屏蔽條件下海水穩恒電場源邊緣效應研究

王立祝，嵇 斗，孫雷強

屏蔽條件下海水穩恒電場源邊緣效應研究

王立祝，嵇 斗，孫雷強

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

針對海水中建立穩恒電場源時會出現電場邊緣效應，使得穩恒電場源內部電場分布不均勻而無法確定其內部準確的電場強度，進而無法準確地對探測電極進行校驗的問題，本文采用有限元法研究了在屏蔽外界干擾情況下海水中兩個有限尺寸平行極板之間的電場邊緣效應，分析了受電場邊緣效應影響下極板間電場分布的規律，確定了適宜進行探測電極校驗的電場區域。

穩恒電場源 邊緣效應 探測電極 有限元法 平行極板

0 引言

由于腐蝕等多種原因艦船會在水下產生電場[1]。水下電場信號已經成為探測艦船的重要手段[2-4]，研究艦船水下電場具有重要意義。在對艦船水下電場進行研究時擁有精度較高的電場探測電極[5-6]至關重要。建立一個電場強度及其分布已知的穩恒電場源，能夠更好地研究電場探測電極的測量精度，確定其測量誤差。

為了減少環境電場對穩恒電場源的影響，本文采用了一個能夠屏蔽外界電場干擾的長方體金屬殼屏蔽裝置[7-8]，并將金屬殼接地，在屏蔽金屬殼內部用長方體塑料盒盛裝海水，使得海水與金屬屏蔽殼隔離。在塑料盒內海水的兩端放置一對平行的電極板，兩個極板在外加電壓的情況下，在海水中會形成電場。在屏蔽殼內部海水中建立穩恒電場時，內部電場會發生邊緣效應，進而影響了平行極板間的電場分布。電場的邊緣效應在平行板電容中研究較多，雷建華[9]利用ANSYS有限元軟件對平行板電容傳感器的電場分布進行二維仿真，研究了空氣中極板間距對平行板電容邊緣效應的影響。本文要研究的是海水中電場的邊緣效應，海水外存在空氣介質，同時周圍還環繞著接地的金屬屏蔽層，海水中電場邊緣效應較為復雜。文獻[10]研究了水下電場測量設備的校準問題，但未對電場的屏蔽及電場的邊緣效應進行分析。本文對屏蔽條件下的海水中穩恒電場源的電場邊緣效應進行研究。

1 海水中兩個極板間電場分布

2 考慮邊緣效應的穩恒電場有限元模型

2.1 二維極板間電場邊緣效應建模

圖2 二維穩恒電場源裝置模型及網格剖分

2.2 屏蔽條件下二維電場分布

仿真結果如圖3所示，可以看到兩個極板間的各點電場方向并非都是平行的，這是因為兩個極板間電場發生了邊緣效應，屏蔽金屬殼內的電場分布如圖箭頭所示，箭頭只代表電場方向，不代表大小。

圖3 二維穩恒電場源電場方向

在不考慮電場邊緣效應的情況下，兩個極板間將產生勻強電場，根據勻強電場計算公式：

選取海水區域內電場的x分量接近勻強電場值26.6-26.75 mV/m，得到圖4（b）所示的兩片區域，這樣就確立了電場強度已知，適于進行探測電極校驗的穩恒電場區域。

2.3 三維極板間電場邊緣效應建模

圖5 三維穩恒電場源裝置模型及網格剖分

2.4 屏蔽條件下三維電場分布

在整個海水區域內電場x分量較接近勻強電場的理論值，然而由于電場邊緣效應的影響，x分量電場強度最接近勻強電場值的區域為圖7中兩部分區域所示，由三維仿真主視圖x-z平面的圖8中可以看出，三維立體仿真結果與二維仿真結果圖形區域基本一致。

圖6 采樣數據線上電場x分量值

圖7 電場x分量最優區域

圖8 電場x分量最優區域主視圖

因此，我們可以得出對于一個長方體而言，主視圖如圖9所示長方形，用線段1，2，3將該長方形四等分，則1，3線段附近區域電場x分量為我們所計算出的最接近勻強電場值區域。

圖9 長方體區域簡化示意圖

3 結論

在使用金屬殼屏蔽外界電場干擾的情況下，在金屬殼內部建立穩恒電場時，內部電場x分量雖然接近勻強電場，但是由于電場的邊緣效應，極板之間的電場分布具有以下特點：

1）極板的邊緣由于電場的畸變，使得電場顯著增強。

2）靠近極板區域即線段0，4附近區域的電場x分量要比計算的勻強電場值偏強。

3）兩個極板的中間區域即線段2附近區域電場x分量要比計算的勻強電場值偏弱。

4）線段1，3附近區域電場x分量與計算的勻強電場值最為接近。

已知兩個極板間電壓和兩個極板間距，則不考慮電場邊緣效應的情況下，按勻強電場計算簡便快捷，然而實際情況是兩個極板之間的電場發生了邊緣效應。經過仿真我們確定了最接近勻強電場區域即線段1，3附近區域，因此在利用已知極板間距和極板間電壓要進行探測電極校驗時，重點考慮線段1，3區域進行探測電極校驗，這樣就能使得電場探測電極校驗更加準確。

[1] 龔沈光, 盧新城. 艦船電場特性初步分析[J]. 海軍工程大學學報, 2008, 20(2): 1-4.

[2] 朱武兵, 嵇斗, 王向軍等. 淺海中影響運動艦船軸頻電磁場的因素[J]. 船電技術, 2013, 33(11): 41-44.

[3] 嵇斗, 王向軍, 柳懿等. 地磁場中潛艇運動感應靜電場建模[J]. 四川兵工學報, 2014, 35(7): 4-8.

[4] Ji Dou, Wang Xiangjun. An Efficient Evolutionary Programming[C]. ISISE IEEE2008: 401-404.

[5] 申振, 宋玉蘇, 王燁煊等. Ag/AgCl 和碳纖維海洋電場電極的探測特性研究[J]. 儀器儀表學報, 2018, 39(2): 211-217.

[6] 辛永磊, 許立坤, 尹鵬飛等. 全固態Ag/AgCl參比電極電位穩定性的影響因素[J]. 中國腐蝕與防護學報, 2013, 33(3): 231-234.

[7] 吳剛, 張新剛, 劉波. 有孔矩形金屬腔體屏蔽效能的估算[J]. 強激光與粒子束, 2011, 23(3): 743-748.

[8] 吳逸汀, 盛衛星, 韓玉兵. 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.

[9] 雷建華. 極板間距對平行板電容邊緣效應的影響研究[J]. 學術探討, 2013, 7(2): 57-58.

[10] 張樹. 水下電場測量設備校準研究[D]. 武漢: 海軍工程大學, 2011.

[11] 王惠玲, 李寶生. 基于邊緣效應的圓環式電容傳感器電場仿真分析[J]. 傳感器與微系統, 2014, 33(4): 31-33.

Study on Edge Effect of Seawater Steady Electric Field Source Under Shielding Conditions

Wang Lizhu, Ji Dou, Sun Leiqiang

(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM937

A

1003-4862（2019）09-0057-04

2019-01-23

王立祝（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電磁環境與防護。E-mail: 2543777145@qq.com