T_CMSA 0042-2023 雷电电磁场传感器标定.docx
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1、ICS 07.060 CCS A47团体标准T/CMSA 00422023雷电电磁场传感器标定Calibration of Lightning Electromagnetic Field Sensors2023 07 17 发布2023 07 17 实施中国气象服务协会发 布T/CMSA 00422023目次前言II1 范围12 规范性引用文件13 术语、定义、符号和缩略语14 概述35 标定项目及特性参数要求36 标定条件47 标定方法68 不确定度评定99 数据记录及标定结果表达10附录 A (资料性) 标定系统组成11附录 B (资料性) 测试原始记录表14参考文献17II前言本文件按照
2、GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件由中国气象服务协会提出并归口。本文件起草单位:陆军工程大学野战工程学院、四川中光防雷科技股份有限公司、北京雷电防护装 置测试中心、北京中科飞龙传感技术有限责任公司、南京云凯防雷科技股份有限公司、深圳市国家气候 观象台、湖南中普技术股份有限公司、浙江润和安全技术有限公司。本文件主要起草人:邱实、石立华、杨国华、张琪、张建培、张利华、于月东、杨鹏飞、邱宗旭、 吴双、陶兴水、殷建军、郑燕、赵静、鲁海洋、徐全模、闻小龙、张峻、黄军、詹家亮、魏新杰、刘爱明、李征。T/CMSA 00422023雷电电磁场传感器标
3、定1 范围本文件规定了雷电电磁场传感器的标定项目及特性参数要求、标定条件、标定方法、不确定度评定、 数据记录及标定结果表达。本文件适用于雷电电磁场以及其他瞬变电磁场传感器的标定。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件, 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 18459-2001 传感器主要静态性能指标计算方法GB/T 27418-2017 测量不确定度评定和表示3 术语、定义、符号和缩略语3.1 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1.1自由空间场传感器
4、free space field sensor用于测量自由空间内电磁场的传感器。注:又称自由场传感器。如偶极子电场传感器,天线通常为对称结构,此类传感器的布设不受空间位置的制约,用于测量电磁场的空间分布。3.1.2地面场传感器 ground plane field sensor用于测量地面附近电磁场的传感器。注:如单极子电场传感器,此类传感器看作利用导电平面的镜像作用省略了自由空间场传感器的一半,只能用于地面附近的场测量。3.1.3待检设备 equipment to be calibrated参与标定的雷电电磁场传感器整套设备,通常包含传感器、支架、传输线、电源和数据接收机5部分。3.1.4被
5、测量 measurand作为测量对象的特定量。注:在本文件中,根据被测传感器类型,被测量分为以下四类:电场强度(E)、磁感应强度(B)、电场变化率(dE/dt)、磁感应强度变化率(dB/dt)。3.1.5雷电电场传感器 lightning electric field sensor被测量为雷电电场强度的传感器。注:包含瞬态电场和静电场传感器。3.1.6雷电磁场传感器 lightning magnetic field sensor被测量为雷电瞬态磁场强度或瞬态磁感应强度的传感器。注:由于空气中磁感应强度(B)与磁场强度(H)之比为常数(即真空磁导率),因此两者在本文件中统称为磁场传感器。1T/C
6、MSA 004220233.1.7雷电电场变化率传感器 time derivative sensor of lightning electric field被测量为雷电电场变化率(dE/dt)的传感器。注:也称为E-Dot或D-Dot传感器。3.1.8雷电磁场变化率传感器 time derivative sensor of lightning magnetic field被测量为雷电磁感应强度变化率(dB/dt)的传感器。注:也称为B-Dot传感器。3.1.9输出量 output quantity由传感器产生的、与被测量成函数关系的可用信号,通常指电压信号。3.1.10零点输出 zero-me
7、asured output在规定的条件下,所加被测量为零时传感器的输出。3.1.11最小二乘线性度 least-squares linearity规定幅度范围内,不同幅度被测量与输出量构成的实测曲线相对于最小二乘拟合直线的最大偏差, 通常用满量程输出的百分比表示。3.1.12测量范围 measuring range以传感器能响应的被测量的最低值和最高值表示的区间。注:被测量的最高、最低值分别称为测量范围的“上限值”和“下限值”,下限值通常为负数。3.1.13满量程输出 full-span output在规定的条件下,传感器的测量范围的上限和下限输出值之间的代数差。注:测量范围的上限和下限输出值
8、分别称为满量程输出“上限值”和“下限值”,下限值通常为负数。3.1.14零位分辨力 null output resolution在输出量为零时,改变被测量的大小,使得能产生可观测的输出量变化的最小被测量变化。注:在本文件中简称分辨力。3.1.15量程 span测量范围的上限值与下限值之间的代数差。3.1.16动态范围 dynamic range量程与零位分辨力的比值,常用以10为底的对数(分贝)表示。3.1.17幅频响应 amplitude-frequency response在规定的被测量频率范围内,对于加在传感器上不同频率正弦变化的电场或磁场,输出量与被测量 的振幅比随频率的变化。3.1.
9、18谐振频率 resonant frequency响应幅度随频率快速增大而后快速减小的峰值点对应的频率,在幅频响应曲线中通常表现为若干尖 峰对应的频率。3.1.19归一化幅频响应 normalized amplitude-frequency response将幅频响应按照其平坦段的平均幅值归一化,得到的归一化输出量与被测量的振幅比随频率的变化。注:在规定的被测量频率范围内幅频响应不存在平坦段时,采用规定频段内幅频响应的最大值归一化。3.1.20灵敏度 sensitivity传感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之间的比值。3T/CMSA 004220233.1.21下限截止频率 lower
10、-cut-off frequency从归一化幅频响应的平坦段开始向低频方向下降3dB(或下降到70.7%)对应的频率。3.1.22上限截止频率 upper-cut-off frequency从归一化幅频响应的平坦段开始向高频方向下降3dB(或下降到70.7%)对应的频率。3.1.23信噪比 signal-to-noise ratio; SNR信号和噪声的有效功率的比值,常用对数表示:SNR=10 log10 (Ps / Pn ) (dB)其中:Ps为信号有效功率;Pn为噪声功率。3.2 符号下列符号适用于本文件。B :磁通密度(以下磁场),单位:T。B-Dot 或 dB/dt :磁感应强度随时
11、间变化率(以下磁场变化率),单位:Ts-1。E :电场,单位:Vm-1。E-Dot 或 dE/dt :电场随时间变化率(以下电场变化率),单位:Vm-1s-1。f :频率,单位:Hz。SE :电场传感器灵敏度,单位:V/(Vm-1)。SE-dot :电场变化率传感器灵敏度,单位:V/( Vm-1s-1)。SB :磁场传感器灵敏度,单位:V/T。SB-dot :磁场变化率传感器灵敏度,单位:V/(Ts-1)。0 :真空磁导率,1.25710-6。0 :真空中的波阻抗,377。3.3 缩略语下列缩略语适用于本文件。TEM: 横电磁波 (Transverse Electromagnetic)GTEM
12、 :吉赫兹横电磁波 (Gigahertz Transverse Electromagnetic)4 概述雷电电磁场传感器量程范围广、频率跨度大,低频可延伸至1Hz以下甚至直流。雷电电磁场传感器包括并不限于雷电电场传感器、雷电磁场传感器、雷电电场变化率传感器、雷电磁场变化率传感器四类。 大气电场仪作为雷电静电场的测量仪器,可看作雷电电场传感器频率为零时的特例,其灵敏度、分辨力和动态范围的标定见本文件中7.4雷电电场传感器的标定方法执行。5 标定项目及特性参数要求5.1 标定项目标定项目包含幅度响应和频率响应二类,幅度响应具体包含灵敏度、分辨力、最小二乘线性度、测量范围、量程、动态范围六项,频率响
13、应具体包含上、下限截止频率、归一化幅频响应和-3dB带宽四项。 根据被测传感器类型的不同,每一项对应四种传感器的标定:电场强度(E)、磁感应强度(B)、电场变化率(dE/dt或E-Dot)、磁感应强度变化率(dB/dt或B-Dot)。5.2 典型特性参数5.2.1 量程电场传感器量程通常介于(10103)V/m之间,磁场传感器量程通常介于(10103)nT之间。受限 于连续波信号源的信号幅度,强电磁场测量传感器标定不在本文件范围内。5.2.2 灵敏度18电场测量灵敏度通常介于(10-310-1)V/(Vm-1)之间,磁场测量灵敏度通常介于(10-810-6)V/ nT之间。5.2.3 分辨力瞬
14、变电场测量分辨力通常介于(0.1 10)V/m之间,瞬变磁场测量分辨力通常介于(0.110)nT之间。5.2.4 动态范围一般在40dB以上。5.2.5 归一化幅频响应典型的雷电电磁场传感器归一化幅频响应曲线包括上升段、平坦段和下降段三部分。在上升段,响 应幅度随频率增大而增大,下降段反之;在平坦段,响应幅度相对变化较小。注: 在平坦段向下降段的过渡段,可能会出现响应幅度突然增强的谐振点。5.2.6 下限截止频率典型电场慢变化测量传感器下限截止频率在0.16Hz以下,电场快变化测量传感器和瞬变磁场传感器 下限截止频率通常介于160Hz1.6kHz之间。5.2.7 -3dB 带宽通常介于100k
15、Hz10MHz之间。6 标定条件6.1 环境条件标定试验期间,应监测环境条件,并在试验记录中注明,要求如下:a)环境温度:1040,测试期间温度变化不应超过20; b)相对湿度:不大于80%;c)电磁环境:在标定频段内无明显电磁干扰,在测试频点处环境电磁辐射强度小于标定场20dB以 上。对于非封闭的场产生装置,如亥姆霍兹线圈和平行板,宜置于屏蔽室内。6.2 待检设备要求待检设备应工作正常,并根据标定环境要求做适应性调整,便于在标定环境中开展测试。具体要求 如下。外观和附录。待检设备的外观应完好,无影响其正常工作的机械损伤和变形,附录应齐全有效。 送检方应准确提供待检设备的尺寸以及相关技术文档。
16、功能正常性。待检设备的各开关和指示灯功能正常,通电后应能正常工作,各种指示应正确。 送检方应提供待检设备的工作状态参数,包括传感器类型、极化方式、输入信号安全范围等。响应信号读出。待检设备应能够响应被测频段的连续波辐射,并且其数据接收机能够记录和存 储信号的幅度。对于待检设备数据接收机无法记录和存储连续波辐射信号的情况,例如由于待检设备设 置了波形鉴别电路而不能够采集连续波信号的,应采用外接数据接收机的方式,由送检方提供信号输出 接口、50的阻抗匹配电路和信号输出线缆,用于还原设备正常工作时的模拟信号输出,并且在标定报 告中注明数据采集设备的设置。辅助装置。送检方应当提供设备所需的辅助装置,包
17、括:与标定仪器相连的接头和线缆;需要 外接电源的线缆;接地线缆及搭接装置。6.3 标定场产生装置标定场产生装置包括TEM小室、GTEM室、亥姆霍兹线圈和平行板四类,对应的标定项目见表1, 具体装置工作方式和场强计算方法见7.2。表1 标定场产生装置及推荐标定项目序号场产生装置产生标定场类型幅度响应频率响应1TEM小室a电场和磁场2GTEM室a电场和磁场3亥姆霍兹线圈b磁场4平行板c电场a受标定场产生装置尺寸限制,传感器尺寸不宜过大。b适用于大尺寸、强磁场传感器的标定。 c适用于大尺寸低频电场传感器的标定。 表示对应的场产生装置可用于对应电场、磁场的幅度或频谱响应标定。标定场产生装置的选择和使用
18、遵循以下原则。a) 对于TEM小室、GTEM室和平行板三类装置,待检设备尺寸应满足以下要求:对于表1中幅度响 应标定,要求待检设备最大尺寸不超过工作空间高度的1/3, 对于表1中频率响应标定,可适当放宽对待检设备最大尺寸的要求,但是不宜超过工作空间高度的1/2。在满足上述尺寸要求条件下,优先选用TEM 小室。b) TEM小室和GTEM室的电压驻波比要求在1.2以下,特征阻抗宜设计为(501),外导体接地, 接地电阻小于1。c) 平行板主要用于大尺寸、低频(通常小于300kHz)电场传感器的幅度响应标定,要求待检设备 最大尺寸不能超过工作空间高度的1/3;为产生均匀电场,要求平行极板的水平尺度是
19、垂直间隔的2倍以 上;平行板下极板接地,接地电阻小于1。d) 亥姆霍兹线圈主要用于产生低频强磁场,要求待检设备最大尺寸不能超过线圈半径的3/5,工作 频率通常在1MHz以下;e) 采用亥姆霍兹线圈和平行板作为场产生装置时,线圈和平行板上极板周围不能有标定无关的大尺寸金属结构,通常要求亥姆霍兹线圈与周边金属结构最小距离为线圈半径的4倍,平行板上极板与周边金属结构与最小距离为板垂直间距的1倍。6.4 标定用仪器与器件6.4.1 一般规定标定所用仪器应经过计量技术机构检定(或校准),满足标定使用要求,并在有效期内。所选择的 标定设备应至少符合被标定传感器的频率范围要求,并满足50输入/输出阻抗要求,
20、在标定频率上应能 够提供所需的动态范围。网络分析仪可用来代替信号源和示波器的组合。标定开始前,所有设备应按照 使用说明书要求预热。6.4.2 连续波信号源输出振幅误差应小于2%。6.4.3 功率放大器谐波或杂散信号抑制不低于20dB,信噪比不低于60dB,输出电压误差不大于3%。6.4.4 衰减器衰减精度优于0.5dB,电压驻波比小于1.2。6.4.5 双向定向耦合器方向性大于20dB,电压驻波比小于1.2。6.4.6 示波器或数字化仪带宽不低于10MHz,采样率不低于25MHz,硬件垂直分辨率不低于12bit,测量精度优于2%。6.4.7 取样电阻电阻值最大允许误差不大于1%。6.4.8 频
21、谱仪电压幅度测量误差应优于0.4dB。6.4.9 网络分析仪可用于替代连续波信号源和频谱仪,相关要求见6.4.2和6.4.8。6.5 标定频率范围和频点的选择标定系统的标定范围应当包含0.1Hz10MHz,具体标定频率范围应该由送检方和标定机构协商决定,一般而言,标定的频率范围应当包含待测传感器在真实使用条件下的频率范围。标定频点的选择宜遵循 以下原则:a) 在标定频率范围内,每10倍频程内等间隔标定10个频点,如100Hz1kHz频程内,频点分别为: 100Hz, 200Hz, 300Hz, 1kHz;b) 包含25kHz和1MHz两个固定频点;c) 在谐振点附近,加密标定频点数量,使得高出
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