ圖\*ARABIC9(a)傳感器x通道靈敏度系數(shù)線性擬合；(b)傳感器y通道靈敏度系數(shù)線性擬合由擬合得到的線性方程其斜率的倒數(shù)即為傳感器靈敏度系數(shù)。設(shè)定磁場方向由西向東、由南向北為正，最終得到通過標(biāo)定擬合出的結(jié)果如表2所示。表2傳感器靈敏度系數(shù)擬合結(jié)果(單位：nT/V)通道靈敏度系數(shù)理論值誤差x-33.7332.613.1%y+32.6332.610.06%從結(jié)果中可以看出，標(biāo)定得到傳感器兩個通道的靈敏度系數(shù)分別為-33.73nT/V和+32.63nT/V，與理論計算的誤差分別為3.1%和0.06%。考慮到電路元器件的標(biāo)稱誤差，實驗標(biāo)定結(jié)果與理論分析非常吻合，印證了標(biāo)定方法的有效性。3、基于GTEM室的雷電電磁場傳感器頻率響應(yīng)標(biāo)定實驗研究采用REF_Ref119165237\h圖10所示連接的標(biāo)定系統(tǒng)，開展了GTEM室雷電電磁場傳感器頻率響應(yīng)標(biāo)定實驗。由于標(biāo)定頻率限制在3MHz以下，因此GTEM室反射可以忽略，標(biāo)準(zhǔn)中的雙向定向耦合器省略。圖SEQ圖\*ARABIC10GTEM室標(biāo)定系統(tǒng)連接實驗設(shè)備型號：連續(xù)波信號源：RIGOLDG4162型信號發(fā)生器；傳感器接收機(jī)：LECROYwaverunnerXI型示波器；待標(biāo)定磁場傳感器：實驗室自制；GTEM室：工作頻率0-2.5GHz。為了更準(zhǔn)確、更高效的完成實驗，我們通過控制計算機(jī)上的MATLAB編程控制RIGOL信號發(fā)生器和LECROY示波器，在MATLAB環(huán)境中獲取示波器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖SEQ圖\*ARABIC11GTEM室標(biāo)定系統(tǒng)實驗圖實驗器材按要求連接完畢后，就可以按以下步驟進(jìn)行：檢查器材連接情況；設(shè)置實驗初始條件，設(shè)置帶寬為100——10MHz，設(shè)置掃頻次數(shù)為500次，峰峰值為10V，設(shè)置信號源輸出電阻和示波器內(nèi)阻均為50Ω；開啟儀器電源，打開電源盒開關(guān)，打開儀器控制軟件，將儀器與計算機(jī)進(jìn)行連接；打開MATLAB運(yùn)行代碼，開始運(yùn)行；編程會自動記錄信號源和天線響應(yīng)產(chǎn)生的峰峰值數(shù)據(jù)，而后以頻率的對數(shù)形式為橫坐標(biāo)產(chǎn)生兩組曲線；同時根據(jù)式（2-4），得到幅頻響應(yīng)，以幅頻響應(yīng)數(shù)值為縱坐標(biāo)，以頻率的對數(shù)形式為橫坐標(biāo)產(chǎn)生第三組曲線；得到結(jié)果，獲得曲線，進(jìn)行分析。運(yùn)行代碼后得到的曲線如下所示：圖SEQ圖\*ARABIC12信號源監(jiān)測圖SEQ圖\*ARABIC13磁場天線響應(yīng)曲線圖SEQ圖\*ARABIC14歸一化幅頻特性曲線從幅頻特性曲線的形狀和趨勢看，實驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。首先是信號源產(chǎn)生的信號，在曲線上變化較大，范圍約在10.45-10.9V之間；其次是天線響應(yīng)的曲線，比較好的將此天線的通頻范圍顯示了出來，而且比較光滑，中間有一個比較明顯的凸起，是因為信號源在此頻點處有了一個跳動；最后是幅頻特性曲線，與天線響應(yīng)的趨勢相同，為了更直觀的看出天線的通頻范圍，對縱坐標(biāo)進(jìn)行了歸一化處理，可以看出，-3dB帶寬范圍約為296Hz～2.08MHz。四、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的程度，以及與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，或