射頻電磁弛豫特性傳感器的優化設計

趙金龍+熊恒昌+高梓瑞+李志偉

摘 要：射頻電磁弛豫特性傳感器主要用于復合絕緣子老化狀態檢測，其檢測結果的可靠性直接影響著電力系統的安全運行。因此，為提高復合絕緣子老化狀態無損檢測的準確性，本文從靜態磁體結構、射頻線圈、調諧電路三個方面進行了對射頻電磁弛豫特性傳感器的優化設計。

關鍵詞：射頻電磁；弛豫特性；優化設計

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0154-01

1 靜態磁體結構的優化電磁仿真與優化設計

1.1 產生垂直方向磁場的磁體結構的優化設計

產生垂直方向磁場的最簡單的磁體結構就是軸向充磁的圓柱形磁體，在圓柱磁體的圓面上方可以產生一個垂直于圓面分布的磁場，但是僅僅只用一個圓柱形磁體，目標區域內的磁場往往不夠均勻，磁場分散性大，而且磁場分布狀態與永磁體的半徑和高度有關。因此本文對單圓柱形磁體結構進行優化，通過調節圓柱磁體的半徑和高度以及增加相應的勻場措施來獲得最佳磁場分布的磁體結構。 如圖1（a）（b）所示為圓柱形單邊磁體結構的模型，中間是圓柱形釹鐵硼（NdFeB35）的永磁體材料，磁體外圍的物體是用來改善磁場分布的鐵磁材料，位于磁體上方2mm處的紅色區域是目標區域，其尺寸為5mm×5mm×2mm，中間的黃色線圈是射頻線圈模型。

采用Ansoft Maxwell電磁產仿真軟件，通過改變磁體的高度、磁體的半徑以及鐵磁材料（Steel_1008）的高度和邊長，對不同尺寸結構的磁體進行掃描仿真，通過大量的仿真搜索，我們得到了均勻度最佳的磁體結構，為簡單起見，這里只給出其中五個不同結構的磁體在目標區域中心線上的磁場均勻度的仿真結果。

1.2 產生水平方向磁場的磁體結構的優化設計

鑒于圖1（b）中的單邊磁體結構的優越性，可以考慮將這種磁體結構的尺寸進行縮小，由于絕緣子傘裙尺寸的限制以及傳感器小型輕量化的要求，因此本文采用三個尺寸為10mm×10mm×30mm的長方體形永磁體磁棒組合成三磁棒磁體結構，其結構的優化過程可詳細描述為：與產生垂直方向磁場的磁體結構章節類似，以磁體結構上表面2mm處尺寸為5mm×5mm×2mm的目標區域內的磁場均勻度為優化目標，可控制的變量為三個磁棒之間的相對位置以及左右兩側的磁體在YOZ平面上的旋轉角度。

通過仿真我們得知，當三個磁棒中心的點坐標分別為：中間磁棒坐標（0mm，0mm，-1.2mm），左右兩側磁棒坐標（0mm，13.1mm，0mm），（0mm，-13.1mm，0mm），且右邊磁棒在YOZ平面上以平行于x方向的中心軸為旋轉軸，順時針旋轉41°，左邊磁棒在YOZ平面上以平行于x方向的中心軸為旋轉軸，逆時針旋轉41°時得到的磁場均勻度最好。

2 射頻線圈阻抗匹配設計

根據仿真結果得到的繞線結構是數值形式的，而且由于其結構的特異性，使得很難直接在PCB中直接繪制線圈的結構，因此本文借助于不同軟件之間的模型轉換，最終得到線圈的PCB模型。

3 調諧電路設計與調試

對于本文所設計的平面射頻線圈，利用阻抗分析儀可以測得該線圈在頻率為16.075MHz的交流激勵下呈感性，線圈的電阻為1.10868Ω，電感為326.585nH，因此該射頻線圈電路可以等效為感性阻抗負載。圖2為調諧電路實體圖。

4 結語

本文通過利用Ansoft Maxwell電磁產仿真軟件等技術手段，通過對靜態磁體結構的優化設計以及電磁仿真與優化設計、射頻線圈以及調諧電路的設計，不僅原有的體積問題得到了改善，并且質量以及攜帶方面也做到了優化，最終得到了更加適用于復合絕緣子檢測的傳感器。

參考文獻

[1]徐征，吳嘉敏.用于復合絕緣子傘裙老化狀態檢測的單邊核磁共振傳感器[J].電工技術學報，2016，（12）：118-125.

[2]徐征，程江艷，吳嘉敏，何為.用于復合絕緣子傘裙老化無損檢測的單邊核磁共振方法[J].中國電機工程學報，2014，（36）：6545-6553.