存儲(chǔ)測(cè)試儀磁場(chǎng)屏蔽效能仿真分析

陳昌鑫，王宇，馬鐵華

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存儲(chǔ)測(cè)試儀磁場(chǎng)屏蔽效能仿真分析

陳昌鑫，王宇，馬鐵華

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試儀的磁場(chǎng)屏蔽效能優(yōu)化問(wèn)題，采用控制變量法和變量掃描法，利用Ansoft Maxwell有限元分析軟件對(duì)測(cè)試儀屏蔽體的形狀、材料和殼體壁厚這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行建模仿真，然后對(duì)不同參數(shù)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析屏蔽體不同參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響。仿真結(jié)果表明，金屬屏蔽體屏蔽效能受屏蔽體的形狀、材料和殼體壁厚影響且影響不可忽略，通過(guò)選用磁導(dǎo)率大的圓柱體金屬屏蔽體、增加屏蔽體壁厚，可增大屏蔽體屏蔽效能，同時(shí)通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

存儲(chǔ)測(cè)試儀；磁場(chǎng)屏蔽；屏蔽效能；建模仿真

1 概述

我國(guó)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代，30余年來(lái)，存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)為高壓、高沖擊、強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜惡劣環(huán)境下動(dòng)態(tài)參數(shù)的信息準(zhǔn)確、可靠獲取提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段[1]。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)與遙測(cè)技術(shù)、引線(xiàn)測(cè)試技術(shù)并列為常用測(cè)試技術(shù)，特別是微體積、微小功耗的存儲(chǔ)測(cè)試儀在信息傳輸困難、傳感器供電困難的狹小空間、高速運(yùn)動(dòng)、干擾強(qiáng)烈等測(cè)試場(chǎng)合應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)明顯[2]。存儲(chǔ)測(cè)試儀在復(fù)雜電磁環(huán)境中也經(jīng)常被應(yīng)用，電磁輻射引起的電磁干擾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，以磁場(chǎng)（尤其是低頻磁場(chǎng)）為表現(xiàn)形式的電磁輻射會(huì)對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試儀內(nèi)部的半導(dǎo)體電子元器件以及測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生很大的影響[3-4]。存儲(chǔ)測(cè)試適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境策略在于自帶電池供電，在傳感器本地將信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)，也即信號(hào)調(diào)理、信息轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)等模塊與電池密閉在金屬殼體內(nèi)，測(cè)試完畢后讀取數(shù)據(jù)再現(xiàn)測(cè)試過(guò)程。目前，存儲(chǔ)測(cè)試儀設(shè)計(jì)多采用金屬屏蔽體接地方法來(lái)抗電磁干擾，常用作屏蔽體的金屬有鋁、銅、鋼、硅鋼、坡莫合金等[5]。但目前測(cè)試儀金屬屏蔽體工程設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，對(duì)實(shí)現(xiàn)屏蔽效能最優(yōu)化影響因素不完全清晰，因此，需要對(duì)測(cè)試儀屏蔽體屏蔽效能進(jìn)行研究，以建模仿真為手段，為磁場(chǎng)屏蔽效能優(yōu)化提供依據(jù)。相關(guān)文獻(xiàn)表明，影響測(cè)試儀屏蔽體屏蔽效能的參數(shù)有材料、形狀、金屬殼體壁厚等[6]。金屬屏蔽體的屏蔽效能與材料本身的特性密切相關(guān)[7]。針對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試儀屏蔽體屏蔽效能優(yōu)化分析問(wèn)題，利用有限元分析軟件Ansoft Maxwel，通過(guò)仿真建模手段，采用控制變量法和變量掃描法對(duì)金屬屏蔽體的形狀、材料、殼體壁厚等因素與屏蔽效能的關(guān)系進(jìn)行仿真分析，得出一定規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)屏蔽效能優(yōu)化。

2 電磁屏蔽

電磁屏蔽是指通過(guò)屏蔽體，將電磁能量限制在一定空間范圍內(nèi)，從而有效衰減或者阻隔電磁波傳播[8]。

2.1 屏蔽效能

屏蔽體的屏蔽性能用屏蔽效能來(lái)度量，屏蔽效能指在加屏蔽體之前某一測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)0與同一測(cè)點(diǎn)加屏蔽體時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)S之比，其單位是dB[9-10]，屏蔽體屏蔽效能的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.2 磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)屏蔽是指將磁力線(xiàn)封閉在屏蔽體內(nèi)，可阻擋內(nèi)部磁場(chǎng)向外擴(kuò)散或外界磁場(chǎng)干擾進(jìn)入，減少磁場(chǎng)輻射的干擾[11]。磁場(chǎng)屏蔽又分為低頻磁屏蔽和高頻磁屏蔽。一般高頻磁場(chǎng)頻率大于100 kHz，低頻磁場(chǎng)頻率低于100 kHz，低頻磁場(chǎng)由導(dǎo)體中流過(guò)的電流產(chǎn)生或者由鐵磁材料磁化引起[3]。存儲(chǔ)測(cè)試儀所處磁場(chǎng)環(huán)境大多為低頻磁場(chǎng)，而且低頻磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)測(cè)試儀產(chǎn)生很大的影響。

3 仿真建模與分析

對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試儀屏蔽體的形狀、材料、殼體壁厚、孔隙形狀等參數(shù)進(jìn)行仿真建模，采用控制變量法和變量掃描法分析屏蔽體的形狀、材料和殼體壁厚等參數(shù)對(duì)屏蔽效能的影響。

3.1 建立仿真模型

首先建立仿真模型，采用控制變量法和變量掃描法對(duì)金屬屏蔽體的每個(gè)參數(shù)進(jìn)行仿真，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

利用Ansoft Maxwell有限元電磁仿真軟件建立存儲(chǔ)測(cè)試儀屏蔽體的仿真模型，模型如圖1所示。

表1 屏蔽體參數(shù)設(shè)置表

屏蔽體參數(shù)參數(shù)變量 形狀圓柱體、立方體 材料鋁、銅、不銹鋼、鋼、硅鋼、坡莫合金 殼體壁厚/mm2，4，6，8，10

圖1 存儲(chǔ)測(cè)試儀仿真模型

圖1中左邊箱體為存儲(chǔ)測(cè)試儀，在測(cè)試儀的內(nèi)部的小立方體用來(lái)測(cè)試儀器磁場(chǎng)感應(yīng)情況，小立方體在測(cè)試儀的中心位置。圖1中右邊為電磁鐵，電磁鐵外部包裹的是銅線(xiàn)圈，線(xiàn)圈里邊為鐵芯，在仿真磁場(chǎng)時(shí)，線(xiàn)圈電流設(shè)置的激勵(lì)大小為2 A，匝數(shù)為9 000匝，電流方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，電磁鐵左邊為N極，右邊為S極，電磁鐵中心磁力線(xiàn)方向與小立方體的正對(duì)面垂直。

3.2 仿真及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)影響金屬屏蔽體屏蔽效能的不同參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得出不同參數(shù)對(duì)屏蔽效能影響的情況。

3.2.1 屏蔽體材料仿真

在Ansoft Maxwell軟件中建立存儲(chǔ)測(cè)試儀屏蔽體的結(jié)構(gòu)模型，只改變屏蔽體的材料參數(shù)，屏蔽體形狀為立方體，殼體壁厚為5 mm。屏蔽體材料分別為鋁、鋼、不銹鋼、銅、坡莫合金和硅鋼，對(duì)屏蔽體材料進(jìn)行仿真，鋼的磁場(chǎng)仿真云圖如圖2所示，通過(guò)公式（1）計(jì)算不同屏蔽材料的屏蔽效能，得到仿真結(jié)果如表2所示。

圖2 鋼的磁場(chǎng)仿真云圖

表2 屏蔽體材料仿真結(jié)果

材料名稱(chēng)相對(duì)磁導(dǎo)率屏蔽效能/dB 鋁1.000 0210 銅0.999 9910 不銹鋼80020.20 鋼1 00023.71 硅鋼7 00038.99 坡莫合金50 00056.06

仿真結(jié)果表明：存儲(chǔ)測(cè)試儀屏蔽體的屏蔽效能與其材料有關(guān)，且金屬屏蔽體相對(duì)磁導(dǎo)率越大，屏蔽效果越好。

3.2.2 屏蔽體形狀仿真

在Ansoft Maxwell軟件中建立的屏蔽體結(jié)構(gòu)模型，只改變屏蔽體的形狀，屏蔽體材料為鋼，殼體壁厚為5 mm。屏蔽體形狀是體積相等的立方體和圓柱體。對(duì)屏蔽體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)公式（1）計(jì)算不同屏蔽體形狀的屏蔽效能，得到的仿真結(jié)果如表3所示。

表3 形狀仿真結(jié)果

形狀屏蔽效能/dB 立方體23.71 圓柱體27.09

仿真結(jié)果表明：同體積的圓柱體屏蔽效能優(yōu)于立方體。

3.2.3 屏蔽體殼體壁厚仿真

用Ansoft Maxwell軟件建立屏蔽體結(jié)構(gòu)模型，只改變屏蔽體的壁厚，屏蔽體材料為鋼，形狀為立方體。屏蔽體殼體壁厚分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm和10 mm。對(duì)屏蔽體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)公式（1）計(jì)算不同屏蔽體殼體壁厚的屏蔽效能，得到的仿真結(jié)果如表4所示。

表4 殼體壁厚仿真結(jié)果

殼體壁厚/mm屏蔽效能/dB 218.81 422.26 626.74 828.54 1029.72

利用Matlab軟件繪制屏蔽體殼體壁厚與屏蔽效能的擬合曲線(xiàn)，如圖3所示。根據(jù)圖3，可以看出屏蔽體屏蔽效能與殼體壁厚成正相關(guān)。

圖3 殼體壁厚仿真擬合曲線(xiàn)

4 小結(jié)

基于Ansoft Maxwell軟件，對(duì)存儲(chǔ)測(cè)試儀電磁屏蔽效能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：①金屬屏蔽體相對(duì)磁導(dǎo)率越高，屏蔽效能越大，屏蔽效果越好；②在體積相等的情況下，屏蔽體形狀為圓柱體的屏蔽效果比立方體好；③金屬屏蔽體的屏蔽效能與屏蔽體壁厚是正相關(guān)的。

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2095－6835（2018）18－0144－03

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.144

陳昌鑫（1988—），男，河南信陽(yáng)人，博士，講師，主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)控與智能儀器方面的教學(xué)與科研工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕