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电磁辐射(EMF)测量技术及方法综述
来源:6165cc金沙总站 时间:2015-08-06   点击次数:973次

电磁辐射(EMF)测量技术及方法综述

电磁辐射的测量方法通常与测量点位和辐射源的距离有关,即,所进行的测量是远场测量还是近场测量。由于远场和近场的情况下,电磁场的性质有所不同,因此,要对远场和近场测量有明确的了解。 

1、电磁场的远场和近场划分

电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分,其中一部分电磁场能量在辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动,不向外发射,称为感应场;另一部分电磁场能量脱离辐射体,以电磁波的形式向外发射,称为辐射场。

  一般情况下,电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场(感应场)和近区场(辐射场)。由于远场和近场的划分相对复杂,要具体根据不同的工作环境和测量目的进行划分,一般而言,以场源为中心,在三个波长范围内的区域,通常称为近区场,也可称为感应场;在以场源为中心,半径为三个波长之外的空间范围称为远区场,也可称为辐射场。 近区场通常具有如下特点:

  近区场内,电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。即:E 377H。一般情况下,对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等),电场要比磁场强得多,对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具),磁场要比电场大得多。 

  近区场的电磁场强度比远区场大得多。从这个角度上说,电磁防护的重点应该在近区场。 

  近区场的电磁场强度随距离的变化比较快,在此空间内的不均匀度较大。

  远区场的主要特点如下: 

  在远区场中,所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播,这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。

  在远区场,电场强度与磁场强度有如下关系:在国际单位制中,E=377H,电场与磁场的运行方向互相垂直,并都垂直于电磁波的传播方向。 

  远区场为弱场,其电磁场强度均较小

近区场与远区场划分的意义:

  通常,对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说,近区场辐射的电磁场强度较大,所以,应该格外注意对电磁辐射近区场的防护。对电磁辐射近区场的防护,首先是对作业人员及处在近区场环境内的人员的防护,其次是对位于近区场内的各种电子、电气设备的防护。而对于远区场,由于电磁场强较小,通常对人的危害较小。 

  对我们zui经常接触的从短波段30MHz到微波段的3000MHz的频段范围,其波长范围从10米到1米。


2、远区场的测量

  在远区场(辐射场区),可引入功率密度矢量(波印廷矢量) ,电场矢量 、磁场矢量 、波印廷矢量 三者方向互相垂直,波印廷矢量的方向为电磁波传播方向。

  在数值上,E=377H,S=EH=E2/377。其中电场强度E的单位是(V/m),磁场强度H的单位是(A/m),功率密度的单位是(W/m2),全部是国际单位制(SI)。

  由公式可看出,在远场区,电场与磁场不是独立的,可以只测电场强度,磁场强度及功率密度中的一个项目,其他两个项目均可由此换算出来。

  一般情况,关于远场和近场的测量问题可以简化为:

  国标规定,当电磁辐射体的工作频率低于300MHz时,应对工作场所的电场强度和磁场强度分别测量。当电磁辐射体的工作频率大于300MHz时,可以只测电场强度。

  300MHz频率相应的波长为1米,λ/6为16cm,16cm之外辐射场占优势。如按3λ的划分界限,距辐射源3米之外可认为是远场区。

  一般电磁环境是指在较大范围内由各种电磁辐射源,通过各种传播途径造成的电磁辐射背景值,因而属于远区场,辐射的频谱非常宽,电磁场强度均较小。

  1GHz以下远区辐射场的测量,可用远区场强仪,也可用干扰场强仪。


3、近区场的测量

  在近场区(感应场区),电场强度E与磁场强度H的大小没有确定的比例关系,即:E 377H,需要分别测量电场强度E与磁场强度H的大小。对于电压高而电流小的场源,在感应场区内主要是电场,主要测量电场,对于电压低而电流大的场源(如感应线圈),在感应场区内主要是磁场,主要测量磁场。例如,对于没有接上电器的墙上电源插座,电流基本为零,电压不为零,插座在其附近产生一定强度的工频电场,但产生的工频磁场基本为零。 国家标准限值中30MHz以下以场强为准,因为该频段的波长大于10米,测量点处的感应场常常不能忽略,电场强度E与磁场强度H的比例关系不确定。

  由前面的场强与距离的关系可知,近场区场强很大(根据不同的设备,电场强度可能从几十到几百V/m,磁场强度可达到数A/m),但场强随距离的增大衰减得很快,即场强变化梯度很大,是一种非常复杂的非均匀场。因此,近区场强仪的量程应当足够大,而测量探头应当足够小,测量结果才能代表测试点的场强。近场区监测主要属于工作场所监测。

  由于近区场强很大,较远处的其它电磁辐射源的贡献可忽略不计,因此,近区场强测量不采用选频式仪器。可用综合场强仪测量近区场强,如意大利PMM公司的8053型仪器,具有较好的测量精度和强大的数据处理功能。目前的综合场强仪与早期的近区场强仪的不同:前者为各向同性,测量时不必调整探头方向。前者较后者频率范围更宽。例:具体辐射源的近场(感应场区)与远场(辐射场区)( = c / f)


  频率 (f) 波长 ( ) 界限(3 ) 

  50 / 60 Hz 电力 6000 / 5000 km 18000 / 15000 km 

  50 kHz 电焊 6 km 18km 

  27 MHz CB 广播, 透热疗法 11.1 m 33.3 m 

  100 MHz FM 广播 3 m 9 m 

  433 MHz 工业应用 0.7 m 2.1 m 

  900 MHz ,寻呼机 0.33 m 1 m 

  2.45 GHz微波,工业 0.12 m 0.36 m 

  6 GHz 数字广播 0.05 m 0.15 m 

  20 GHz 卫星传输 0.015 m 0.045 m 


附:场区的具体划分

场强与距离的关系

  以r表示测量点到辐射源的距离,则在该点的感应场强度与r2至r3成反比,辐射场强度与r成反比(因此,辐射场强度与距离r的乘积与r无关,称为场强距离乘积)。在靠近辐射源的地方,随着距离r的减小,感应场强度急剧增加。

近场与远场的划分

  当测量距离r=λ/2π≈λ/6时,感应场强度与辐射场强度相当。在距离辐射源比较近(r<λ/6)的地方,感应场强度大于辐射场强度,称为近场(区)或感应场区,较远的地方(r>λ/6)则相反,辐射场占优势,称为远场(区)或辐射场区。近场区和远场区的提法被广为使用,但在不同的应用领域,其划分界限不统一。也称为近区场和远区场。

一般当r大于3λ时,可忽略感应场的成份,认为处于远场(区)。

  当辐射源尺度与波长可比拟时,还可将辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。辐射远场区的定义是,"辐射场强度角分布基本上与距天线的距离无关的场区",在辐射远场区,将天线上各点到测量点的连线当作是平行的,所引入的误差小于一定的限度。如天线尺寸为D,则远场区距离应大于2D2/λ。当辐射源尺寸D的数量级小于波长λ时(2D2/λ<λ/6,D<λ/3.5),辐射近场区范围小于感应场区,辐射场区全部是辐射远场区。\

  如果测量天线为微波段的面天线,而且尺寸较大,所测辐射源与测量天线的距离大于2D2/λ认为是辐射远场区。

  由以上公式可见,近场与远场的划分界限与辐射源频率(波长)有关。


4、电磁辐射频率范围 

⑴ 全范围

  广义上包括X射线、γ射线、宇宙射线等电离电磁辐射,狭义上包括0~3×1012Hz,从静电场、静磁场到亚毫米波,该频率范围的电磁辐射不能造成原子与分子的电离,不管其强度有多大。

⑵ 目前我国管理范围

  目前认为影响较大、受关注、研究较多并已经制定相应标准限值的频段有:工频50Hz,射频100kHz-300GHz。


⑶ 各波段名称、频率范围及波长 波段名称 频段名称 频率范围 波长 

  工频 50/60 Hz   

  超长波 甚低频(VLF) 3~30KHz 100~10Km 

  长波 低频(LF) 30~300KHz 10~1Km 

  中波 中频(MF) 0.3~3MHz 1~0.1Km 

  短波 高频(HF) 3~30MHz 100~10m 

  超短波(米波) 甚高频(VHF) 30~300MHz 10~1m 

  分米波 微波 超高频(UHF) 0.3~3GHz 1~0.1m 

  厘米波 特高频(SHF) 3~30GHz 10~1cm 

  毫米波 极高频(EHF) 30~300GHz 10~1mm 


波段名称 频段名称 频率范围 波长

  工频 50/60 Hz 

  超长波 甚低频(VLF) 3~30KHz 100~10Km

  长波 低频(LF) 30~300KHz 10~1Km

  中波 中频(MF) 0.3~3MHz 1~0.1Km

  短波 高频(HF) 3~30MHz 100~10m

  超短波(米波) 甚高频(VHF) 30~300MHz 10~1m

  分米波 微波 超高频(UHF) 0.3~3GHz 1~0.1m

  厘米波 特高频(SHF) 3~30GHz 10~1cm

  毫米波 极高频(EHF) 30~300GHz 10~1mm


⑷ 常见电磁辐射源的频率范围 

  电磁辐射污染源监测要求所用仪器的测量频率范围与污染源的工作频率相适应,因此有必要了解常见电磁辐射源的频率。

  GSM移动通信基站:900/1800MHz

  中波广播:535-1605KHz

  短波广播:4-19 MHz内的部分频段

  调频(声音)广播:88-108MHz


  电视:50-92,168-223,471-566,607-958 MHz五个频段

  家用微波炉:2450 MHz,工业微波炉:915,2450 MHz

  高压电力设备:工频50Hz,电磁噪声干扰中短波(测量范围0.5-30 MHz)


  高频感应加热设备(如熔炼炉、淬火炉等):工作频率几百kHz

  高频介质加热设备:工作频率几MHz至几十MHz。如塑料热合机27.12,40.68MHz。

  超短波电疗机:40.68 MHz

  国际电信联盟(ITU)分配给工科医(ISM)设备的自由辐射频率为13.56MHz,27.12 MHz,40.68 MHz,2.45GHz等。在这些频率范围内的电磁辐射强度不受限制。


5、电磁能的发射与传播途径

  ⑴ 电磁发射是指"从源向外发出电磁能的现象"。电磁发射分为辐射发射和传导发射。

  ⑵ 辐射发射是"通过空间传播的、有用的或不希望有的电磁能量"。 而辐射发射经常称之为电磁辐射,其定义为:"a.能量以电磁波形式由源发射到空间的现象。b.能量以电磁波形式在空间传播。

  注:电磁辐射一词的含义有时也可引申,将电磁感应(即感应场)也包括在内。"我们在日常工作中使用的是其引申含义。

  ⑶ 传导发射是指"沿电源线或信号线传输的电磁发射。"

  ⑷ 电磁环境的定义是"存在于给定场所的所有电磁现象的总和。"电磁环境包括辐射发射与传导发射。但从环境工程来看,电磁环境的主要影响因素是电磁辐射。实际上电磁辐射骚扰源常常也伴随着传导发射。

  实际传播途径可以是辐射与传导的组合(注意前面是发射途径),比如电磁波到达建筑物时,既可以(穿过墙壁或)通过门窗进入室内,也可以通过电线、钢筋传导进入室内,如在永安761台监测中,发现室内电线附近的电场强度明显高于室内的平均电场强度。测某基站时发现横梁下电场强度高于该点旁边1米位置的电场强度。六、电磁辐射污染源监测方法

环境条件

  应符合行业标准和仪器标准中规定的使用条件。测量记录表应注明环境温度、相对湿度。


测量仪器 

  可使用各向同性响应或有方向性电场探头或磁场探头的宽带辐射测量仪。采用有方向性探头时,应在测量点调整探头方向以测出测量点zui大辐射电平。

  测量仪器工作频带应满足待测场要求,仪器应经计量标准定期鉴定。


测量时间

  在辐射体正常工作时间内进行测量,每个测点连续测5次,每次测量时间不应小于15秒,并读取稳定状态的zui大值。若测量读数起伏较大时,应适当延长测量时间。


测量位置

  测量位置取作业人员操作位置,距地面0.5、1、1.7m三个部位。

  辐射体各辅助设施(计算机房、供电室等)作业人员经常操作的位置,测量部位距地面0.5、1、1.7m。

  辐射体附近的固定哨位、值班位置等。


数据处理 

  求出每个测量部位平均场强值(若有几次读数)。是RMS平均值。


评价

  根据各操作位置的E值(H、Pd)按国家标准《电磁辐射防护规定》(GB 8702-88)或其它部委制定的"安全限值"作出分析评价。


6、一般环境电磁辐射测量方法

测量条件

1 气候条件

  气候条件应符合行业标准和仪器标准中规定的使用条件。测量记录表应注明环境温度、相对湿度。

2 测量高度

  取离地面1.7m~2m高度。也可根据不同目的,选择测量高度。

3 测量频率

  取电场强度测量值>50dBμV/m的频率作为测量频率。

4 测量时间

  基本测量时间为5:00~9:00,11:00~14:00,18:00~23:00城市环境电磁辐射的高峰期。

  若24小时昼夜测量,昼夜测量点不应少于10点。

  测量间隔时间为1h,每次测量观察时间不应小于15s,若指针摆动过大,应适当延长观察时间。


布点方法

1 典型辐射体环境测量布点

  对典型辐射体,比如某个电视发射塔周围环境实施监测时,则以辐射体为中心,按间隔45°的八个方位为测量线,每条测量线上选取距场源分别30、50、100m等不同距离定点测量,测量范围根据实际情况确定。

2 一般环境测量布点

  对整个城市电磁辐射测量时,根据城市测绘地图,将全区划分为1×1km2或2×2km2小方格,取方格中心为测量位置。

3 按上述方法在地图上布点后,应对实际测点进行考察。考虑地形地物影响,实际测点应避开高层建筑物、树木、高压线以及金属结构等,尽量选择空旷地方测试。允许对规定测点调整,测点调整zui大为方格边长的1/4,对特殊地区方格允许不进行测量。需要对高层建筑测量时,应在各层阳台或室内选点测量。


测量仪器

1 非选频式辐射测量仪

  具有各向同性响应或有方向性探头的宽带辐射测量仪属于非选频式辐射测量仪。用有方向性探头时,应调整探头方向以测出zui大辐射电平。

2 选频式辐射测量仪

  各种专门用于EMI测量的场强仪,干扰测试接收机,以及用频谱仪、接收机、天线自行组成测量系统经标准场校准后可用于此目的。测量误差应小于±3dB,频率误差应小于被测频率的10-3数量级。该测量系统经模/数转换与微机联接后,通过编制专用测量软件可组成自动测试系统,达到数据自动采集和统计。 

  自动测试系统中,测量仪可设置于平均值(适用于较平稳的辐射测量)或准峰值(适用于脉冲辐射测量)检波方式。每次测试时间为8~10min,数据采集取样率为2次/s,进行连续取样。


数据处理

  1 如果测量仪器读出的场强瞬时值的单位为分贝(dBμV/m),则按下列公式换算成以V/m为单位的场去强: 

如果测量仪器的是非选频式的,不用此公式。


  2 对于自动测量系统的实测数据,可编制数据处理软件,分别统计每次测量中测值的zui大值Emax、zui小值Emin、中值、95%和80%时间概率的不超过场强值E(95%)、E(80%),上述统计值均以(dBμV/m)表示。还应给出标准差值σ(以dB表示)。

如系多次重复测量,则将每次测量值统计后,再按4.4.1进行数据处理。

绘制污染图

  1 绘制:频率-场强、时间-场强、时间-频率、测量位-总场强值等各组对应曲线。

  2 典型辐射体环境污染图

  以典型辐射体为圆心,标注等场强值线图(参见附录B1),或以典型辐射体为圆心,标注根据(4.5)式或(4.6)式得出的计算值的等值线图。

3 居民区环境污染图

  在有比例的测绘地图上标注等场强值线图,或标注根据(4.5)式或(4.6)式得出的计算值的等值线图。根据需要亦可在各地区地图上做好方格,用颜色或各种形状图线表示不同的场强值

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