（检测技术与自动化装置专业论文）微波漏能测量仪的设计与实现.pdf

摘要 ( 随着现代社会高科技技术的迅速发展，越来越多的电子产品进入 、 家庭社会。这些产品给我们的学习、工作、生活带来了许多的方便， 但是同时也产生了大量的电磁污染。众所周知高强度的电磁辐射对人 、， 体有极大的危害。而我们所生活的空间却存在着大量的电磁辐射。因 此如何精确的测量和消除这些电子产品所引起的电磁辐射已经成为 。_ _ 。_ - - - _ _ 。_ _ _ _ 。一 一个急待解决的课题。智能微波泄漏检测仪正是基于以上情况而研制 的，它是专门用于测量微波设备电磁能量泄漏的仪器，是一种电磁场 近场测量仪。它主要应用于测量微波炉、微波医用设备、微波工业设 备以及其它微波能应用设备的微波泄漏。其具有灵敏度高、数值显示、 ， - j 读数准确可靠、体积小、重量轻等特点。 本文给出了仪器的基本结构、性能指标、测量原理、校准原理和硬件的实现。 并且着重介绍了微波漏能测量仪传感器探头的设计原理和校准标定的方法以及 误差分析。 关键词：微波漏能：孺。量仪? 全方位探头：校准 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns o c i e t y sh i g h t e c h m o r ea n d m o r ee l e c t r o n i cp r o d u c t se n t e ri n t ot h ef a m i l y t msp r o d u c t sb r i n g u sal o to fc o n v e n i e n c ef o ro u rs t u d y 、w o r ka n d1 i f e b u ta tt h e s a m et i m et h e yp r o d u c em u c he l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o n a si ti sw e l l k n o w nh i g hs t r e n g t he l e c t r o m a g n e tj cr a d i a t i o nw i 】ld og r e a th a r mt o h u m a n b o d y w h i l e t h ecj r c u m s t a n c ew el i v ee x i s t s p l e n t y o f e l e e t r o m a g n e t i cr a d j a t i o n s oh o wt oe x a c t l ym e a s u r ea n de 1i m i n a t e t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni sb e c o m i n ga nu r g e n tt a s kf o ru st o s o l v e h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tm i c r o w a v el e a k i n gd e t e c t o ri s b a s e do nt h e s eh e r e i n b e f o r e i t i ss p e c i a l l yu s e df o rm e a s u r i n gt h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nl e a k a g eo fm i c r o w a v ed e v i c e ，i ti sak i n d o fn e a re l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t i tism a i n l y u s e df o rm e a s u r i n gt h el e a k a g eo fm i c r o w a v eo v e n 、m i c r o w a v em e d i c a l d e v i e e 、m i c r o w a v ei n d u s t r yd e v i c ea n do t h e rm i c r o w a v ed e v i c e i th a s f e a t u r e ss u c ha sh i g hs e n s i t i v i t y 、n u m e r i c a lv a l u ed i s p l a y 、r e a d i n g n i c e t ya n dc r e d i b i l i t y 、v o l u m es m a l la n dw e i g h t1 i g h te t c t h isw o r kp r e s e n tt h eb a s i cs t r u c t u r e 、t h ec a p a b i l i t yg u i d e l i n e 、 t h em e a s u r e m e n tt h e o r y 、c a l i b r a t i o nt h e o r yo ft h ed e v i c ea n dt h e h a r d w a r er e a i z a t i o n ，a n de m p h a t i c a l yi n t r o d u c et h et h e o r yo ft h e s e n s o rd e s i g n a t i o na n dt h em e t h o df o rc a l i b r a t i o na n de r r o ra n a l y s i s k e yw o r d s ：m i c r o w a v el e a k a g e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t c a l i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：壶) 丝塾 i i 其1 1 ：w 泣年彳月口日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： ， 导师签名：至选 i ! i 期：矿1 年月归日 电予科技大学j _ i ! i i q ：t i j l ：究生毕业论业微波漏能测蹴仪n 勺世计j 1 央j 虬 第一章绪论 1 1智能微波漏能测最仪研制的意义 随着现代社会高科投技术的迅速发展，越术越多的i ur ，“t l f 上址入家庭 社会。这些产品给我们的。学爿、r 作、生活一特来了y f ：多的力便，们址川 寸【乜产生了大量的电磁f 染。众所”d 知i ：【_ ! l 磁辄州刈人体仃极大f | 0 危j i f 。 氏期接触低功率微波辐射时，u j 引起头痛、头一i k 乏力、记忆力减邋、失 眠、多汗、心悸、腹痛、食欲不振等症状：心电图可出现实性心动过缓、 窦性心律不齐、房室传导阻滞及脑血流异常的改变。尤其烂眦吣蜮易受 到微波辐射的影响，严重者可引起眼晶状体混浊，最后可导致门内障等。l 硐 此如何精确的测量和消除这些1 = 乜予产品所引起的l 乜磁轧i 射已经成为个 急待解决的课题。 无论是微波功率测量还是微波其它参数f 勺测聚都是十分复杂和繁琐 的，特别是空州辐射测t i ；= | ，i q 结果存存蓿较火n 勺测”跌麓。根捌我们的 月 代脱在幽内使用的微波漏能测砒仪器1 i 要足1 4 “的r c q 一1 a 微波漏能测 试仪和美国国家标准局的e f m 一5 各0 巾i ：i i x 场j | i 测仪。另外人邝分| | ： 专业的检测手段都是十分粗糙和落后的。例如在微波炉泄漏能量榆测中， 取一只8 w 的同光灯管在微波炉工作在最火频率的时候i 7 , i 绕微波炉j 缝 隙转动一圈，如果灯管不发亮则说明微波泄漏能量在安全标准以内。? ： 某处发现灯管很亮或者微亮，则说明微波泄漏能最在安全标玳以外。庸 该立即停止使用微波炉， ：刈其进行检修。 一般的微波漏能检测设备，都有很多的缺点：采用热也偶作为 簟感搽 反戌时削慢，而且卜分容易受到外界温度的影；蝴，造成很_ 人 c j 测：i ：以，j 。 1 0 感器探头的力l 性不r ，小能达剑微波渊能测 l l i _ 婴求的符l i j ：l 中q 要求。这就使得在使用这蝗漏能检测设备的时候，必须4 i 断的旋转探头 直到达到测量的最大值。这样不仅给测量带水了 h 多刁i 必要的麻烦，还 使得这种仪器不能测量低重频脉冲能量的泄漏。因为传感器采川叫刘i i i 交偶极子，所以不能测量空间三维场。国外有的漏能测戢仪采川i 个i l ： 交的偶极子作为传感器的探头，但是探头中三个讵交的偶极予不能达到 “共心”( 即代表坐标三个方向x 、y 、z 的- t i 个偶极r 的坐枷i 原j ? ，i 4 i 能 电子科技大学坝士研究生毕业论文微波漏能测量仪的砹计实脱 重合) ，这就使得测量显示的值不是探头所在点的亍f i ! 漏能景值，i 而足探义 的三个偶极子所围成的面秋的平均值，带来系统以差。 智能微波泄漏检测仪n i 是基于以上情况而研制的，它是专门t i l j 。j ：测砒 微波设备电磁能量泄漏的仪器，是一。种电磁场近场测：l i 【仪，它 s 小l ：兜 服上述漏能测量仪的缺- 、i 。它1 - - ：要j 衄j i jj 二测；1c 微波炉、微波医川设符、 微波工业设备以及其它微波能应用设备的微波泄漏。其具有灵敏度i 1 i i 、 数值显示、读数准确可靠、体积小、重量轻等特点。智能微波泄漏检测 仪较以前的微波泄漏检测仪相比还增加了保持功能。存保持功能下，” 本次测量结果的数值高于上次的测量结果的数值的时候，显示d f 妊刁小 次测量结果，反之则显示上次的测量结果。t f 是增加了这项功能使得此 仪器具有测量微波低重频脉冲能量泄漏的能力，l 司时在探头方阳。陀4 i 女， 时简化测量操作。在保持功能扣j 1 ：的情况卜，低艰频脉冲j “生后j c 泄渊 的能量马上被微波泄漏检测仪所保持，从而达剑测量其怖i 值n 0 + 由。此， 此仪器突破了传统仪器不能测聚微波低雨频脉冲j 力率的限制。j j - l 外仪器仃 2 r o w c m 2 和2 0 0 u m w c m 2 两个量程以及2 4 5 0 m l l z 利9 1 5 m 地两个频率 。 1 2 我国现行射频辐射卫生标准 微波的容许辐射限值即卫生标准最早是i l i 原扔：联和荚因分别j ：5 ( ) 年 代初期提出的，前者的标准比后者要严格的状况持续达3 0 年之久。虽然 从8 0 年代以来苏美的卫生标准，包括微波的射频 乜磁波卫t l 标玳邮f 1 ；了 修改，但至今仍有很大差距，主婴是凶为制订标准的依抛小川。找成 其他很多国家也分别制订了各自的卫生标准。以f 在按建立电磁波m 小 标准的不同依据归纳为两类的基础【：，剥我网的订关劓频暴露j 小标h i i 分别予以介绍。 1 2 1 以热平衡理论计算为基础发展成以比吸收率( s r ) 为依据制定| j 牛标准 美国在1 9 8 2 年前的标准，对频率1 0 m h z 一3 0 0 ( ；i i z 的电磁波，不分频 段都规定功率密度为1 0 m w c m 2 ，这是以微波的热效应和热交换原则为依 据于1 9 5 3 年由s c h w a n 提h 1 的。假设人体侮| 1 从食物r i l i 摄取的能艟为 1 2 6 m j ，有效系数低于3 ( ) ，则7 r8 7 9 m j 的热时需敞发上，以人1 小总 屯子科技大学倾i 一研究生毕业沦义微波漏能测量仪的址计o j 实j 砒 表面积2 m 2 计，正常条件下人体平均散热为5 r o w cr r l ! 。考虑到人体j 1 ：l 川 倍的散热量是力所能及的，又山i 照射面积= c | j 2 多小超过总体表i f t f l ： “门i 2 ，附加能量值可加倍，i 朋而建议lo m w c m ：作为一雎生标准。奖家 标准研究所( a n st ) 于】9 6 6f f 螭j ：以卜建议和牛物实验热效j 衄研究，f 1 1 了具体规定，即在任似6 分管寸叫内的、f 均功：棼密度4 i 容许超过1 1 w c m2 ，可以长时i t 白j 辐射。陔标准使用于频率l o m l z 到3 0 0 g h z 的i u 磁波j = f 射，不分频段。低于1 0 m h z 频段则不限制暴露值。 1 9 8 2 年美国制订了新的射频l 乜磁场卫生标准，它皿然仍足j - gj ：热效 应制订的，但已经不仅是计算和假设，而有了较多的动物实验等资料依 据，其主要特点是采用了汁撮学概念。虽然标准中仍采用场强成j 山率密 度，但这些是以剂量率来定标的，c ! | j j 旧比吸收牢( s p e c j co b s orn t io n p a t e ，s a r ，单位为w k g 或m w g ) 。美i 凋闳家标玳埘根圳他们以微波羽l ，哪 知 波辐射大鼠和猴，h , dm 1 i 剑小寸，所! i a 爪坩典验动物的行为j 、，：q - 1 i 利影响的比吸收率闽值接近4 w k g 为依据。采j tj 安全系数l o ，以s a r 为 0 4 w k g 作为基准值来确定容许暴薅限值的。在俐一s a r 下的功率密度限 值随不同频率而异，由于1 7 5 m 高的成人共振频率在接地条件。n 叮低剑 约3 0 m h z ，而幼儿约3 0 0 m h z ，故在这超短波波段的标准最严，为l m w c m ：。 电磁波频率高于3 0 0 m h z 的标准则放宽，频率1 5 ( ；h z 以下为5 m w c m 2 ：频 率低于3 0 m h z 的标准也放宽，频率3 m h z 以h 向i i _ ! l 场标准为6 3 2 v l ，磁 场为1 6 a m 。该标准不分职业暴褥或公众裂嘏，使j 1 闻一的抟v i ：j i | ) 1 1 ：i ! c 。 很多西方国家规定了相似l 勺标准，i ! | _ j 以s r 为舭准。1 9 8 4 年倒际甜- i 射防 护咖会( 1r p a ) 对lo o k h z 到3 ( ) o m i i z 的刺频i 乜磁场制订了暴露限恤f r , j 杆i r , l 规定，它将上不境公众暴馘j 职业聚簖i 佝标准加以】) ( ：分，脯行约为肝一i 竹j 5 ，即分别以0 0 8 w k g 硐j0 4 w k g 为基准。19 8 8 年和19 9 8 印川继刈 标准作了修改并重新颁布，其职业暴露标准与美国的a n s ic 9 5 卜1 9 8 2 标 准在限值上非常接近。 美国现行的射频辐射 j 生标准是由美国i u 气和l b 予jj ：符! 研究所 ( ie e e ) 标准委员会于1 9 9 】年通过， ：l9 9 2q - 颁川j f 内雕c 9 5 1 叱了科技人学硕j “研究生毕业论史微波漏能测艟仪| 勺| 殳计止脱 1 9 9 l ( a n s ic 9 5 11 9 9 1 ) 。该新标准ja n s lc 9 5 1 一l9 8 2 的：1 i 婴i 父! i j l j 订以 下几点：( 1 ) 将标准区分为控制环境( c o n t f o l | e dc n v jr o n m ( 1 3l ) 和i i ! 控 制明i 境( n c o n t f o l l e de n v ir o l 3 1 1 1 c nl ) 岫类，。邑懈仃刈1 i 其他家采川的 职业暴露和公众暴褥的【式分。1 讨1 1 = 指人 r 1 知道i m 受到辐划的场所，他 括作业场所以及人们非职业性经过f 由；l j l 5 些地力+ ，和：那早人们知通辄射水 平可能超过所规定的非控制环境的标准水平后者足指人们不知或不能 控制其暴露的场所，这种辐划可以在生活区或嚣址存 i 作地点仙制恕小 到会存在超过该标准辐照水平的出现。这种分为控制与非控制川：境的划 分方法，是以受到辐射的场所而不是以受辐射杆米划分( 如职_ k 烬褥o j 公 众暴露的划分) ，这种划分擀限4 i 够i j 确，州：r i i 执行l j 较难实施。( 2 ) 牛，j i 准的频率下限从3 0 0 k h z 延伸到3 k l l z 。( 3 ) 曲i 频率较低的波段，j c 磁场乔 许暴露限值比1 9 8 2 年的标准放宽2 个数蠡 级，i i i 6 3 a m 跃剑1 6 3 a m 。 ( 4 ) 微波波段的容许限值放宽，从3 0 0 0 m i i z 的限他原水的5 r o w c 】! 放忧 到1o m w cr n ? 。其理由是与红外线标准棚当。( 5 ) 为了预防电击和烧伤， 在l o o m h z 以下又规定了从暴露者到地面或到导l 乜物体所流过的蜮人, 1 1 流 限值。 1 2 2 对实际暴露人员进行定期体检，以人体和现场调查为j i ，辅以动物实验 作为制订标准的依据。 原苏联对高频和微波的标准足在现场劳z 讪l i 小调研的基础l ：抛 的。对中长波波段最早提场姒为l ( ) v mf i ，jj b 、l | i 撩簖电场1 j 乍机玳，l9 6 5 年修订为2 0 v ml 乜场和5 m 磁场标准，1 9 7 7 印i i f 次修改成为脱jj + 标玳。 新标准将中长波段的电场卫生标准放宽到电场姐艘为5 0 v m ，频率卜| 5 | j 扩展到6 0 k h z ；对短波和超短波则分频段制订了场强5 2 0 v i n 的i i | i ! 值。环 境的射频暴露卫生标准约为职业暴露标准的l 2 。至于微波辐射，他们 对接触功率密度o 1 m w c m ：辐射的： 人健康竹：了6 8f l - 的动念舭察，撤 掘所表现出来的自觉症状硐l 植物神经功能状态，结合慢性幼物实验( 辅州 功率密度1 m w c m 2 ) 出现f r , j p 帜神经系统及心f i l l 竹的机能j 形态n q 救7 嫂， 最早确定功率密度l o “w c l n ? 为玎j 、i k 黎褥允订：l j l 、! 他。刚时拔4 i 川接触时 叱了科技人学坝卅究生毕业沦义 微波潲能测l 2 仪的i 5 i l 一，1 爻j 虬 间提出了分级标准。经过19 8 4 年的修改形成了现行的微波辐射一f j i ! 标玳。 陔标淮改变了以往按不同暴露时删所舰定的分级标准，而采j 门了ii 刹i 1 ；： 限值( 2 0 0 1 1w h c i 1 2 ) 。原苏联学者还从动物实验得出，微波g i 物效应z l ： 功率密度低于4 m w c m 2 以下与辐射强度接近线性关系，而存4 lb r o w c m 2 以上才是非线性的。i h j 他们认为采刚剂m 1 收值比分3 级杯准虹为 合理。该标准按每r8 小时计，作、l k 场所脊i ，i ：辐射姒度为功牢密瞍2 5u w c i t l 2 ，比原标准放宽1 5f 冉。刑环境公众裂嫦值定为】0 w c i n 2 。挑 兜、波兰、匈牙利等囤的i i 小标准址符小十川，似他们部足桶j ：1 ：必依 据现场劳动卫生调研并辅以实验研究研制n q 标准。 1 2 3 我国射频电磁场的卫生标准 我国根据6 个地区有关工厂的微波劳动卫生调研资料和急慢性动物 实验结果，于1 9 7 9 年由卫生部和四机部联合颁发了在埘部试行的微激 辐刺暂行卫生标准。动物实验所甜的微波辄划f 川矧：川6 9 ；j 姒j | ：! ：为功：钲 密度1 m w c m 2 左右。从人体健康检夼得jj _ ：k 期托功率密度超过 2 0 0 i jw c m 2 ( 周期性地接触数m w c m 2 ) 条件下i ：作，h r 引起l 1 1 = l j ( 和心1 | l 1 ；系 统的机能紊乩及自细胞、小扳轻肢a 成少。j 力求懈j ! ：红小j 二5 ( ) uw c , 之 f 的接触则除主诉神经衰剿之外，客观指标| 洲i ：牢米见增i 岛。拾j 。1 时作业人员每日实际暴露h , - j 问不超过6 小时，故以功率密度5 0 uw c m ? ( 6 小时日) 为标准( 动物作用阈强度的安全系数没定为2 0 ) ，同时规定l 千| j 娅 的同剂量标准为3 0 0uw h c m 2 。经1 9 8 2 年全幽l 队业病酱查- p 微波作q p 者的体检，以及脉冲微波引起脑线粒体标志酶下降的闽强度为0 5 m w c m ! 等实验研究，1 9 8 3 年修订了我罔的辛吁行微波辄射标准，即现 j ：标玳，i9 8 9 年一i 式被批准为国家标准( 农1 ) 。浚标准除规定协8 小l 时的窬n ：辅射j 力 玮i 密度外，仍以r 剂量为4 i 旧暴鳞时n = l j 的容y l ：j j 醍他。确i 标准中，刈j ：0z 讪 火线的脉冲微波辐射规定了j 连续波蚓样的抓玳，【! | j 功率衔_ | j ：5 0i lw 1 1 1 ( 8 ，j 、吲) 或4 0 0 “w h c i 1 二( 刹j l t ) ，刈l 。i ij 正j = f 1 1q jf f jj j 水p i 微波柏i h e 贝0 【e 以上要严，限值为功率密度2 5 i jw c m ! 或2 0 0uw h c m2 。所训删定 辐射的定义为转动天线的l t 小_ j 二o 1 的辄射。l 是指检测化所受辄削 电于科技人学坝- i “研究生毕业沦史微波j i i ；能测埘仪n 改计j 哎j 虬 大于或等于主波束最大平均功率密度5 0 强皮时的时问，t 为天线运转 一周的时间。在从事接触微波工作或生产的条件下，有些作j l k 所受微波 辐射仅限于手部，头脑等重要部位所受辐射强度甚微。我国现行微波1 i 生标准对仅仅肢体的局部辐射，其容许平均枷刑似度和h 剂：i e 个身辐 射时放宽1 0 倍。我国超短波的耳 业暴徭标准出址在现场渊研和实验研究 n 勺基础上提出的，于1 9 8 9 印颁币i 为i 凋家标玳( 农2 ) ，咳标准也i x 分连续激 j = f 1 5 射和脉冲波辐射，一j lh 小j 卜j + 1 i2 作的城人弈n ：轧j 则i n 场姒度分圳为l 4v i l l 和1 0 v m ，并按暴j ；= ；叫m 的k 觚，i ：分为2 缎标准( 表2 ) 。l 频波段 的职业暴露卫生标准标准委员会已通过，有待家技术监督局批准。 表1 我国作业场所微波辐射卫! l 标 h v _ h _ 。_ _ 。_ 。“。_ 1 - 。 h w - 。- “ “ d d _ _ + 1 一_ f 辐射条件：8 小时f i 容 l l “w c m 2 连续波或脉冲波非固定辐射 5 0 脉冲波固定辐射 2 5 仅肢体辐射 5 0 0 注：( 1 ) t 为暴露时间，单位为小时。 准( ( ；b 1 ( ) 1 ：j 68 9 ) r 剂最 ( 2 ) 短时间最大暴露限值不得超过5m w c m 2 。 4 0 【】 2 0 ( ) 4 0 0 ) 容韵：功，棼密度 ( t lw c m ! ) 4 0 0 i 2 0 0 i ( 3 ) 在超过1m w c m 2 条件下，除按f i 剂量棒n ：裂j 薛时间外，还狮使川防 ) 眼镜。 ( 4 ) 固定与非固定辐射定义见文| 1 叙述。 表2 我f l , l k 场所j | ! 【i 女l 波( 3 0 3 0 0 m i i z ) 辐射卫生标准( g b1 0 4 3 78 9 ) 电子科技大学硕士研究生毕业论文微波漏能测量仪的、嫂汁，实脱 辐射条件容许功率密度值相应电场强度( m w c 1 1 1 1 ) ( v m ) 连续波8 小时同 j 】永l ，波8 卅、i 时卜1 ( ) 0 2 5 0 ( ) 5 l4 】9 l ( ) 我国环境电磁波卫生标准的研究，除基 ：职、l k 暴露标准研究资料外， 扩大流行病学调查范围，观察了青少年和儿稍受j q ：境f 【i 磁波作川肝刈视 觉反应时、短时记忆力、中性粒细胞吞噬功能和酸性磷酸酶等的影j i q ； 补充实验动物长期受低强度辐射对免疫功能| i 勺。艾验研究，提了分为2 级的容许辐射限值。该标小，j j 的绂标准，指公众( 包括婴儿、孕女i 嗣j 老删 病残者) 在该环境下长期肝f 口i ：活，其 j j ! 康刁i 受i u 磁辐射影响的1 ) ：域： i 绂指长期居住生活在该区，州能会对易感人j 盱i j l 起某些不良影l i 虮o 改册 加以限制，此地可建造一i ：j 利机火等，已业逃f r , j j + 采取通”1 的i 圻j ：i i 卅施。 超过二级标准的地区可作为绿化带或利一植农f l i 物等。分级标样e 的 f 的n ! 于使靠近辐射源的现有建筑物得到合理使用，并有利于在设计城1 1 j 规划 时合理使用土地。 关于我国电磁波的暴露限值，还有山因家瑚i 保局发砷川内f 也磁辐射防 护规定，也是国家标准。该标准麻用s a r 荆 i t ，) i ! i i 定在2 4 小叫内仃虑 连续6 分钟的平均s a r 廊小j ：o 0 2 w k g ，刘择频段的导“j 他见农5 。咳 限值明显比环境电磁波。i i 乍标准宽，仳在这胤定巾f ! | j 确指, t l ，j 懂小竹“l ij _ 合朋! 达到尽量低”的原则，外蜕叫符、f i | 佗或部ji 川j i j 定荇r i 的竹川仉 其值应严于泼规定的限位。 基于以上我国微波辐别的标准我们确定所研制的微波漏能测城仪的 量程为2 m w c r f l 2 和2 0 0 u m w c 1 1 2 两个量程。闪为现扫：常川的微波炉、微波 医用设各、微波工业设备的频率是2 4 5 0 m h z 似川微波_ i l 亘俯| q 堋率址9 15 m i i - 电子科技大学硕士研究生毕业论义微波漏能测量仪的设计o ，实帆 所以我们选择了2 4 5 0 m h z 平9 l5 m h z 两个频率点。 表3 公众照射导出限值( g b8 7 0 2 8 8 ) 频率范围 ( - i z ) o 1 3 3 3 0 3 0 3 0 0 0 3 0 0 0 1 5 0 0 0 咆场姒度 ( v m ) 1 f ) 6 7 i 1 2 ( 2 ) 0 2 2 f ( 2 ) 15 0 0 0 3 0 0 0 02 7 ( 2 ) 磁场姒j 功j 簪： 延 ( a m ) ( ) 】 ( ) 17 r 0 0 3 2 ( 2 ) 0 0 14 i 、( 2 ) ( ) 0 7 3 ( 2 ) ( w c m 2 ) 4 ( ) ( j ) 1 2 i 。( ” o 1 f 7 5 0 ( ) 注：( 1 ) 系平面波等效值，供对 ! ( 参考；( 2 ) 供对j ! ( 参考，1 i 作| 5 | 、! f i l i _ ：收中i 。越频：棼，p 化为m i i z 。 u 了科披人学坝1 研究生毕业 仑义微波漏能测i t 仪的啦汁。j 填j 弛 第二章传感器设计及j e 校j l ：原理 任何一个空间矢量都可以_ | ；| 王个狄卜尔坐标i 、f ，和i ：完整的表j 。这就表 明电磁场中任一点的电场e 都可以通过与狄卡尔堆标霞合的三个偶极予测得。 根据电磁场理论知，一个已知辐射源的近场结构一污复杂，i i i 感应场和犏刑场叫 部分组成，其分布在大多数情况下无法用解析方法甚至数值力法狄得。感j 衄场 与行波场最大的区别在于它| q 三个狄卡儿 h 柏i 分i t - 肼u 个都1 i i , jo p ：, - i i c 他 两个分项表示出来，也就赴况个曲维阿i f 偶蚀j ，1 i 能测j b 近场i u , 磁场，这就幔 求辐荆测量仪的探头是具确定f i h j 结构的三维1 f | 5 极r ，以此探测个 | ；i u 场分 ；盘。山于检测仪的传感器足i l 卜个证交| ；l j 偶极予和枪波器构成，j - f 1 5 檄r 分! l j i j 测得三个方向的分星得到： u t = e 、x l 嘣 u y = eyx l 。l u ：= e ：f 讲 ( 2 一1 ) ( 0 为偶极子的有效长度) 然后送入检波器进行枪波，枪波器j l _ 洲罐曳j 眵f l ( j 特性，可设检波输出电j k 。j 枪波信号的关系如i i ： uo c ” 将：- e 路检波后的信号进行合成仃： u = u 。+ u ，+ u ：o c ? + l ，? + i ，? 代入( 1 ) 式得到： u * ( e ? + 髟+ e ；) ( 2 2 ) 在小信号范围内传感器的检波可近似认为是平方利检波，所以( 2 - 2 ) j 以我 示成： u o c ( e i + e + e ；) ，喜= e ! ，品 另外蚓* e2 ( s 为玻印廷矢撤) 所以，o c 蚓，岬榆波h 流电眶j 卒m 坡i = | j 延久 i ： f i ，j i i , f i i 值成_ f 比。但是一般。6 抛f 榆波器的输入j 输j i ：忆己个的、| 力父系，所以 要在仪器后端的数据处理部分刈测拭结果进行l l l l z e j 以介。 乜了科技人学坝i j f j | 究生毕业沦义微波漏能测h 擞的改汁o 兵j 虬 在传感器的设计方面，采川了十h 1 ：i k 交的。i 个趼灵敏度传感组仆米摊f ) i 符 向同性的响应。传感器是由三个相互m 交的偶极r 和：个检波器构成，肼敝i u 缆将信号馈出。由于偶极子共心，因此在三路处丝乜- 路完全匹配的阿题下，此探 头可以做到完全各向同性，在普通测量中可以不转动探头而直接读数。此项助能 方面大大简化了测量操作，同时为脉冲辐射测量提供硬件保证。而以i ) u 的幽际、 国内在微波泄漏能量检测仪方而所用的传感器均没有解决这个问题，使褂测怖“： 生很大的误差，测量的是= i 个偶微r 所| 1 ；| j ：1 5 j = 的l i i i l t r if ：n 微波能：f 1 _ f ，i f l 小址个j j i 上的微波能量。在使用这利叫i 感器测量微波能j 似必须不断地转动 感器水 得到一个最大值，这个最大恤j 足测：最值。传感器的这个结构是设t l 。q 项- n 人突破，准备申请专利。 2 1传统的传感器的结构 传统的传感器设计如图2 1 所示，它是山i 个偶极子所组成。罔i l f 给 了 顶视图和正视图。在图中三个偶极子彼此f 交。每个偶极予均是两段微。盼线和 个检波器所构成。这样的结构能够测量一个空州场，但是它还柯一，与小足。蚓 l 二面提到的不能一次得到真。艾值而是需要不断的 0 z 饥探头j 能得剑典典f i i j _ 。从能 测量一个面的能量密度，不能测嫩点的能量密度。这利- 结构为了减小个1 1 i 极j ， 所田成的面积只能不断的减小偶极二r 巾微带线的k 度，但是微带线的k 度过小义 会影响测量精度。这种结构业- 1 , 能测n 次脉i f i j j j j 率流密度。 h2 i 传统的化感； 纳构 0 u 了科技人擎坝w 究生毕j k 沦史 微波漏能测h 仪n 勺砹h j 。史眦 2 2 传感器设计 为了解决以上传统传感器所具有的弊端，加强仪器的测量精度和功能，我们 在原有的传感器的基础上，设计了一种新型的传感 。它主要克服了传统f 等感器 的测量精度和测量速度的问题。这种传感器主要是改进了以i 订传感器的结构，馊 其更加合理。并采用肖特基二：极管作为检波器，见休f 向结构图如下图2 - - 2 所尔： 一 k ? n 1 卜i蔓 、2 i 鬈l2 2 传感器结构h 图中黑线部分为微带线，在0 处连接三个各项技术指标均是近似荆悯的；i j 特j t i ： 撇管检波器，因为只有三路检波器的指标近似棚川j u 能在历端的数拟：处删部分 使用一个a d 和一个处理程序水完成：i 路测量的运算。如果i _ i j 特基二二檄1 ：检波器 的技术指标不同就会要求后端的数据处理f | ：土路增加为多路a d 转换，i 司| j 、f 存校准 的过程中要分别校准，增大了成本投入，具体见后旺i _ i 第三章的系统实现。利川这 种结构使得传感器在测量电磁场强度的时候不( j 来回的转动就可以a 接得到i u 磁场的真实值。 也了科技人学坝j 埘究生毕业 仑史微波渊f f i 测f i 仪册i 5 汁1 ，贸脱 第三章系统的设计 如图3 1 所示智能微波泄漏检测仪分为传感器、指示器和电源三个部分。 传感器为立体全方位型，是由三个肖特基二极管榆波器和三个偶极予纠i 成。指j 器包括模拟放大电路、开关电路、数据处理电路羽i 数字显示电路。 l 榆波p 模开模数液1 u 拟天 j数j 川 jd i l l 榆波p放 i u 叫 转 1校叫 显 愉波p 人潞换 杆j ： 不渤 下下下 广 r 厂 | 芏| 3 一i 微波泄粕榆测仪系统机 3 1 校正原理概述 从上一章介绍的传感器原理得知，传感器三三路榆波器的输入与输m 帕0 全的平方关系，因此不能采用常规的线性电路来实王1 5 1 l 。如果采刖线性l u j i ! 米实脱 其校f ，其校正方法为单一的直线校证法，l u f 脱代测试中所要求的测试砹符及 频率范围的不断扩大，i n 一( ) 【j ，r 曲线的弯曲程度，肜状也大不相刚，此川这利一 方法会带来很大的误差。所以采朋了折线逼近法，这利叻法既满足简便n q 婴求， 0 ，0 ) 。 劁3 - 2 折线逼近法胍川 义能保证较小的误差和较高的柑皮。折线遄近法的鸠刚! ：多f ，i 采样折线遄近校准 方法的基本原理是从测试实际i n - - o u t 线数狮例i i ，选定两组相刘应的y 数扣擞【 u 丁科技人学坝l 。 ( j 究生毕业沧史 微波漏能测址仪f | 勺i 3 2 i ，哎j 她 ( i n 数据组) 和x 数据组( o u t 数据组【) ，从i 町确定了实i i 二, l l j1 n ou ，l i 线l i i j n 个点，在这n 个采样点中，各个i i i 令i 的点之间的曲线采用直线校准的办法进行 校准。整个校准过程的校准误差即为n 1 个校准片段中最人以芹 妙= m o ( a y ，缈2 ，人缈，妙。) ，当n 的值取得足够大时，折线与实际1 1 1 1 线会 相当逼近，显然对于整个系统来说，这样的校准结果所取得的误著a y 远远小j ： 单一直线校准中所形成的误，j y ，这样就大大捉哺了椎个测试系统的洲j i 柑j 逆。 见匿j ( 3 - 2 ) 折线逼近法中有均匀采样折线逼近法平非均匀采样折线逼近法。花小仪器t i 采用了均匀采样折线逼近的校玳力法，原凶有两个：足传感器探头的n - - o u t 曲线的曲率比较小( i n 一0 u t 曲线特性出试验测擦得剑) ，二：是出于较玳时试验 的需要( 具体见标定一节) 。 3 2 模拟放大部分 这部分是采用传统的测量差动放大电路。在差动运放的笫：绂增加 了多路选择丌关。因为卜i f _ | i 已经提到微波渊能测试仪有 从j 个砒_ f l l l 2 m w c m2 和2 0 0 u w c m 2 以及2 4 5 0 m i t z 耵i9 1 5 m h z 两个频率点。刁i l d f | ，j 卅私 和频率点的放大倍数是不朴的，所以要加多踏选择) l ：关。已力他以肝 软件的编写和硬件的调零。) i ：关i i = l m 的1 i ! ! i i | ! 如卜： 输入1 输入2 域科选择开关 r a 频 ；耘 选 l 抨 开 天 l 划3 - 31 = ：f 拟放人闸j 分j 小j = 1 | ! l i 图中r a 和r b 是量程选择j l ：火， hj 二仪器| q 坩补址2 m w c m 2 和2 0 0 u w c i 1 1 2 它 们之间是1 0 倍的关系所以刈于同一路传感器岍个电阻i l a 和i 讣也必须足 i uj 科技人学坝l ：t i ) f y , 生毕业论艾微激漏能测城仪的设计j 史眦 1 0 倍关系。r 1 和r 2 是用于对于2 4 5 0 m h z 和9 15 m h z 两个频率点渊节三路 传感器的平衡的。由于只采用一个a d 变换器所以三路传感器输入的最 小值和最大值必须一致( 上一章已经提到三路传感器的三个检波器足队 能指标十分接近的) 。而对于两个频率点必乡页有两个调节s j 撕j ：j jf 由j n 何 器。 3 3 量程、频率选择i u 路 如3 2 所蜕，因为有个鞋祀嘲j 两个频j 替点所以必须使川j i ：火i u 蹄。 所以选择芯片m c l 4 0 6 6 。m c l 4 0 6 6 山四个独、) ：”关电路组成，这心个j l ： 关电路可以由模拟信号控制也可以由数字信号控制。每个丌关f 乜路都可 以应用于数字门控、断路器、调= 甫器、解调器和c o m s 逻辑i 叭。 小。 m c l 4 0 6 6 具有如下的特性： ( a ) 在控制信号的输入端有三个二极管保护电路。 ( b ) 供应电压范围是 3 0v d ct o1 8v d c 。 ( c ) 低噪声1 2n v c y c l e f 1 0k h z 。 ( d ) 导通时电阻低，川j 邂川到l i 百速的c o m s 器1 q - 。 ( e ) v d d 电压范围 一o 5v t o + 1 8 0 v i ( f ) 每个”关的输入i 【l 流l 。为1 0 m a ( g ) 每个开关的通过电流i s w 为士2 5 m a ( h ) 每个芯片的功耗为p d 为5 0 0 m w 元件框图如下： 电子科技大学硕士研究生毕业论文 微波漏能测量仪的墩计实脱 逻辑框图和真值表如下 。j ：爿于h 在仪器中电路原理图如下 输 输 输 柴 输出至运算放大器r 1 c 输出至运算放大器r 2 c 输出至运算 来l = l 单片机的控制信j v s * v ：v 【j 廿 v # 一v ，i g1 3 1 i 划3 5 逻辑框隆旧j 舆1 ：i l 【表 一 f l ! fj l 划3 - 6 量科的选择开荚 模拟信号最样选抨r l a 模拟信号削科选抒r lb 利选 1 r 2 a 模拟信 j 带聃魁扦r 2 b 棋拟信号越科选择r 3 a 模拟信号避转! 选拌r 3 b 3 4a i d 转换部分 幽3 7 频率的选择开关 变阻器r 变m 器r 1 2 变m 器r 2 i 变1 4 l 器r 2 2 变阻器r 3 1 变叭器r 3 2 1 u 了科技人学坝1 + 研究生毕业论义微波漏能测量仪的设计i 填j 弛 t l c 2 5 4 3 是1 2 位开关电容逐次逼近模数转换器。每个器件有二三个控 制输入端：片选( c s ) ，输入输出h , 1 钟( i oc i 。o c k ) 以及地址输入端( d a t i n p u t ) 。它还可以通过一个串行的输出端( d a f ao u t p u r r ) 与主处删_ 或 外围串行口通信，输出转换结果。本器件i 叮以从卜机高速传输数j ：l i ：。 除了高速的转换器和迎川的控制能力外，此器件有一个片内的l4 迎 道多路器可以在1 1 个输入通道或： 个内部门测试( s 0 1 卜t e s t ) il lj i l l 任意选择一个。采样保持址i i 动的。在转换结束时，“转换结束”( f , o c ) 输出端变高以指示转换的完成。此器件的转换器结合外部输入的芹分协 阻抗的基准电压，具有简化比例转换、刻度以及模拟电路与逻辑f 乜蹿利 电源噪声隔离的特点。丌关电容的设计可以使在整个温度范围内有较小 的转换误差。此器件的特点是： ( 1 ) 1 2 位分辨率a d 转换器 ( 2 ) 在温度范围内1 0us 转换时洲 ( 3 ) 1 1 个模拟输入通道 ( 4 ) 3 路内置测试方式 ( 5 ) 固有的采样和保持 ( 6 ) 线性误差1 l s b m a