电磁因素

电磁因素（精选九篇）

电磁因素 篇1

随着柴油机电子控制技术的不断发展,电控燃油喷射系统成为满足日益严格的柴油机排放法规要求的必然趋势。电控单体泵应用于柴油机上,是能够满足排放法规和改善燃油经济性的时间控制式燃油喷射系统[1,2,3,4,5]。高速电磁阀是电控单体泵正常工作的最关键的部件之一,其动态响应特性直接影响喷油量和喷油定时的控制精度。因此,对高速电磁阀动态响应特性的研究具有重要意义。高速电磁阀工作时是一个电、磁、机、液场耦合的复杂系统[6],本文通过数值模拟与试验相结合的方法,验证了所建仿真模型的准确性,应用仿真模型对影响高速电磁阀动态响应特性的因素进行了分析,为高速电磁阀的参数选择、优化设计提供了一定的理论指导。

1 电磁阀结构组成与工作原理

电控单体泵高速电磁阀的结构如图1所示,主要零部件包括:电磁铁、衔铁、控制阀杆、衔铁复位弹簧、出油堵头等。其中,电磁铁主要由铁芯、励磁线圈、外壳等组成。通电后,电磁铁吸合衔铁,拉动控制阀杆,关闭密封锥面,切断燃油回路,从而在泵腔内建立起燃油喷射所需的高压;断电后,复位弹簧迫使衔铁推动控制阀杆复位,开启密封锥面,卸载高压燃油,停止燃油喷射。该方式实现了对燃油喷射过程的数字控制,改变了传统喷油泵复杂的机械控制方式。对喷油量和喷油定时的控制通过调节控制阀杆的闭合时间和闭合时刻来实现[7]。

2 仿真模型的建立

2.1 数学模型

电磁场求解基于麦克斯韦微分方程组:安培环路定律(式(1))、法拉第电磁感应定律(式(2))、高斯电通定律(式(3))、高斯磁通定律(式(4)),采用有限元离散形式,将工程中的电磁场计算转变为矩阵求解,进而直接或间接解得各物理量。

式中,H为磁场强度;J为传导电流密度;D为电通密度;t为时间;E为电场强度;B为磁感应强度;ρ为电荷体密度。

电磁阀的机械运动方程为

式中,m为运动件质量,包括阀杆、衔铁和小弹簧等零件;x为衔铁位移;Fmag为电磁力;λ为考虑到流场影响的阻尼系数;k为弹簧刚度;F0为弹簧预紧力。

2.2 有限元模型

由于所研究电磁阀为非轴对称模型,为了保证计算精度,在Ansoft Maxwell中采用三维建模分析,并对模型进行了相应简化处理。因电磁阀的控制阀杆、衔铁复位弹簧、出油堵头、弹簧座、外壳、密封圈等为非软磁材料部件,其磁导率与空气相近,故建模时将其视为空气,包含于最后创建的求解域中[8]。电磁阀铁芯由硅钢片叠压而成,根据其实际外形尺寸建成一整块,在分配材料时,设置其属性为叠片,并给定叠压系数和叠压方向,建立的铁芯模型如图2(a)所示。励磁线圈由多匝铜导线绕制而成,建模时将其等效为一个线圈环,同时做出环的一个纵截面作为激励输入端子。加载激励时,指定线圈类型为绞线型,表示模型线圈环是由多匝线圈组成,并给定线圈匝数,建立的线圈模型如图2(b)所示。保持衔铁和铁芯之间的初始工作气隙为0.25 mm,根据衔铁的实际尺寸和结构建立的模型如图2(c)所示。由于电磁阀衔铁外表面、阻尼孔内表面为曲面,而Ansoft Maxwell三维瞬态磁场计算时要求运动物体必须具有真实边界的三维实体,其表面不能为曲面,而必须是可分割的平面,于是需建立一多边形柱体空气包包裹衔铁,另建立一运动区域包裹衔铁的所有行程以将静止物体与运动物体分开,最后创建以空气环境包围整个模型的求解域,完整模型如图2(d)所示。

图3为模型一切面的网格剖分示意图。其中,铁芯、线圈、空气包的内部最大网格尺寸为3mm,衔铁、运动区域、求解域的内部最大网格尺寸分别为2 mm、1 mm、4 mm。

2.3 仿真与试验的对比

电控单体泵喷油系统油泵试验台如图4所示。通过在单体泵堵头上开安装孔把Kistler电涡流升程传感器安装在合适的位置(图5),升程传感器将控制阀杆位移变化转化为电压信号输出,并同时测量电磁阀线圈电流和高压油管泵端压力,即可得到高速电磁阀动态响应特性情况。

将典型工况下(不同凸轮轴转速和喷油脉宽)实测电流数据分别导入Ansoft Maxwell软件作为激励进行仿真计算。表1、图6分别为各响应时间和阀杆升程曲线仿真与试验的对比。其中,tc为关闭响应时间;to为开启响应时间。

由表1可知,高速电磁阀关闭响应时间最大误差为2%,且仿真计算值均略小于试验值,关闭过程的阀杆升程曲线仿真也超前于试验(图6)。这主要是因为仿真计算忽略了漏磁及电磁阀温升致使衔铁和阀芯材料磁导率降低等效应,导致计算电磁吸力大于实际电磁吸力,使得仿真计算关闭响应时间缩短,阀杆升程曲线超前。因衔铁实际运动过程中的摩擦力与电磁力和弹簧预紧力相比甚小,仿真计算时忽略了摩擦力的影响。开启响应时间最大误差为8.7%,同样仿真计算值均略小于试验值,阀杆升程曲线仿真也超前于试验(图6)。这主要是因为仿真计算用铁磁材料的初始磁化曲线来近似表示其磁化过程,未考虑其磁滞现象,致使开启响应时间缩短。而在工程计算中,由于软磁材料磁滞回线很窄,用材料的初始磁化曲线近似表示其磁化过程,通过与试验对比可知,这种近似带来的误差是可以接受的。因此,利用此模型能够准确地研究各个因素对电磁阀动态响应特性的影响。

3 动态响应特性的影响因素分析

在电流闭环控制的情况下,其动态响应特性主要受残余气隙(电磁阀密封面关闭后,衔铁和电磁铁铁芯之间的气隙)、阀杆最大升程、运动件质量、衔铁复位弹簧刚度、复位弹簧预紧力等参数的影响。表2为各参数的取值范围。本文以柴油机典型工况凸轮轴转速为1200 r/min、喷油脉宽为7.2℃aA时实测电流作为电磁阀激励,研究各参数对高速电磁阀动态响应特性的影响。当研究某一参数对电磁阀动态响应特性的影响时,其他参数取基准值。

3.1 残余气隙的影响

残余气隙对电磁阀响应特性的影响较明显(图7)。残余气隙由0.05 mm增加到0.13 mm,吸合触动时间(线圈通电到衔铁刚开始动作的时间)由0.132 ms增加到0.184 ms,关闭响应时间由0.574ms增加到0.778 ms,释放触动时间(电磁铁线圈断电到衔铁刚开始动作的时间)由0.114 ms减小到0.046 ms,开启响应时间由0.568 ms减小到0.490 ms。这是因为在阀杆升程不变的情况下,残余气隙的增大使得初始工作气隙增大,磁路磁阻增加,电磁力下降,导致吸合触动时间和关闭响应时间增大,而在开启过程电磁力是阻力,因而使得释放触动时间和开启响应时间减小。对比释放触动时间和开启响应时间的变化,发现残余气隙主要通过影响释放触动时间来影响开启响应时间。此外,残余气隙对关闭响应时间的影响大于开启响应时间。因此,在满足要求的情况下,应尽量使残余气隙减小,提高电磁阀的整体响应速度,根据电流产生的电磁吸力与气隙大小平方成反比的特性[9],还可以进一步降低电磁阀关闭后的维持电流,使得能耗较低,电路不易过热,电磁阀的可靠性加强。

3.2 最大升程的影响

图8为不同最大升程时的阀开升程曲线。由图8可知,最大升程对电磁阀响应特性有明显影响。最大升程由0.12 mm增加到0.20 mm,吸合触动时间由0.132 ms增加到0.184 ms,关闭响应时间由0.498 ms增加到0.856 ms,释放触动时间基本未变,开启响应时间由0.434 ms增加到0.592 ms。这是因为最大升程的增大直接使得运动行程的增加,在残余气隙不变的情况下,最大升程的增大也使得初始工作气隙增大,磁路磁阻增加,电磁力下降,进而使得吸合触动时间和关闭响应时间增加;在残余气隙和驱动电流相同情况下,运动行程的增加必然导致开启响应时间的增加。因此,减小最大升程可有效提高电磁阀的响应速度,但阀杆升程的减小使泄流面积减小,不利高压燃油的快速卸载,须折中考虑。

3.3 运动件质量的影响

运动件质量对电磁阀的响应特性也有一定影响(图9),主要体现在对整个关闭响应时间和开启响应时间的影响,而对吸合触动和释放触动时间影响甚微。运动件质量由8g增加到16g,关闭响应时间由0.614 ms增加到0.696 ms,开启响应时间由0.488 ms增加到0.548 ms。这是因为运动件质量越大,其运动过程加速度越小,致使关闭和开启响应速度减慢。因此,在满足结构强度的情况下,应尽量减小运动件的质量。在电磁阀的加工制作中,可在电磁阀衔铁上适当开槽或挖孔,这样既可减小涡流的影响,又可减小电磁阀运动部件的质量。

3.4 弹簧刚度的影响

弹簧刚度的变化几乎对电磁阀的响应速度没有影响,如图10所示。这是因为阀杆升程仅为0.16mm,不同刚度弹簧发生此形变产生的力与其预紧力和电磁吸力相比甚小。

3.5 弹簧预紧力的影响

图11为不同弹簧预紧力时的阀杆升程曲线。由图11可知,弹簧预紧力对电磁阀响应特性的影响也较明显。预紧力由55 N增加到75 N,吸合触动时间由0.140 ms增加到0.182 ms,关闭响应时间由0.588 ms增加到0.766 ms,释放触动时间由0.084 ms减小到0.068 ms,开启响应时间由0.584 ms减小到0.470 ms。且随着预紧力的增加关闭响应时间增加幅度变大,开启响应时间减小幅度变小。这是因为阀杆升程较小,运动过程中弹簧力基本不变,预紧力是电磁阀关闭过程的主要阻力,预紧力增大,电流须进一步提升衔铁才能克服其动作,使得吸合触动时间延长,且衔铁动作后负载力增加,加速度降低,进一步使得电磁阀整个关闭响应时间延长;相反,在开启过程弹簧预紧力是电磁阀的主要动力,所以使得释放触动时间和开启响应时间缩短。因此,在满足电磁阀开启响应时间要求的前提下,应该尽量选用较小的预紧力。

4 结论

(1)Ansoft Maxwell环境中建立的电控单体泵高速电磁阀的三维有限元仿真模型能够准确地预测电磁阀动态响应速度,从而为对高速电磁阀动态响应特性影响因素的研究提供了平台。

(2)通过分析各参数对高速电磁阀动态响应特性的影响,得出残余气隙、最大升程和弹簧预紧力是高速电磁阀动态响应特性的主要影响因素。

(3)为提高电磁阀整体响应速度,在满足要求的情况下,残余气隙、最大升程、运动件质量和弹簧预紧力均宜选用较小值。

参考文献

[1]Aditya M,Han J S.Lu P H,et al.Modeling dynamic behaviorof diesel fuel injection systems[C]//SAE 2004-01-0536,2004.

[2]仇滔,刘兴华,刘福水,等.电控单体泵燃油系统凸轮型线优化研究[J].内燃机学报,2008,26(5):476-479.Qiu T.Liu X H,Liu F S,et al.The study for cam profile design of EUP[J].Transactions of CSICE.2008,26(5):476-479.

[3]Cantore G,Mattarelli E.Boretti A A.Experimental and theoretical analysis of a diesel fuel injection system[C]//SAE 1999-01-0199.1999.

[4]范立云,马修真,朱元宪,等.电控组合泵燃油温度动态特性研究[J].内燃机工程,2010,31(6):65-70.Fan L Y.Ma X Z.Zhu Y X,et al.Investigation on dynamic characteristics of fuel temperature for electronic controlled assembly Pump[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,31(6):65-70.

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[7]Fan L Y,Zhu Y X,Long W Q,et al.A characteristic study of electronic in-line pump system for diesel engines[C]//SAE2008-01-0943,2008.

[8]袁海军.基于Ansoft Maxwell仿真的电磁阀关闭过程动态特性研究[J].机电产品开发与创新,2011,24(5):82-84.Yuan H J.Research of dynamic character of solenoid valves closing process based on ansoft maxwell simulation[J].Development and Innovation of Machinery and Electrical Products,2011,24(5):82-84.

电磁污染及电磁环境计量 篇2

电磁污染及电磁环境计量

摘要：一、电磁污染 人们在享受现代科学技术带来的文明和社会进步的同时,也面临着大量的有意或无意的电磁波发射所带来的电磁污染.目前,我围移动电话的生产量和使用量已居世界第一,移动电话发射基站随处可见,家用和类似用途电器在大量使用,大屏幕多媒体显示器日益普及,高压电力线及变电设施进入城区,这些设备和设施在造福人类的同时,伴随而来的电磁辐射也在影响着我们生存的环境.电磁辐射是指变化的.电场和变化的磁场相互作用而产生的一种能量流的辐射.作 者：武彤 作者单位：中国计量科学研究院期 刊：中国计量 Journal：CHINA METROLOGY年，卷(期)：,“”(2)分类号：

电磁因素 篇3

钢筋混凝土保护层厚度是保证混凝土结构正常使用的重要因素。它对保证结构的安全性、耐久性均具有重要意义。电磁感应法测试钢筋保护层厚度是较为普遍的一种无损检测方法。在实际应用中, 影响检测结果的因素较多, 怎样才能准确地测试出钢筋保护层厚度还需我们去探讨。

2 电磁感应检测原理

根据经典电磁学理论, 变化的的电场和变化的磁场总是交替产生, 由近及远地传播, 从而形成电磁波。电磁波波速与波长、频率的关系是C=λf, 其中波速保持不变。当以电磁波测距时, 仪器探头发射并接收电磁波, 通过测量电磁波在待测距离上往返传播的时间解算出距离。仪器运用电磁波形的变化规律, 包括在一个波长内, 波形、波峰、波谷位置、角度、振幅的变化揭示混凝土中钢筋的分布和保护层厚度情况。图1、图2为测量原理示意图。

实际测量中钢筋保护层厚度测量仪的探头同时具有发射和接收的功能, 测量时探头发射电磁信号, 遇到钢筋后产生二次感应磁场后被探头接收, 经仪器的分析处理, 得到钢筋保护层、钢筋直径和钢筋的分布情况。

3 检测精度影响因素的探讨

利用电磁感应原理进行结构实体检测, 不仅受到相邻钢筋的影响, 混凝土中的水泥、骨料、钢筋材质也均会影响检测结果。

3.1 外加磁场

根据电磁感应法钢筋探测仪的工作原理, 为了保证测量结果的准确性, 测试前需避开外加磁场, 如发电厂、变电站和电焊机等, 同时, 当几台仪器同时工作时, 仪器间也需保持一定的距离, 相关研究表明, 仪器间的间距应不小于2m。

3.2 混凝土中水泥、骨料及其他掺合料

《混凝土中钢筋检测技术规程》JGJ/T152-2008规定, 电磁感应法钢筋探测仪不适合含有铁磁性的混凝土, 若混凝土中带磁性, 则需要对测试结果进行修正。因此, 测试前, 需确认混凝土中的水泥、骨料及其他掺合料是否带有磁性, 如火山灰水泥、带有磁性的骨料等, 均影响测试结果。

3.3 钢筋的种类

国内钢筋生产厂家众多, 所用钢材的铁质材料有差异, 钢筋还分为圆钢和带肋钢筋, 磁介质系数不同, 造成相同直径不同种类钢筋的铁磁质不一样, 磁感应曲线不归一化, 因此钢筋的种类对检测结果也有一定影响。

3.4 仪器参数的设置

在模拟试验中, 通过木模上钻孔精确控制钢筋位置, 钢筋两端均伸出模板50mm。利用游标卡尺测量钢筋保护层厚度, 通过更改钢筋探测仪直径档, 观测对检测结果的影响, 具体测试结果详见表1。

从表中可以看出仪器钢筋设置于实际尺寸相等时, 仪器示值为真值, 设置值比实际尺寸大或小, 仪器示值相应也偏大或偏小。

3.5 钢筋的疏密程度及保护层厚度大小

在模拟试验中, 通过在一块200mm×100mm×100mm的木模上开了一个20mm的槽, 槽的长度为150mm, 如图3所示, 选择两根直径为20mm的钢筋, 固定钢筋2, 钢筋1缓慢地向钢筋2靠近, 观察仪器中显示的保护层厚度变化情况。试验发现当钢筋1与钢筋2间距约为30mm时, 仪器中的示值开始减小;把木模翻个面, 重复上述过程, 发现, 当钢筋1与钢筋2间距约为50mm时, 仪器中的示值开始减小。因此, 当钢筋间距小于临界值时, 钢筋越密, 检测出的保护层厚度偏小越多, 保护层厚度越大, 钢筋间距的临界值越小。

3.6 分布筋对主筋的影响

在预制好的T梁的腹板中, 先用仪器探测出分布筋位置, 再探测出主筋位置。为了确保位置准确, 用直径为6mm的冲击钻在测出钢筋的位置上钻个小孔, 同时用深度游标卡尺量出保护层厚度值。试验证明, 当仪器在100mm箍筋之间测主筋保护层厚度时, 仪器示值为真值;当仪器在箍筋上方测主筋保护层厚度时, 仪器示值偏小。

3.7 传感器轴线与钢筋轴线的交角

通过两点定位出T梁腹板中φ12的钢筋位置, 并作出标记, 并钻孔后用深度游标卡尺量出保护层厚度值。当传感器轴线与钢筋轴线平行时, 仪器示值为真值;缓慢旋转探测仪, 当传感器轴线与钢筋轴线约20°斜角时, 仪器示值开始减小, 并随着角度的增大, 减小的越多。因此, 在测试时, 传感器轴线应与钢筋轴线保持平行。

3.8 检测面的平整度

当检测面不平时, 仪器示值偏大。特别是在构件浇筑面进行检测时, 平整度的影响更为明显, 因此在检测悬挑构件表面时, 应将检测面先打磨平。

3.9 混凝土中的金属材料

当检测区域存在金属预埋件时, 也会使仪器示值偏离真值。在检测前, 应查看相关图纸, 确认检测区域是否存在金属预埋件、铁质水管、电线等。

3.1 0 仪器电量是否充足

磁脉冲感应器的主要原理是:当线圈中通过脉冲电流, 产生空间变化的磁场。根据毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律, 磁场中任一点的磁感应强度与产生磁场的电流成正比, 而与该点离电流的距离成反比。因此, 仪器电流是否充足, 直接影响检测结果。

4 结语

从检测原理可以知道, 利用电磁感应法测混凝土钢筋保护层厚度时, 应注意外加磁场、磁介质对检测结果的影响。实际检测中, 钢筋疏密、仪器参数设置、分布筋等均对检测结果影响明显。因此, 在测试过程中, 不仅要注意对相关影响因素的规避, 同时, 可以通过模拟试验, 帮助分析现实中遇到的影响因素。对测试结果有怀疑时, 开凿检查也是非常必要的。

参考文献

[1]GB50204-2002, 混凝土结构工程施工质量验收规范

[2]JGJ/T152-2008, 混凝土中钢筋检测技术规程

[3]JTJ270-98, 水运工程混凝土试验规程

[4]DB35/T1114-2011, 电磁感应法检测钢筋间距和钢筋保护层厚度技术规程

[5]张恒, 王聪慧, 邵宏伟.基于电磁学原理的钢筋保护层厚度测量法不确定度分析方法研究.计量学报, 2009, (10)

电磁铁电磁继电器课件 篇4

1.由电磁铁、弹簧、衔铁、触点组成;其工作电路由低压控制电路和高压工作电路组成。

2.通电时，把衔铁吸下来使触点接触，工作电路闭合.断电时失去磁性，弹簧把衔铁拉起来，切断工作电路

学生交流讨论答案预设：

1. 用低电压、弱电流控制高电压、强电流;

2. 实现远程遥控、自动化控制等。

自主分析、小组议论

(设计意图：利用多媒体动画展示电磁继电器的构造和工作原理以及各种应用，学生印象深刻。)

三、课堂小结 回顾本节课“你学到了什么?” 学生讨论发言，梳理本节知识要点

——见附件1。

四、课堂检测 教师巡视、讲评。 完成同步训练

——见附件2。

电磁因素 篇5

《大学物理》和《电磁场与电磁波》是电子信息类各专业的必修课程, 在教学环节中起着非常重要的作用。

两门课程在电磁学部分有一定重叠, 但不是简单的重复, 前者为后者的先修课程, 后者以前者为基础, 对电磁学理论及应用进行深入研究与探讨。

1 课程性质不同

《大学物理》是理工科各专业必修的基础课, 受众面广, 内容为力学、热学、电磁学、光学和原子物理五部分, 为后续专业基础课和专业课程的学习打下基础;《电磁场与电磁波》是电子信息类各专业的专业基础课, 是后续专业课 (如《微波技术与天线》等) 的理论基础, 其主要分为电磁场 (静态场) 与电磁波 (时变场) 部分, 其中静态场部分与《大学物理》电磁学部分内容有一定重叠, 但不是简单的重复, 内容的深度和广度都有较大的拓展。

2 理论和分析方法区别

《大学物理》作为基础课程, 引入知识由学生容易接受的物理现象入手, 通过实验得到相关理论, 以电磁学理论的开篇———点电荷之间的作用力为例, 直接引用实验结果描述库仑定律:

其他重要定理如:安培力定律、电磁感应定律等, 也都是直接引用实验结果描述相关理论公式;比较起来, 《电磁场与电磁波》的理论性更强, 首先以一定篇幅讲述矢量分析方法, 引入电磁学内容时, 从电磁场的“源”—电荷与电流出发, 特别注重以散度源和旋度源区分静电场和恒定磁场:

引入理论计算公式时, 理论更为严谨。

《大学物理·电磁学》中解决问题的方法, 较多以积分形式表示, 比如通过上式 (1) , 得到真空中的高斯定理:

《电磁场与电磁波》引入高斯定理时, 一般通过矢量关系:

可以看出, 《电磁场与电磁波》更注重理论公式的推导, 一般理论均以积分和微分两种形式提出, 其中微分形式更能体现矢量场与源的关系。在矢量运算时, 《大学物理·电磁学》一般以直角坐标进行描述;而《电磁场与电磁波》更多在圆柱坐标系和球坐标系中进行矢量运算。

3 基本内容的区别

《大学物理·电磁学》分别对静电场和恒定磁场进行说明后, 引入电磁感应定律和位移电流密度概念, 以麦克斯韦方程组的建立作为结束:

而《电磁场与电磁波》除麦克斯韦方程组的积分形式, 还建立麦克斯韦方程组的微分形式:

并以麦克斯韦方程组为出发点, 展开理论的应用, 研究时变电磁场的特性:建立无源区的波动方程;研究平面波在介质和导电媒质中的传播、均匀平面波的反射与透射等;研究导行电磁波、电磁辐射等。在静态场部分, 《电磁场与电磁波》通过求解二阶微分方程:

标量泊松方程:

标量拉普拉斯方程:

以标量电位作为中间量, 通过电场强度与电位的梯度关系求解电场。以唯一性定理为依据, 用镜像法、分离变量法、有限差分法等多种方法解决静态场边值问题。

4 改进教学方法之探讨

《大学物理》是学生学习的第一门与专业直接相关的基础课, 学生学习热情较高, 加之大学物理涉及的物理现象在中学阶段基本有所了解, 电磁学部分以静态场分析为主, 学时设置较充足, 学生接受起来比较容易;《电磁场与电磁波》是在学生已具备矢量分析与静态场基本计算的前提下, 对电磁场进行深入的分析, 特别是对时变场进行分析运算, 学生需要更深入的数学知识:空间分析能力与矢量微积分运算、二阶微分运算与微分方程求解能力;理论难度相应增加, 作为专业基础课, 面临难度大、课时少等问题, 同时学生反映理论枯燥、推导繁琐, 难以接受。

在教学中, 课堂教学是最重要的环节。课堂教学必须以学生为主体、教师为主导, 师生互动, 知识传授与能力培养相结合。在《电磁场与电磁波》课程的教学中, 不一定总是从理论推导入手, 也可以从实际问题或实验演示引入问题, 或者以《大学物理》已有的结论作为出发点, 应用理论知识进行推导和演绎并进行归纳总结, 得到相应的结论, 如上述真空中高斯定理, 可以直接引述式 (2) , 通过矢量散度定理:

同样得到上述式 (6) 。对于与后续课程 (《微波技术与天线》等) 有内容重叠的导行电磁波、电磁辐射等部分, 可以只选讲部分内容, 留待后续课程进行深入探讨。这样既可以突出重点、节约理论课程的时间, 又能使学生巩固先期理论, 对理论的发展和应用有更为深入的认识, 使得教学达到更好的效果。

在实际教学中, 根据学生的实际情况和对理论的掌握程度, 《大学物理》和《电磁场与电磁波》两门课程不断进行教学改革, 总的改革思想为打好基础和提高实践教学学时的比例。大学物理设置了单独的实验课程。《电磁场与电磁波》也探讨减少理论学时、增设实验实践内容等改革措施。针对《电磁场与电磁波》理论抽象、计算难度大等特点, 探索采用仿真软件 (如Matlab等) 进行辅助教学, 丰富教学手段, 提升学生的学习兴趣;计划建设相关专业实验室, 使学生通过实践教学, 直观认识电磁现象并进行专业操作与测试, 使得电磁学相关课程教学衔接更为顺畅, 更为学生今后从事相关技术工作打下基础。

5 结语

《大学物理》和《电磁场与电磁波》都是电子信息类专业的必修课程。本文针对两门课程的特点, 结合学生的实际情况, 从分析方法的引入、教学内容衔接、教学方法建议等方面对这两门课程进行教学探讨。课程改革是一项长期的任务, 任课教师必将克服困难、开拓创新, 进一步完善教学手段、实践环节等诸多要素, 以期达到更好的教学效果, 为培养技术应用型综合人才贡献力量。

摘要：《大学物理》和《电磁场与电磁波》都是电子信息类各专业的必修课程, 这两门课程在电磁学部分有一定重叠。本文针对两门课程的特点, 结合学生的实际情况, 从分析方法的引入、教学内容衔接、教学方法建议等方面对这两门课程进行教学探讨。

关键词：大学物理,电磁学,电磁场与电磁波

参考文献

[1]谭朝阳, 高玉梅.大学物理学[M].1版.武汉:武汉大学出版社, 2015:65-156.

双线圈电磁系统电磁吸力仿真计算 篇6

在低压电器产品中, 控制与保护开关的使用范围越来越广。近年来, 电器产品不断取得新的发展, 控制与保护开关作为一种电磁开关电器, 其使用数量日益增加, 同时产品的节能越来越受到重视。为了实现节能的目标, 许多学者做了大量研究, 设计了电磁铁机械自锁装置[1], 在接触器接通时利用机械力使得电磁线圈断电, 而此时接触器仍然是接通的, 从而达到节能的目的。其缺点是对机械锁扣的工艺性提出了很高的要求, 在电磁系统需要释放时, 必须能可靠、快速地解除锁扣环节, 否则将不能快速分断电路。采用电力电子技术, 利用电子元器件的功能与特性, 实现电磁系统线圈上电压、电流波形的自动控制与调节, 实现了对接触器性能指标要求的灵活控制, 达到了节能目的[2,3,4,5,6]。但是安装节能附加装置要占用低压电器的辅助触头作为启动阶段和保持阶段的转换开关, 给用户的安装、维修带来不便。永磁交流接触器解决了接触器发热、噪音、掉闸等问题[7], 但其缺点是复位弹簧保持力较小, 易受外力的影响, 且越来越多的人对双线圈控制与保护开关通过两个线圈的转换实现节能。本文的研究对象是双线圈控制与保护开关, 对双线圈控制与保护开关的电磁结构以及工作原理进行了介绍, 使用ANSYS软件的参数化设计语言 (APDL) 建立三维静态电磁系统模型, 利用ANSYS寻优功能求解励磁电流, 并求解电磁吸力与工作气隙的关系, 对不同匝数的吸合线圈和保持线圈进行仿真, 研究两个线圈匝数对电磁吸力的影响, 并通过调节线圈匝数实现降低损耗的目的, 为产品设计提供理论指导。

1 双线圈控制与保护开关的结构和工作原理

双E型电磁铁的电磁结构如图1所示, 主要包括动、静铁心和反力弹簧。线路中接入电流后动静铁心开始吸合, 电流切断后动静铁心开始释放。其中a轴将动铁心与线圈骨架相约束, 使得动铁心沿着骨架滑槽运动;b轴将动铁心和触头支持相约束, 使得动铁心的运动能带动接触组主触头的运动;c轴将动铁心和主反力弹簧相约束, 动静铁心的电磁吸力和弹簧反力完成吸和反力的配合。

双线圈技术是指电磁系统中的启动线圈和保持线圈, 通过常闭辅助触头装置的切换, 分别工作在启动吸合和保持闭合这两个阶段。启动线圈工作在启动吸合阶段, 产生较大吸力使动静铁心快速吸合;保持线圈工作在保持闭合阶段, 能够减小线路中的电流, 降低损耗。两个线圈在动铁心吸合过程中进行转换, 线圈有两种转换方式:一种是通过机械按钮控制转换;另一种是通过电子延时线路进行转换。本文所采用的转换方式是第一种, 在气隙值达到1.7mm时通过机械按钮辅助触头进行转换。

串联双线圈线路图如图2所示。该线路中有两个线圈, 左侧和右侧分别是启动线圈和保持线圈, 其匝数分别是N1和N2匝。动铁心刚开始运动时, 只有右侧线圈接入线路中, 左侧线圈被常闭辅助触头S短接, 由于右侧线圈的匝数少、导线截面积大, 所以线圈的电阻较大, 因而能够产生较大的电磁吸力, 吸引动铁心克服弹簧反力运动。当动铁心运动到设定位置时, 常闭辅助触头S打开, 左侧线圈接入线路中, 两个线圈串联运行。由于左侧线圈的匝数多、导线截面积小, 因此线圈电阻较大, 所以线路中电流较小, 保持安匝较小, 这样可以有效降低功率损耗。

2 双线圈控制与保护开关三维有限元分析

ANSYS软件是集电场、磁场、流体、结构分析于一体的有限元分析软件。ANSYS软件有两种操作方式:一种是GUI操作方式, 即图形模式;另一种是APDL参数化设计语言操作方式。前者简单直观, 但是对于一些需要重复设计的环节, 就显得相当琐碎, 相比之下, 后者具有明显的优越性。利用APDL参数化设计语言设计ANSYS的有限元分析命令流, 可以实现参数化建模、参数化施加载荷与求解以及参数化显示结果, 从而实现参数化有限元分析的全过程, 十分便捷, 节约了设计周期。

2.1 双线圈控制与保护开关模型的建立

为建立模型, 首先要知道模型的尺寸, 本文双线圈控制与保护开关的主要部件尺寸如表1所示。

为了建立双线圈控制与保护开关实体模型, 首先建立动铁心和静铁心方块模型, 在动铁心外围施加方柱体空气层, 作为动铁心施加力的标志。然后在整个模型外围添加圆柱体空气层, 为仿真提供空气介质。电流源通过直接生成的方式确定电流源的位置和形状, 然后建立跑道型线圈。其中电流大小由电压电阻关系可以得到。线圈电阻的计算见式 (1) 。

式中, ρ为导线的电阻率, 在20℃时的ρ=1.75×10-8Ω·m;N为线圈匝数;c、rc分别为线圈外、内半径, m;ktc为线圈填充系数, 取0.6;h、Δ分别为线圈高度和厚度, m。

双线圈控制与保护开关模型如图3所示。

2.2 双线圈控制与保护开关的材料特性

磁性材料按其特性和用途通常可分为软磁、硬磁两类材料[8]。软磁材料和硬磁材料的区别在于外部磁场消失后, 材料的磁性是否快速消失。电磁铁有通、断两个工作状态, 通电时电磁吸力能迅速增加并达到规定值, 断电后电磁吸力快速减小至零, 因为软磁材料在外部磁场消失后材料磁性会快速减小, 且剩磁很小, 因此电磁铁选择使用软磁材料。

双线圈控制与保护开关的动静铁心、磁极的磁化曲线数据如表2所示。

由BH数据得BH曲线如图4所示。

另外, 设置空气的相对磁导率为1, 而电流源不需要输入材料性质。

2.3 双线圈控制与保护开关的网格剖分

在ANSYS软件分析过程中, 模型的剖分直接影响到计算结果的精度。本文仿真设定的网格划分等级为6, 自由划分类型选择“Free”, 单元划分形状选择四面体“Ted”, 将连续系统转化为离散系统。双线圈控制与保护开关网格剖分图如图5所示。

2.4 后处理

后处理POST1模块具有强大的图形显示能力, 所需结果存入数据库后, 可以将读取的数据结果通过图形直观地显示出来, 图形显示磁场分布如图6所示。

从图6可以看出, 绝大部分磁通集中在动、静铁心中, 周围空气中只分散少量磁通。同时E型电磁铁铁芯中极内的磁通要比其他两极要多, 其工作气隙区域内所含磁通较其他两极间工作气隙要多。

2.5 仿真结果

ANSYS计算得到的电磁吸力仿真结果如图7所示。

3 仿真结果与分析

本文通过机械按钮控制的方式, 在气隙值达到1.7mm时接入保持线圈, 并对不同线圈匝数的电磁吸力进行仿真, 研究两个线圈匝数对电磁吸力的影响。

3.1 吸合线圈500匝, 保持线圈500匝

在额定电压220V, 吸合线圈与保持线圈各500匝时的电磁吸力与气隙关系如图8所示。气隙最大值为6mm, 此时电磁吸力为160.24N, 随着气隙间隙的减小, 电磁吸力越来越大, 在1.7mm时达到1 310N, 如前面所介绍, 本文通过机械按钮的方式进行电路转换, 保持线圈在气隙值到达1.7mm时接入电路, 此时线路中总电阻值增加, 电流减小, 电磁吸力降为430.9N, 动铁芯依靠动能继续吸合。

3.2 吸合线圈300匝, 保持线圈700匝

在额定电压220V, 吸合线圈300匝, 保持线圈700匝时的电磁吸力与气隙关系如图9所示。由于吸合线圈匝数较小, 电路中电流较大, 气隙间距6mm时电磁吸力就达到为1 172.9N, 随着气隙间隙的减小电磁吸力不断增加, 在1.7mm时达到2 610N, 而此时保持线圈通过机械按钮接入电路, 因为保持线圈匝数较多, 此时线路中总电阻值增加较大, 电流迅速减小, 电磁吸力降为405.9N, 动铁芯依靠动能继续吸合。

3.3 吸合线圈700匝, 保持线圈300匝

在额定电压220V, 吸合线圈700匝, 保持线圈300匝时的电磁吸力与气隙关系如图10所示。由于吸合线圈匝数较多, 电路中电流较小, 气隙间距6mm时电磁吸力仅为45.6N, 随着气隙间隙的减小电磁吸力不断增加, 在1.7mm时达到409N, 此时保持线圈通过机械按钮接入电路, 因为保持线圈匝数较少, 此时线路中总电阻值增加较小, 电流小幅减小, 电磁吸力降为254.5N, 动铁芯依靠动能继续吸合。

3.4 结果分析

不同匝数线圈的静态吸力特性如图11所示, 由图11仿真结果得到以下结论。

1) 电磁吸力值随着气隙间隙的减小不断增大, 在保持线圈接入电路后, 线路中的总电阻值增大, 电流减小, 电磁吸力有所下降, 但动铁芯此时具有较大动能, 可继续吸合。

2) 保持线圈匝数不变时, 吸合线圈的匝数越多, 其电阻值越大, 动铁芯起动吸合时电流较小, 电磁吸力较小, 反之, 电磁吸力较大。

3) 吸合线圈匝数不变时, 保持线圈的匝数越多, 保持线圈串入电路的电阻较大, 线圈电流大幅减小, 此时电磁吸力迅速减小, 反之, 电磁吸力减小较小。

4) 通过调节吸合线圈匝数, 使电磁吸力稍大于弹簧反力, 节约能量;也可以调节保持线圈, 使电流较小且能保证动铁心有效吸合, 降低能量损耗。

4 结束语

本文利用有限元计算方法对双线圈控制与保护开关电磁机构静特性进行仿真, 在ANSYS软件中建立双线圈控制与保护开关电磁机构模型, 利用寻优功能优化求解电流励磁下的磁场分布和动铁芯所受电磁吸力。分析仿真结果得到电磁机构吸力特性与工作气隙的关系, 并且对不同匝数的吸合线圈和保持线圈进行仿真, 研究各自线圈匝数对电磁吸力的影响, 通过调节线圈匝数降低能量损耗, 为产品的设计优化提供理论支持。

摘要：介绍双线圈控制与保护开关的结构以及节能工作原理, 建立双线圈控制与保护开关电磁机构的三维静态磁场模型。仿真求出电磁吸力与工作气隙的关系, 对不同匝数的吸合线圈和保持线圈进行仿真, 研究两个线圈匝数对电磁吸力的影响, 为双线圈匝数选型提供理论指导。

关键词：双线圈,节能,电磁吸力,线圈匝数

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[7]肖克坚, 徐建军.永磁式交流接触器的节能效果及在工业生产中的应用[J].资源节约与环保, 2006, 05:27-30.

电磁因素 篇7

1 基地训练中电磁频谱管理现状分析

频率管理包括频率的划分、规划、分配和指配,是电磁频谱管理的核心内容。复杂电磁环境下基地训练电磁频谱管理的一般方法为频率分配、频率指配与频率保护。随着我军电子信息装备建设的推进,在基地,多项任务并行已经常态化,且执行的领域不断拓展,层次不断提高,体系对抗特点突出,实战性、对抗性、动态性显著增强,联合训练任务与试验任务明显增加。

1.1 基地训练中电磁频谱管控现状[1]

以往基地训练中,在任务开始前通常采取的电磁频谱管理手段中,有用频台站管理、频率管理等。在任务进行中采取的战场电磁频谱管理手段主要是战场电磁环境监测与干扰查处。

用频台站管理主要包括用频台站设置管理,用频台站使用管理以及用频装备研制、进口生产、购置管理。在基地训练中,用频台站的设置管理体现在任务筹划中科学选择受(参)训装备以及批准(划分)不同台站的开设位置等。

频率管理主要区分频率分配、频率指配和频率保护;如在某年并行进行的试验和训练任务中,曾采取给两个任务分配频段方式实施电磁频谱管理。在某项训练任务中,面对面训练阶段对通信部队的单要素训练由导演部对红蓝双方实施指定频率、指定工作方式工作,并在必要时给各个任务下发“保护频率表”。

利用电波监测装备对训练区域内的发信设备进行电磁频谱监测,监测的内容主要包括:工作频率和发射的带宽,信号场区和频谱,调制和信号解调,无线电频谱利用情况监测,未登记的不明电台监测,信号测向等。干扰查处的程序一般为:受理受扰申诉、确定干扰源以及处理有害干扰。

1.2 原因分析

虽然基地训练中电磁频谱管理已经涵盖了电磁管理的全部内容,以前的频谱管理手段措施一定程度上保障了基地训练任务的顺利完成。但是随着任务综合化、大型化以及多样化的转变,基地训练电磁频谱管理也面临着许多问题,比如专业化不够,精细化不足,而且集中体现在任务前管理,对任务中发生的电磁干扰等违规行为缺乏及时的应对措施。主要表现在:层次较低,装备尤其是查处干扰装备较少,功能不强,新技术、新装备欠缺等。

2 复杂电磁环境下基地训练电磁频谱管控面临的挑战

2.1 民用电磁环境复杂,有一定的管理协调难度

基地训练毕竟不完全等同于部队作战,管理民用辐射源需要与地方有关单位和个人协商,民用辐射源涉及的单位可能有广播电台、电信企业、航空业务、气象和公安交警等,一些可能是关系到应急防汛与民生等公共事业,有一定的管理协调难度。

2.2 复杂电磁环境下参训部队多、设备数量大、型号种类杂

在复杂电磁环境下基地训练中,通信、电子对抗等任务都同时展开,可能同时涉及十几个部分队,数十种型号上千台套的用频装备,且由于训练多方集中在一定区域内共同使用有限的频谱资源,势必会进一步恶化训练场电磁环境,产生出的大量电磁辐射,不仅会造成训练各方互相干扰,制约武器装备性能的发挥,而且会严重影响训练的效率。

2.3 基地训练中没有成立专门的电磁频谱管理机构,电磁频谱缺乏统一的管理

在以往的基地训练中,还没有成立专门的电磁频谱管理机构,加之参训部队分散、协调难度大、频谱管理意识薄弱,对训练中的频谱缺乏管理,使得频谱划分利用不尽合理,电磁问题日益增多。

2.4 装备用频问题突出,存在自扰互扰

以通信部队基地训练为例说明,训练中需要用到集群通信系统、移动通信系统、地域通信网、接力车、卫星通信装备、双工移动通信系统、数据链、短波/超短波侦察干扰系统以及数量较多的短波电台、超短波电台和战术协同电台[2],这些用频装备频率大都集中在几百兆带宽的频段范围内,且其型号众多、性能各异、用频装备间频段互有交叠、阵地布设有限,装备系统内会产生的不同程度的自扰,装备系统之间也会产生互扰。如果自扰和互扰问题不能得到较好的解决,严重的情况下,不但会影响用频装备作战效能的发挥和参训部队的训练效果,而且会给基地训练的导调与评估带来困难。基地训练时频率使用势必非常拥挤,有时频率选取比较困难,一定程度上对训练效果产生负面影响。

2.5 新技术的不断出现提升了电磁频谱管理的难度

随着码分多址、时分多址、扩频、跳频等新的调制技术的发展,电磁频谱管理从一维频率管理向频率、时间、空间、调制方式四维管理方向发展,多个用户可以互不干扰地共用同一个频率,频谱利用率显著提高。随之而来的管理难度势必显著加大。目前还没有诸如频率管理计算机辅助决策系统、用频装备模拟仿真系统、宽频带无线电监测系统以及自动化干扰分析系统和卫星干扰定位系统等电磁频谱管理的有力工具。

3 加强电磁频谱管控的建议和措施

3.1 建立直接为基地训练服务的电磁资源管理工作制度

严格落实建立基地训练场区部署的电磁资源报批和协调制度。电磁资源的使用是在资源管理部门授权下的分散使用,但最终的资源管理权不在使用资源的部队,而是资源管理部门,部队进行基地训练场区部署时,应按照资源报批协调制度,经批准后方可使用。资源报批协调应由专门分管训练的部门牵头,资源管理部门主办,电子对抗等相关部门参加,对现有使用资源的主战装备和电子信息装备的试验训练部署进行频率审核,限期解决和纠正频率重叠、辐射超标等严重问题。

要将基地训练地域内所有用频装备进行综合管理和控制,最大程度地提高训练效益。要确立一盘棋的思想,切实把有限的频谱资源统起来,管起来。频率使用时发生矛盾在所难免,当军用和民用矛盾时,民用要让军用;当进攻和防御矛盾时,防御要让进攻;当下级和上级矛盾时,下级要让上级;当次要方向和主要方向矛盾时,次要方向要让主要方向,确保重要部队、重要时节、重要方向、重要行动的用频优先[3]。

3.2 建立电磁资源使用控制和备用制度

复杂电磁环境下基地训练时,为了既能保持电子干扰的灵活性、有效性,又不影响己方使用的电磁资源,需要在基地训练全过程进行动态、连续不间断的协调。主要通过使用联合保护频率表、电子目标数据库、电磁资源协调图等工具,采取频域分离、时域错开、空域分割、信号分离和正交频分复用技术等方式,协调电子干扰与资源使用的冲突。

3.3 强化电磁频谱管理的意识,切实加大电磁频谱管理工作力度

对参训部队的官兵进行频谱管理教育,要树立强烈的电磁频谱管理意识,提高做好频谱管理工作的自觉性和责任感。美军针对在历次局部战争中存在的“重装备,轻频率”的倾向,强调树立“频率和子弹一样重要”的意识[4]。我军也应该在树立管装爱装同时加强管频爱频的意识,像使用装备一样使用频率,像管理装备一样管理频率,像组织运用火力一样组织运用频谱,要把频谱管理作为军事斗争准备的一项重要工作抓好。

3.4 合理编配使用电磁频谱管理机构和力量

目前世界各国对电磁管理给予了高度重视,都对用频秩序进行了严格规范,尤其重视健全管理机构、完善管理法规和加快管理手段建设,如美军从国防部到各军种、各军种司令部、军、师级单位都有专门的频谱管理机构。为了提高受训部队在复杂电磁环境下的基地训练效率,应在基地训练指挥机构、各参训部队指挥机构和指挥所构建上下一体的基地训练电磁频谱管理体系,专门统筹组织基地训练场区电磁频谱资源的试验和管理,尤其对基地训练中电磁频谱工作频段划分、电磁辐射能量限定、电磁环境动态监测、电磁干扰有效查处等,统筹做出计划纳入到总体训练计划,并组织好协调。电磁频谱管理力量应集中使用,统一编组。

频谱管理机构的主要职责包括:形成和分配电磁频谱使用计划;制定周期更新和分配训练频率表;为训练频谱使用提供管理和技术支持;协调军队内部以及地方频谱使用单位,解决突发事件和冲突。

3.5 制定科学、可行、管用的频谱管理方案

频谱管理方案是制定受训部队复杂环境下训练方案的重要部分,是各级参训部队实施频谱管理、使用、协调的主要依据和基础。

频谱管理应该包括的主要内容[5,6]如下:

(1)频谱的使用需求。各个导演部、参训部队、导调与评估要素由于装备、编制的不同,其对频谱的需求也不相同,因此频谱管理方案应根据各要素需求,对各要素频谱的划分以文件的形式进行确定。

(2)频谱使用的计划。频谱使用计划应该适应训练总体计划和阶段性的训练计划。频谱使用计划要清楚、准确、详细,以保证各参训单位能够理解和遵守。

(3)训练场电磁态势评估。在训练实施的过程中,准确评估训练场实时电磁态势,可提高频谱的利用率和频谱管理计划的可执行性。

(4)解决频谱使用冲突的方法和途径。在训练过程中,可能产生来自各训练单位或者地方频率使用单位频谱使用冲突,或者自然干扰等各种频谱管理的突发事件,而各单位又很难依靠自身能力加以解决,频谱管理方案必须提供汇报和解决频谱冲突事件的方法和途径。

3.6 积极应用频谱管理新技术,建设频谱监测与管理新装备

随着信息技术的发展,许多新技术不断涌现,为战场频谱管理系统提供新技术,或影响着战场电磁频谱管理技术的发展。典型的频谱管理新技术主要包括:认知无线电与动态频谱管理新技术、基于Web/自动化的频谱管理技术、频谱复用技术、军事网格技术和智能频谱管理技术等。尽快将这些技术中的一种或几种以不同的方式应用于基地训练中的电磁频谱管控,建设一定数量的频谱监测与管理新装备,势必可极大提高基地训练电磁频谱管控水平,有助于提升复杂电磁环境下的基地训练效益。

4 结语

基地训练中电磁频谱资源的管理,主要是通过对电磁频谱作用空间、工作时间、工作频率和辐射功率的管理和控制,以实现基地训练场区空间内各方电磁频谱的有效使用,进而保持适当的基地训练场区电磁态势。在分析复杂电磁环境下基地训练中频谱管理现状的基础上,研究了复杂电磁环境下基地训练电磁频谱管理面临的挑战,给出了一些频谱管理的建议。在具体训练中有些建议可能还有待验证。在基地训练中实施电磁频谱管理也应具体对象具体分析,切实可行完善的频谱管理方法还有待继续深入研究。

摘要：“频率像子弹一样重要”的观点已经深入人心,现代战场,制电磁权已经成为能否实现战场透明的关键因素。面对日益复杂的电磁环境与电子对抗、通信等用频部队基地训练任务现实需求,分析了基地训练中电磁频谱管控现状,研究了复杂电磁环境下基地训练电磁频谱管理面临的挑战,最后,结合基地训练的特点以及需求,给出了加强电磁频谱管控的建议和措施。

关键词：电磁环境,电磁频谱,管控,基地训练

参考文献

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[5]翁木云.频谱管理与监测[M].北京:电子工业出版社,2009.

电磁干扰的危害和电磁兼容性设计 篇8

一、电磁干扰对人类的危害

1电磁干扰是无线电的大敌

在上世纪五十年代, 一部50W的短波电台通信距离可达1000km, 到了八十年代, 一部250W的短波电台通信距离一般小于500km, 其根本原因是八十年代电磁干扰比五十年代增强了许多倍。现代社会日益增多的电磁干扰正在侵入地球空间的每一个角落, 像毒雾般污染无线电频谱资源。无线电通信首当其冲地受到电磁干扰的危害, 受害规模越来越大。

2电磁干扰刺激功率竞赛, 加剧电磁污染

无线电通信需要一定的信号噪声比, 电磁干扰大, 信噪比就会下降, 使无线电通信距离变短。为保证一定的通信距离, 只好增大发射机功率, 以保证接收机所需要的信噪比。这就是八十年代250W短波电台勉强完成五十年代50W短波电台工作的原因。发射机数目逐年增多, 功率随之加大, 电磁干扰场强也不断增大。面对这种状况, 人类会不会陷入“发射机功率增大和数量增多→电磁干扰场强增大→信噪比下降→再次增大和增多发射机功率和数目”的恶性循环!这确实是一个值得注意的问题。电磁干扰危害的加剧, 可能会刺激发射机功率和数目竞赛, 复又导致更严重的电磁污染。

3电磁干扰日益社会化

电磁干扰社会化趋势, 给人民生活带来许多不便。从机场起飞或降落的飞机会对下面的电视机产生严重干扰, 飞机起降时地处飞机下面的居民区电视图像抖动;使用大功率无绳电话、手机、家用游戏机等能发射电磁波的电子装置时, 电视屏幕上会出现讨厌的明暗条纹、雪花、闪烁和抖动;病房内使用手机很容易引起电子心脏起搏器停搏、输液泵电子开关误动作, 中断病人输液等, 直接危及病人的安全。电磁干扰日趋社会化, 给人们的和平生活带来不安和危险。

电磁干扰与无线电是一对孪生兄弟, 人类发明了无线电它便诞生了。无线电频谱线上每一个频率只能供一个客户使用, 如果在有限的空间内, 两个以上客户同时使用一个频率, 就会产生干扰。由于收信、发信均占有一定的带宽, 这就增大了干扰机会。电磁理论指出, 一切用电设备在运转的过程中均会伴随着电磁现象发生, 并以电磁场形式向四周传播。例如, 日光灯开启瞬间, 收音机会传出“喀, 喀喀”声音。这是由于电灯开关和荧光灯起辉闪烁瞬间有电磁干扰辐射场产生, 被收音机接收而发出声响。当今社会的生产与生活已经实现电子化、电气化和自动化, 伴随产生的无用的电磁场就像烟雾一样笼罩着地球, 无所不在, 无处不有。因此, 环保科学把电磁辐射列为继水污染、空气污染、噪声污染、环境污染之后的第五公害, 称之为电磁污染。

二、电磁干扰对电子装置造成的危害

电磁干扰对电子设备造成的各种损失是通过电子装置有效性能或技术指标下降来体现的。

1降低技术性能指标

(1) 话音系统

无线和有线电话, 受到电磁干扰会使信号发生畸变失真, 严重时可完全被电磁干扰淹没。电磁干扰使语言清晰度变坏, 电磁干扰越强, 信噪比越小, 语言清晰度越差。

(2) 图像显示系统

雷达显示器、传真、电视、图示和字母数字读出器等图像显示系统, 在电磁干扰作用下会变得模糊并出现差错。轻微干扰也会使图像质量变差、清晰度变低和误差变大。而出现严重干扰时则根本无法判读和观看。

(3) 数字系统

电磁干扰使数字系统误码率增大, 降低了信息的可靠性, 严重时会发生错误和信息丢失。由于电磁干扰的存在, 无线电通信误码率只能维持在10-5水平 (一般数据传输误码率在10-7水平, 电子计算机内总数据传输误码率在10-12水平) 。

(4) 指针式仪表系统

传统电子设备和仪器仪表中有许多是指针式的。电磁干扰会使指针指示错误、抖动和乱摆, 降低系统使用功能。

(5) 控制系统

自动控制系统受到电磁干扰时, 可能出现失控、误控或误动作, 使控制系统的可靠性和有效性降低, 并危及安全。控制系统中除灵敏电子设备、装置和电路对电磁干扰敏感外, 灵敏电机、电器 (如低压电磁开关、继电器、微型电机等) 也对电磁干扰十分敏感而成为电磁干扰接受器。

2电磁兼容性故障

电磁干扰降低系统 (设备) 技术性能指标的现象极为普遍。日常生活中最容易受到干扰的就是电视机和收音机, 但当干扰源关机或者远离时干扰随之消失, 一切又都恢复正常。出现灾难性电磁干扰危害, 被称为“电磁兼容性故障”。

3误燃

电磁干扰使金属之间因电磁感应电压而产生电火花或飞弧, 引燃该处易燃气体导致易燃物燃烧。燃油等易燃液 (气) 体在容器内或管道内流动摩擦产生静电积累, 在一定条件下发生静电放电也可能误燃。

4误爆

电爆装置暴露在强电磁干扰的环境中有可能发生误爆。在安装有电爆装置的系统设备中, 同电爆装置相连接的导线电缆、金属构件、器件等, 由电磁干扰产生的感应电流或来自其它设备的电磁干扰传导电流施加到电爆装置上时, 就可能发生误爆。电磁干扰误爆会使功能爆炸失控、早爆和误爆, 危及系统设备和人员的安全。

5电磁泄密

电磁干扰中含有大量信息, 电脑产生的电磁辐射中就含有各种数据信息。除经过专门反窃密设计的电子系统设备外, 一般电子系统设备均有电磁泄漏。现代侦测系统很容易从电磁干扰中得到重要信息。电磁干扰辐射可能造成政治、军事、经济和工业等保密信息的泄密。

6电磁暴露

电磁干扰是严重的电磁暴露。国家利益需要的科研、军事、工业等隐蔽设施项目, 在成果尚未投入使用前, 试制调整试验过程产生的外泄电磁干扰可能会造成电磁暴露。

7电磁辐射危险

电磁波作用到人体和动植物上, 可以被反射、吸收和穿透。这种非电离射频辐射生物效应, 一直被人类关注。因为在一定条件下, 电磁辐射可导致中枢神经系统机能障碍和植物神经功能紊乱、眼睛损伤、诱发癌症或免疫缺陷性疾病。电磁辐射危险, 强场比弱场严重, 高频比低频严重, 时间长比时间短严重。人类应远离大功率设备, 但也不应忽视小功率危险。

三、电磁兼容性设计

电子、电气产品电磁兼容性设计的目的, 是使产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障, 并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁干扰的能力。电磁兼容性设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是说, 首先要根据有关标准和规范, 把整个产品的电磁兼容性指标要求, 细分成产品级的、模块级的、电路级的、元器件级的指标要求;然后, 按照各级要实现的功能要求和电磁兼容性指标要求, 逐级进行设计, 采取一定的防护措施等。如果在产品的开发阶段, 同时进行电磁兼容性设计, 就可以把80%—90%的电磁兼容性问题解决在产品定型之前。那种不顾电磁兼容性, 只按常规进行产品设计, 然后对样品进行电磁兼容性技术测试, 发现问题再进行补救的做法, 非但在技术上会造成很大问题, 而且还会造成人力、财力的极大浪费, 这是—种非常冒险的做法。所以, 对于任何一种产品, 尽早进行电磁兼容性设计都是非常必要的。

1电磁兼容性设计的方法

(1) 有源器件选择与电子电路分析

在完成产品的电子线路设计后, 应对各有源器件和电子电路进行仔细分析, 特别注意分析那些容易产生干扰或容易受到干扰的器件和电路。一般来说, 高速逻辑电路、高速时钟电路、视频电路和一些含有电接点的电器等, 都是潜在的电磁干扰源, 这些电路以及微处理器、低电平模拟电路等也很容易被干扰而产生误动作;组合逻辑电路、线性电源及功率放大器等, 则不易受到干扰的影响。模拟电路具有一定的接收频带宽度, 如果电磁干扰的有效频带全部或部分地落在模拟电路的接收带宽内, 则干扰就被接收并迭加在有用信号上, 与之一起进入模拟电路, 当干扰与有用信号相比足够大时、就会影响设备的正常工作。一些频带宽度达几兆赫的视频电路通常还同时成为干扰源;模拟电路的高频振荡也将成为干扰源, 因此要正确选择相位和反馈, 以避免自激振荡。数字电路工作在脉冲状态, 其高频分量可延伸到数百兆赫以上。另一方面, 外来干扰脉冲很容易使数字电路误触发。所以, 数字电路既是干扰源, 又容易受到干扰。选用较低的脉冲重复频率和较慢的上升/下降沿, 将降低数字电路产生的电磁干扰。由于只有当干扰脉冲的强度超过一定容许程度后, 才能使数字电路误触发, 这种“容许程度”就是敏感度门限, 包括直流噪声容限、交流噪声容限和噪声能量容限。CMOS和HTL电路具有效高的噪声容限, 应优选使用。在对有源器件的电磁干扰发射特性和敏感特性进行筛选, 并对电子电路进行改进后, 应对干扰源电路, 易受干扰影响的电路进行分类和集中, 以减小相互影响和便于采取防护措施。

2印制电路板设计

数字电路是一种最常见的宽带干扰源, 而瞬态地电流和瞬态负载电流是传导干扰和辐射干扰的初始源, 必须通过印制电路板设计予以减小。当数字电路工作时, 其内部的门电路将发生高低电压之间的转换, 在转换的过程中, 随着导通和截止状态的变换, 会有电流从电源流入电路, 或从电路流入地线, 从而使电源线或地线上的电流产生不平衡而发生变化, 这就是瞬态地电流, 亦称ΔI噪声电流。由于电源线和地线存在一定电阻和电感, 其阻抗是不可忽略的, ΔI噪声电流将通过阻抗引发电源电压的波动, 即ΔI噪声电压, 严重时将干扰其它电路或芯片的工作。为此, 应尽量减小印制板地线和电源线的引线电感, 如果使用多层板中的一层作为电源层, 另选合适的一层作为接地层, ΔI噪声电压将减至最小。瞬态负载电流是由于门电路驱动线对地电容和门电路输入电容在数字电路转换时所产生的瞬变电流。瞬态负载电流与瞬态地电流复合后构成传导干扰和辐射干扰。所以应尽量缩短驱动线的长度和选用单门输入电容小的门电路。为了控制印制电路板的差模辐射, 还应将信号和回线紧靠在一起, 减小信号路径形成的环路面积。因为信号环路的作用就相当于辐射或接收磁场的环天线。共模辐射是由于接地面存在地电位造成的, 这个地电位就是共模电压。当连接外部电缆时, 电缆被共模电压激励形成共模辐射。控制共模辐射, 首先要减小共模电压, 例如采用地线网络或接地平面, 合理选择接地点;其次可采用板上滤波器或滤波器连接器滤除共模电流;也可以采用屏蔽电缆抑制共模辐射, 但应注意使屏蔽层与屏蔽机箱构成完全的屏蔽体, 才能取得较好的效果。当然, 降低信号频率和电平也是减小辐射的重要措施。为了减小印制板导线的辐射, 设计时还应满足20H准则, 这里, H是双面板的厚度, 即元件面应比接地面缩小20H宽度, 避免因边缘效应引起的辐射。高频或高速电路还应满足2W准则, 这里, W是印制板导线的宽度, 即导线间距不小于两倍导线宽度, 以减小串扰。此外, 导线应短、宽、均匀、直, 如遇转弯, 应采用45°角, 导线宽度不要突变, 不要突然拐角。

应当注意, 单面板虽然制造简单、装配方便, 但只适用于一般电路要求, 不适用于高组装密度或复杂电路的场合;而双面板适用于只要求中等组装密度的场合;因此应当优选多层板, 并将数字电路和模拟电路分别安排在不同层内, 电源层应靠近接地层, 干扰源应单独安排一层, 并远离敏感电路, 高速、高频器件应靠近印制板连接器。

有源器件选择与电子电路分析以及印刷电路板设计, 是使产品达到电磁兼容性指标要求的关键, 必须予以足够的重视。完成印制电路板设计后, 应使得板上各部分电路都能正常工作.相互之间不会产生干扰, 并能减小电磁干扰发射, 提高抗干扰性能。

3地线设计

地线设计是最重要的设计, 往往也是难度最大的一项设计。“地线”可以定义为信号流回源的低阻抗路径, 它可以是专用的回线, 也可以是接地平面, 有时也可以采用产品的金属外壳。理想的“地”应是零电阻的实体, 各接地点之间没有电位差。但在实际产品内, 这种“地”是不存在的, 任何“地”或“地线”既有电阻又有电抗, 当有电流通过时, 必然产生压降, 使地线上的电位如同大海中的波浪一样, 此起彼伏, 并非处是零电位, 两个不同的接地点之间就存在地电压。因此, 当电路多点接地、并且电路间有信号联系时, 就将构成地环路干扰电压, 并在信号连线中产生共模电流, 叠加在有用信号上一起加到负载端, 由于电路的不平衡性, 每根连线上的电流不同, 还会转换成差模干扰电压, 对电路造成干扰。为了减小地环路干扰, 一般可采用切断地环路的方法。但这样做仅在低频时有效, 当频率较高时, 电路板与机壳之间的分布电容仍有可能构成地环路。此外, 可以用平衡电路代替不平衡电路, 使电路间信号连线上的共模电流相等, 而不会转换成差模干扰电压。也可以在两个电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等, 均可取得一定效果。目前流行的方法是在屏蔽机壳上安装滤波器连接器, 由于它的每根插针或每个插扎上都装有一个低通滤波器, 可以有效地滤除因地环路干扰引起的高频共模电流。此外, 在两个电路之间的连线或电缆上套以铁氧体磁环, 也可以有效地滤除高频共模干扰。

大型复杂的产品中往往包含多种电子电路以及各种电机、电器等干扰源, 这时地线设计需按以下步骤进行:

(1) 分析产品内各电路单元的工作电平、信号类型等干扰特性和抗干扰能力;

(2) 将地线分类, 例如分为信号地线、干扰源地线、机壳地线等, 信号地线还可分为模拟地线和数字地线等;

(3) 画出总体布局图和地线系统图。

4综合使用接地、屏蔽、滤波等措施

要有效地抑制电磁干扰, 必须综合使用接地、屏蔽、滤波等措施。

静电屏蔽的必要条件是屏蔽体接地, 为了同时屏蔽磁场和高频电场, 当然, 也应将屏蔽体接地。而电磁屏蔽则是用屏蔽体阻止电磁波在空间传播的一种措施, 为了避免因电磁感应引起屏蔽效能下降, 屏蔽体也应接地。同时, 为了避免地电压在屏蔽体内造成干扰, 还应当单点接地。屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜, 即屏蔽层。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的, 而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说, 屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。如果把屏蔽层接地, 则干扰被短路至地, 不能再耦合到馈线上, 屏蔽层起到了屏蔽作用。但电缆用于磁场屏蔽时则要求屏蔽层两端接地。对于低频电路, 可单端接地, 当信号源公共端接地, 放大器不接地时, 屏蔽层应接信号源公共端。对于高频电路, 应双端接地, 而且当电缆长于1/20波长时, 应每隔1/10波长距离接一次地。屏蔽层接地的方法是使屏蔽层与连接器屏蔽外壳呈360度良好焊接;同时, 将连线器屏蔽外壳与屏蔽机壳严密相连, 使屏蔽电缆成为屏蔽机箱的延伸, 才能取得良好的屏蔽效果。由此可见, 屏蔽与接地是有密切关系的。

电磁干扰入侵屏蔽体的主要途径是I/O接口和电源线输入口。实际上, 屏蔽体内部的电磁干扰可以耦合到连接I/O接口的导线或电缆以及电源线上, 并产生干扰电流, 传导到屏蔽体外, 造成传导干扰和辐射干扰;同样, 外界电磁干扰也可以通过连接到I/O接口的导线或电缆以及电源线传导进入屏蔽体, 或通过电磁感应产生干扰电流进入屏蔽体, 同时又对屏蔽体内造成辐射干扰。为了抑制干扰电流流入或流出, 使屏蔽体保持较高的屏蔽效能, 可以在I/O接口和电源线输入口分别采用滤波器连接器或馈通滤波器。此外, 屏蔽体上安装的蜂窝状通风窗口是由截止波导管组成的高通滤波器, 当面板上需要穿过可调器件的非金属轴承时, 也可以将轴承穿过截止波导管。用导电玻璃制成的屏蔽视窗, 实质上也是高通滤波器。由此可见, 为了保证屏蔽效能, 屏蔽与滤波是密切相关的。

除了特别说明允许不接地的滤波器外, 各类滤波器都必须接地。因为滤波器中的共模旁路电容只在接地时才能有作用。特别是л型滤波器, 当接地不良时, 等于将电容和电感并联, 完全失去了滤波作用。此外, 安装滤波器时, 还应借助于屏蔽, 将输入端和输出端完全隔离, 才能发挥滤波器的抑制作用。所以滤波与接地、屏蔽都有密切的关系。

参考文献

[1]蔡建国, 杨忠旭.电子设备结构与工艺[M].武汉:湖北科学技术出版社, 2003.

[2]邱川弘.电子技术基础操作[M].北京:电子工业出版社, 1998.

[3]盛菊仪.电子产品的工艺管理及技术[M].北京:高等教育出版社, 2000.

电磁因素 篇9

当今时代, 电子信息技术的迅猛发展及其在军事领域的广泛应用, 开辟了与以往陆、海、空、天并列的第五维空间———电磁空间。在五维一体化的战场上, 敌对双方的电子对抗武器和大功率雷达通信设备所共同产生的多类型、高能量、宽频谱、高密度的复杂电磁环境对处于其中的电子设备具有很大的破坏力[1]。与此同时, 高集成电子电路在医疗领域的广泛应用使得现代医疗设备的高灵敏度、小型化和智能化得以实现, 但也不可避免地带来了医疗设备抗电磁干扰能力的下降。特别是对于检测人体生物电生理信号的医疗设备, 电磁干扰不仅可以影响其检测结果的准确性, 严重时甚至会由此产生强电击, 从而危及患者的生命。据美国食品药品监督管理局 (food and drug administration, FDA) 统计, 在1973—1993年间, 收到疑为医疗设备因电磁干扰而引发的事故超过100例, 其中, 被FDA认定的事故有电台FM发射的电磁波干扰监护仪最终导致患者因没能及时检测出心律不齐而死亡、移动电话使心脏起搏器运行异常等。在1995—2000年间, 日本在抢救患者时, 因有人使用移动电话发射电磁辐射而使输液泵突然发生误动作或直接停止工作的事故就有3起[2,3]。

复杂的战场电磁环境可以直接影响武器装备战斗效能的发挥和战场生存能力, 但是卫生装备在复杂的电磁环境下能否正常运行且发挥其预期的诊断和治疗作用, 目前尚无确切定论。国外有不少针对手机、射频磁卡等对医疗设备电磁干扰的研究, 但是像在战场这种复杂电磁环境下卫生装备的电磁兼容性研究鲜有报道[4,5]。国内主要是在理论分析上, 少数的试验研究也仅仅是做了单个设备的单项试验[6,7,8]。因此, 开展卫生装备在战场复杂电磁环境下的电磁兼容性研究具有重要的现实意义。

1 战时卫生装备电磁兼容性问题

1.1 电磁兼容性的定义

国内外许多国标、军标以及民标中关于电磁兼容性的定义都包含以下内容:电磁兼容性 (electromagnetic compatibility, EMC) 是设备或系统在共同的电磁环境中能够一起正常发挥各自功能的共存能力, 即设备既不会因为所处电磁环境中其他设备发射的电磁辐射而使其功能降级, 也不会因为自己发射的电磁辐射而降低其他设备的功能。电磁兼容性包括电路模块、设备以及系统3个级别间的相互兼容, 分为电磁干扰和电磁敏感度2个方面。电磁干扰 (elec tromagnetic interference, EMI) 是指由其他电子设备发射的电磁辐射通过某种传播途径到达敏感设备并引起该设备性能的降低。电磁敏感度 (electromagnetic susceptibility, EMS) 是指电子设备对其所在环境中的电磁干扰具有的抗干扰能力[9,10]。

国家军用标准《军队卫生装备基本术语》中对卫生装备电磁兼容的定义为:卫生装备在共同的电磁环境中能一起完成各自功能的共存状态。也就是装备在所处的电磁环境中能够正常执行规定的功能, 同时又不影响其他装备正常执行其功能[11]。

1.2 战场复杂电磁环境的构成分析

未来陆、海、空、天、电五维一体的战场中, 作战双方将大量使用电子武器装备, 不仅数量庞大、体制复杂、种类多样, 而且功率大、频谱宽。在激烈的电子对抗条件下产生的多类型、宽频谱、高密度且辐射总量越来越多的电磁辐射信号形成了一个新的且极其重要的战争要素———复杂电磁环境。一般认为战场复杂电磁环境主要由背景电磁辐射、军用电磁辐射和辐射传播因素3个部分组成 (如图1所示) 。

其中, 背景电磁辐射是指不论战时还是平时都具有的电磁辐射, 主要包括自然环境和民用通信等带来的电磁辐射。军用电磁辐射是战场特有的电磁辐射, 主要指作战双方为了争夺电磁权而有意或无意发射的电磁辐射, 这是战场复杂电磁环境的最主要构成。辐射传播因素主要是通过影响各种传播媒介的性质来对电磁波发生作用, 从而改变电磁环境的形态特征[12,13]。

1.3 复杂电磁环境对卫生装备的影响

复杂电磁环境会对卫生装备造成干扰, 使其检测结果偏差、运行失控、陷入瘫痪死机, 甚至对直接接触装备的患者或医护人员造成强烈的电击伤害。例如:交变的电磁场可能通过电极线产生感应电流, 淹没人体生物电信号, 从而影响心电、脑电等检测结果;强大的电磁脉冲信号能通过孔缝进入到设备内部, 击穿内部的电路元器件, 从而对卫生装备造成不可恢复的损毁;较强的磁场干扰可能使显像管图像变形失真、X线球管和加速器射线发生偏移等。这些电磁干扰都可能影响卫生装备在战场上发挥其应有的功能, 使伤病员失去及时有效的救治机会[14]。

2 卫生装备电磁兼容性试验方法

2.1 试验环境及设备

本次电磁兼容性试验选取的场地为军械工程学院静电与电磁防护研究所全军武器装备重点实验室, 该实验室具备GJB 151A—1997所要求的完善的试验设施。试验中用到的关键设备有半电波暗室、吉赫兹横电磁波 (Gigahertz transverse electro magnetic, GTEM) 室、屏蔽室、频谱仪、发射天线、接收天线、信号发生器、功率放大器、电流注入探头、辅助计算机、线路阻抗稳定网络 (line impedance stabilizing network, LISN) 等。

2.2 参照标准

本试验主要以电磁兼容国家军用标准GJB151A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB 152A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》为参考, 选取了陆军装备所要求的4项通用测试, 即电场辐射发射、电磁辐射敏感度、电源线传导发射、电缆束注入传导敏感度。

2.3 受试设备

根据我军医疗机构常规配置的卫生装备情况, 选取了几类较为常见的卫生装备, 包括心电图机、多参数监护仪、除颤仪、B超机、麻醉机、呼吸机、高频电刀、超短波治疗仪、40 m A X线机等。

2.4 试验步骤

(1) 根据GJB 152A—1997中相关项目规定的方法, 在半电波暗室、GTEM室或电磁屏蔽室内配置相应的试验设备, 并进行校准试验。 (2) 将受试设备放置在试验台上, 并通电预热, 使其达到稳定的工作状态。部分设备如心电图机、多参数监护仪等的信号采集端口需连接到生理参数模拟发生器上, 并将模拟发生器放置于屏蔽盒内。 (3) 按照要求设置相应的电场强度、扫描时间、扫描频率等参数。 (4) 从规定频率范围的最低点到最高点开始扫频, 注意要根据不同的频率范围选择相对应的天线。 (5) 更换受试设备, 重复上述试验步骤。

3 试验结果

3.1 电场辐射发射试验

试验过程中不同频段使用不同的接收天线, 即2~30 MHz使用有源拉杆天线, 30 MHz~1 GHz使用对数周期天线, 1~18 GHz使用喇叭天线。对30 MHz以上的频率, 天线应取水平极化和垂直极化2个方向。根据使用天线的不同, 将试验结果分为2~30 MHz、30 MHz~1 GHz、1~18 GHz 3段显示。电场辐射发射试验结果见表1。

其中, 2~30 MHz频段间有高频电刀和超短波治疗仪2台设备辐射超标, 30 MHz~1 GHz频段间只有1台多参数监护仪合格, 1 GHz以上频段有1台便携式B超机辐射超标。可见, 电场辐射发射试验的20台设备中只有1台多参数监护仪在整个频段内都符合要求, 其余辐射发射超标主要集中在30 MHz~1 GHz频段之间。

图2是其中一台卫生装备的具体测试结果, 直线是GJB 151A—1997规定的极限值, 曲线是受试设备辐射发射的测试值。

3.2 电场辐射敏感度试验

在幅度为50 V/m、频率为30 MHz~2.5 GHz的电场辐射敏感度试验中, 15台受试设备只有2台B超机不受该强度的电磁干扰, 合格率为13%。其他设备受电磁干扰出现异常的频率都是在1 GHz以下, 且当干扰信号停止后, 所有设备都能自动或经过手动调控恢复到正常运行状态。也就是说, 50 V/m强度的电磁干扰只是影响了卫生装备的正常运行, 并没有对卫生装备的内部硬件造成击穿、烧毁等不可恢复的损坏。

图3是某型号B超机正常运行和受不同程度电磁干扰的运行情况, 随着频率和场强幅度的变化, 受干扰的严重程度有所不同。图3 (a) 显示了在没有电磁干扰时B超机可以很清楚地分辨体模内不同深度的影像。图3 (b) 显示了在受到频率为32 MHz、幅度为2.8 V/m的电磁干扰后, 屏幕出现了很明显的条纹, 从而影响了诊断, 且越深部位影响越严重。图3 (c) 显示了在频率为56 MHz、幅度为15 V/m的电磁干扰下, 出现了更为严重的异常现象, 即整个屏幕出现失真。

图4显示了某型号心电图机在正常运行时受到频率为80 MHz、幅度为50 V/m的电磁干扰时出现了严重异常, 但是当电磁干扰信号停止后又自动恢复到了正常状态。

3.3 电源线传导发射试验

根据国军标要求, 接受试验的4台不同类型的卫生装备电源线传导发射测试值都在规定的极限值以下。图5为其中一台卫生装备的具体测试结果, 直线是GJB 151A—1997规定的极限值, 曲线是受试设备电源线传导发射的测试值。

3.4 电缆束注入传导敏感度试验

在对受试设备的电源线注入传导敏感度试验中, 所有受试设备都能正常运行。但是对设备的信号线, 如心电图机的某一根电极线注入干扰信号时, 心电图机会出现明显的异常情况, 且干扰主要出现在1 MHz以下的频段。当干扰信号频率超过1 MHz时, 干扰现象逐渐消失。由此可见, 卫生装备的电源线对注入干扰的抗干扰能力很强, 而信号传输线对低频段的注入干扰较为敏感。图6是某型号心电图机的电极信号线在受到注入干扰时出现的异常情况。

4 结语

在以GJB 151A—1997和GJB 152A—1997为标准的电磁兼容性试验中, 电源线传导发射都满足要求, 说明该类卫生装备正常运行时不会通过电源网络对周围的其他电气设备造成电磁干扰。在电缆束注入传导敏感度试验中, 所有设备对电源线注入干扰电流都不受影响, 但是对信号电缆注入干扰电流则能引起很大的干扰, 说明该类卫生装备的电源线对传导耦合的抗干扰能力较强, 而信号线对传导耦合的干扰则很敏感, 所以, 应注意保护信号电缆不受传导耦合干扰的影响。在电场辐射发射试验中, 几乎所有受试设备在30 MHz~1 GHz之间的电场辐射发射都超过了规定的极限值, 而其他频段的电场辐射发射基本都满足要求。所以, 要特别注意限制在30 MHz~1 GHz之间的电场辐射发射。在电场辐射发射敏感度试验中, 主要问题都出现在干扰信号频率小于1 GHz时, 因此, 在进行电磁兼容改进或者电磁屏蔽防护处理时, 要高度重视该频段的防护处理。