利用示波器和近場探頭進(jìn)行磁場測試的操作指南

　　一、引言

　　在電子設(shè)備的研發(fā)、電磁兼容性(EMC)測試以及故障排查等工作中，對磁場的測量是非常重要的內(nèi)容。示波器與近場探頭的組合為磁場測量提供了一種有效的手段。本文將詳細(xì)介紹如何使用示波器和近場探頭來測試磁場。

　　二、測試原理

　　1.近場探頭工作原理

　　近場探頭是一種用于檢測近場電磁場的傳感器。對于磁場測量，近場探頭通常采用感應(yīng)線圈的形式。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)磁場發(fā)生變化時，穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化率成正比，即，其中E為感應(yīng)電動勢,N為線圈匝數(shù)，Φ為磁通量。

　　不同類型的近場探頭在設(shè)計(jì)上會有不同的頻率響應(yīng)特性、靈敏度和方向性等。例如，環(huán)形近場探頭對于垂直于環(huán)平面的磁場分量較為敏感。

　　2.示波器工作原理

　　示波器是一種能夠顯示電信號隨時間變化波形的儀器。當(dāng)近場探頭檢測到磁場變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢信號后，將該信號傳輸?shù)绞静ㄆ?。示波器通過對輸入信號進(jìn)行放大、采樣、處理等操作，將信號的波形顯示在屏幕上。

　　示波器可以測量信號的幅度(對應(yīng)磁場強(qiáng)度的相關(guān)信息)、頻率、相位等參數(shù)。通過分析這些參數(shù)，可以獲取關(guān)于磁場的特性，如磁場的強(qiáng)度變化規(guī)律、頻率成分等。

　　三、測試設(shè)備及準(zhǔn)備

　　1.設(shè)備清單

　　示波器：應(yīng)具備足夠的帶寬以滿足測試頻率范圍的要求。例如，對于測量高頻磁場(如GHz頻段)，需要使用帶寬較高的示波器，如帶寬為1 GHz或更高的數(shù)字示波器。

　　近場探頭：根據(jù)測試頻率和磁場類型選擇合適的近場探頭。對于低頻磁場(kHz - MHz范圍)，可以使用較大尺寸、匝數(shù)較多的環(huán)形探頭以提高靈敏度;對于高頻磁場，需要使用小型化、特殊設(shè)計(jì)的近場探頭，如高頻磁場探頭，其頻率響應(yīng)可達(dá)到數(shù)GHz。

　　被測設(shè)備(DUT)：需要測試磁場的電子設(shè)備或電路模塊。

　　必要的連接線：用于連接近場探頭和示波器，如BNC電纜等。

　　2.設(shè)備連接與設(shè)置

　　將近場探頭的輸出端口通過連接線連接到示波器的輸入通道。確保連接牢固，避免信號傳輸過程中的干擾。

　　打開示波器，根據(jù)測試信號的大致范圍設(shè)置示波器的垂直刻度(V/div)、水平刻度(s/div或ms/div等)、觸發(fā)模式等參數(shù)。

　　對于垂直刻度的設(shè)置，需要根據(jù)近場探頭的靈敏度和預(yù)期的磁場強(qiáng)度對應(yīng)的感應(yīng)電動勢大小進(jìn)行調(diào)整。如果不確定信號幅度，可以先從較大的刻度開始，然后根據(jù)實(shí)際顯示的波形再進(jìn)行優(yōu)化。

　　觸發(fā)模式可以選擇邊沿觸發(fā)等常見模式，設(shè)置合適的觸發(fā)電平，以確保示波器能夠穩(wěn)定地顯示波形。

　　四、磁場測試步驟

　　1.探頭定位

　　將近場探頭靠近被測設(shè)備中可能產(chǎn)生磁場的區(qū)域，如變壓器、電感線圈、電源線等部位。對于環(huán)形近場探頭，應(yīng)使探頭平面垂直于磁場方向以獲得最大的感應(yīng)信號。在定位過程中，可以緩慢移動探頭，觀察示波器上波形的變化，以找到磁場最強(qiáng)的位置。

　　2.磁場強(qiáng)度測量

　　一旦找到合適的探頭位置，通過示波器測量感應(yīng)電動勢的峰值或有效值。根據(jù)近場探頭的校準(zhǔn)系數(shù)(通常由探頭制造商提供，單位為V/T或類似單位)，可以計(jì)算出磁場強(qiáng)度。例如，如果示波器測量到的感應(yīng)電動勢峰值為Epeak，近場探頭的校準(zhǔn)系數(shù)為k（V/T），則磁場強(qiáng)度的峰值。

　　3.磁場頻率分析

　　觀察示波器上波形的周期或頻率。如果波形是周期性的，可以使用示波器的自動測量功能來獲取頻率值。這個頻率值反映了磁場的變化頻率，對于分析被測設(shè)備中的電磁干擾源或正常工作頻率下的磁場特性非常重要。例如，在開關(guān)電源中，磁場的頻率可能與開關(guān)頻率及其諧波相關(guān)。

　　4.磁場相位測量(可選)

　　如果需要分析磁場與其他電信號(如電壓信號)之間的相位關(guān)系，可以使用示波器的雙通道功能。將近場探頭連接到一個通道，另一個相關(guān)電信號連接到另一個通道。然后通過示波器的相位測量功能來獲取磁場信號與電信號之間的相位差。這對于研究電磁耦合等現(xiàn)象很有幫助。

　　五、測試注意事項(xiàng)

　　1.避免干擾

　　在測試過程中，要盡量避免外界電磁場的干擾?？梢詫y試環(huán)境設(shè)置在屏蔽室內(nèi)，或者遠(yuǎn)離大型電機(jī)、變壓器等強(qiáng)電磁干擾源。同時，近場探頭的連接線也應(yīng)盡量短且避免與其他信號線平行敷設(shè)，以減少信號傳輸過程中的干擾。

　　2.探頭校準(zhǔn)

　　近場探頭需要定期校準(zhǔn)，以確保測量的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)應(yīng)按照探頭制造商提供的校準(zhǔn)方法進(jìn)行，通常需要使用標(biāo)準(zhǔn)磁場源等設(shè)備。

　　3.示波器帶寬限制

　　要注意示波器的帶寬對測量結(jié)果的影響。如果測試的磁場頻率較高，而示波器帶寬不足，會導(dǎo)致測量到的波形失真，無法準(zhǔn)確獲取磁場的高頻成分。因此，應(yīng)根據(jù)測試需求選擇合適帶寬的示波器。

　　六、結(jié)論

　　使用示波器和近場探頭測試磁場是一種方便、有效的方法。通過正確選擇設(shè)備、合理連接和設(shè)置，以及按照科學(xué)的測試步驟進(jìn)行操作，可以準(zhǔn)確地測量磁場的強(qiáng)度、頻率、相位等特性。這對于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化、EMC性能提升以及故障診斷等方面都具有重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，不斷積累測試經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)理論知識，能夠更好地發(fā)揮這種測試方法的優(yōu)勢。

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