存儲測試儀磁場屏蔽效能仿真分析

陳昌鑫，王宇，馬鐵華

?

存儲測試儀磁場屏蔽效能仿真分析

陳昌鑫，王宇，馬鐵華

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051； 中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

針對存儲測試儀的磁場屏蔽效能優化問題，采用控制變量法和變量掃描法，利用Ansoft Maxwell有限元分析軟件對測試儀屏蔽體的形狀、材料和殼體壁厚這3個參數進行建模仿真，然后對不同參數的仿真結果進行對比，分析屏蔽體不同參數對屏蔽效能的影響。仿真結果表明，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，通過選用磁導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，同時通過理論計算驗證了仿真結果。

存儲測試儀；磁場屏蔽；屏蔽效能；建模仿真

1 概述

我國存儲測試技術研究始于20世紀80年代，30余年來，存儲測試技術為高壓、高沖擊、強電磁干擾等復雜惡劣環境下動態參數的信息準確、可靠獲取提供了強有力的技術手段[1]。存儲測試技術與遙測技術、引線測試技術并列為常用測試技術，特別是微體積、微小功耗的存儲測試儀在信息傳輸困難、傳感器供電困難的狹小空間、高速運動、干擾強烈等測試場合應用，優勢明顯[2]。存儲測試儀在復雜電磁環境中也經常被應用，電磁輻射引起的電磁干擾問題越來越嚴重，以磁場（尤其是低頻磁場）為表現形式的電磁輻射會對存儲測試儀內部的半導體電子元器件以及測試信號產生很大的影響[3-4]。存儲測試適應復雜環境策略在于自帶電池供電，在傳感器本地將信號調理、轉換后存儲，也即信號調理、信息轉換、信息存儲等模塊與電池密閉在金屬殼體內，測試完畢后讀取數據再現測試過程。目前，存儲測試儀設計多采用金屬屏蔽體接地方法來抗電磁干擾，常用作屏蔽體的金屬有鋁、銅、鋼、硅鋼、坡莫合金等[5]。但目前測試儀金屬屏蔽體工程設計以經驗設計為主，對實現屏蔽效能最優化影響因素不完全清晰，因此，需要對測試儀屏蔽體屏蔽效能進行研究，以建模仿真為手段，為磁場屏蔽效能優化提供依據。相關文獻表明，影響測試儀屏蔽體屏蔽效能的參數有材料、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[7]。針對存儲測試儀屏蔽體屏蔽效能優化分析問題，利用有限元分析軟件Ansoft Maxwel，通過仿真建模手段，采用控制變量法和變量掃描法對金屬屏蔽體的形狀、材料、殼體壁厚等因素與屏蔽效能的關系進行仿真分析，得出一定規律，以實現屏蔽效能優化。

2 電磁屏蔽

電磁屏蔽是指通過屏蔽體，將電磁能量限制在一定空間范圍內，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度量，屏蔽效能指在加屏蔽體之前某一測點的場強0與同一測點加屏蔽體時的場強S之比，其單位是dB[9-10]，屏蔽體屏蔽效能的數學表達式為：

2.2 磁場屏蔽

磁場屏蔽是指將磁力線封閉在屏蔽體內，可阻擋內部磁場向外擴散或外界磁場干擾進入，減少磁場輻射的干擾[11]。磁場屏蔽又分為低頻磁屏蔽和高頻磁屏蔽。一般高頻磁場頻率大于100 kHz，低頻磁場頻率低于100 kHz，低頻磁場由導體中流過的電流產生或者由鐵磁材料磁化引起[3]。存儲測試儀所處磁場環境大多為低頻磁場，而且低頻磁場也會對測試儀產生很大的影響。

3 仿真建模與分析

對存儲測試儀屏蔽體的形狀、材料、殼體壁厚、孔隙形狀等參數進行仿真建模，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對屏蔽效能的影響。

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金屬屏蔽體的每個參數進行仿真，參數設置如表1所示。

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

表1 屏蔽體參數設置表

屏蔽體參數參數變量 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 存儲測試儀仿真模型

圖1中左邊箱體為存儲測試儀，在測試儀的內部的小立方體用來測試儀器磁場感應情況，小立方體在測試儀的中心位置。圖1中右邊為電磁鐵，電磁鐵外部包裹的是銅線圈，線圈里邊為鐵芯，在仿真磁場時，線圈電流設置的激勵大小為2 A，匝數為9 000匝，電流方向為順時針方向，電磁鐵左邊為N極，右邊為S極，電磁鐵中心磁力線方向與小立方體的正對面垂直。

3.2 仿真及結果分析

通過對影響金屬屏蔽體屏蔽效能的不同參數進行仿真分析，得出不同參數對屏蔽效能影響的情況。

3.2.1 屏蔽體材料仿真

在Ansoft Maxwell軟件中建立存儲測試儀屏蔽體的結構模型，只改變屏蔽體的材料參數，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，對屏蔽體材料進行仿真，鋼的磁場仿真云圖如圖2所示，通過公式（1）計算不同屏蔽材料的屏蔽效能，得到仿真結果如表2所示。

圖2 鋼的磁場仿真云圖

表2 屏蔽體材料仿真結果

材料名稱相對磁導率屏蔽效能/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

仿真結果表明：存儲測試儀屏蔽體的屏蔽效能與其材料有關，且金屬屏蔽體相對磁導率越大，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構模型，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。對屏蔽體結構模型進行仿真，通過公式（1）計算不同屏蔽體形狀的屏蔽效能，得到的仿真結果如表3所示。

表3 形狀仿真結果

形狀屏蔽效能/dB 立方體23.71 圓柱體27.09

仿真結果表明：同體積的圓柱體屏蔽效能優于立方體。

3.2.3 屏蔽體殼體壁厚仿真

用Ansoft Maxwell軟件建立屏蔽體結構模型，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。對屏蔽體結構模型進行仿真，通過公式（1）計算不同屏蔽體殼體壁厚的屏蔽效能，得到的仿真結果如表4所示。

表4 殼體壁厚仿真結果

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，如圖3所示。根據圖3，可以看出屏蔽體屏蔽效能與殼體壁厚成正相關。

圖3 殼體壁厚仿真擬合曲線

4 小結

基于Ansoft Maxwell軟件，對存儲測試儀電磁屏蔽效能進行仿真，仿真結果表明：①金屬屏蔽體相對磁導率越高，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的。

［1］祖靜，馬鐵華，裴東興，等.新概念動態測試［M］.北京：國防工業出版社，2016.

［2］馬強.高速旋轉彈丸引信動態參數測試與分析［D］.太原：中北大學，2016.

［3］李安金，趙仁濤.低頻磁場屏蔽問題簡述［J］.科技信息，2013（03）：211-212，242.

［4］朱國輝，左遙遠.鐵鎳合金對復合電磁屏蔽材料性能的影響［J］.功能材料，2013（12）：1686-1689.

［5］裴東興，祖靜，馬鐵華，等.強電磁環境下膛壓測試技術研究［J］.電子測量與儀器學報，2011，25（12）：1013-1017.

［6］金鵬.基于電磁屏蔽的箱體設計及有限元仿真的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2007.

［7］王世培，許允之，劉昊，等.電力設備電磁兼容評價計算機輔助分析［J］.中國測試技術，2007，33（1）：130-132.

［8］劉琳，張東.電磁屏蔽材料的研究進展［J］.功能材料，2015（3）：3016-3022.

［9］唐雨然，季忠.顱內壓檢測分析儀電磁屏蔽效能定量計算方法［J］.電子測量與儀器學報，2016，30（6）：903-909.

［10］吳逸汀，盛衛星，韓玉兵，等.金屬材料低頻磁場屏蔽效能研究［J］.電波科學學報，2015，30（4）：673-678.

［11］張龍，魏光輝，胡小鋒，等.強電磁場環境下屏蔽效能測試新方法［J］.電波科學學報，2013，28（4）：715-721.

2095－6835（2018）18－0144－03

TP391.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.144

陳昌鑫（1988—），男，河南信陽人，博士，講師，主要從事動態測控與智能儀器方面的教學與科研工作。

〔編輯：嚴麗琴〕