磁场分布（精选九篇）
磁场分布 篇1
在本仪器中, 使用霍尔传感器及放大电路以及模数转换电路实现了磁感应强度到数字量的转变, 经过CPU的处理通过显示部分显示出来, 这样就直观形象的把磁场强度显示了出来, 达到了演示的效果, 以下就各部分分别进行介绍。
1亥姆霍兹线圈原理
亥姆霍兹线圈是一对相同的、共轴的、彼此平行的、各有N匝的圆环电流。当它们的间距正好等于其圆环半径R时, 称这对圆线圈为亥姆霍兹线圈。两线圈轴线上的磁感应强度为:
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其结构和磁场合成示意图如图1。为了直观地显示两线圈轴线上磁场的分布情况, 我们设计与制作了亥姆霍兹磁场分布演示仪。
2硬件设计
本硬件设计可以分为四个部分: (1) 模拟电路采集系统, 它负责把磁场强度和位移变化变换成电信号。 (2) A/D转换系统, 它是用来把模拟信号转换成数字信号。 (3) 89C52控制系统, 用来数据处理和控制, 它是整个电路的核心。 (4) 人机通道系统, 实现人机对话功能。
整个系统的硬件原理图见图2。
2.1传感器及其放大电路
当将单片机用作测、控系统时, 系统中总要有被测信号输入通道, 由计算机拾取必要的输入信息。因此, 在前向通道中, 传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。
亥姆霍兹线圈是通过加载电流产生空间磁场, 而霍尔元件3503可以将磁场强度转换为电流信号, 又其电流信号是相当微弱的, 必须通过放大电路来将其放大才能得以显示。本设计中采用了TLC2252双路运算放大器来将微弱信号放大。而其位移传感器在本设计中可以用一个47 K电位器来代替, 将其中间抽头直接接到A/D转换器2脚上即可, 转动电位器即可变化输入电压大小数值, 而模数转换就是将不同的电压值转换成不同的二进制代码。
2.1.1 放大电路
由于霍尔元件在有磁场时输出的电压值会增加0.02 V以上, 一般检测电路难以显示, 需要放大后输出。图3就是接到霍尔元件的放大电路图。
本设计中用的是TLC2252满电源电压输出的双路运算放大器, 它有一个很好的特点就是能够满量程地输出电源电压值。
本设计中的位移传感器是用一个47 k的电位器来代替的。通过这个电位器来直接调节输入A/D转换器的电压。
整个模拟量是通过一个霍尔元件片搭载在一个与电位器相连通的可滑动的平台上, 这样只要摇动把手就可带动滑动变阻器和霍尔元件的整合运动从而来实现亥姆赫兹线圈的磁场分布情况。
2.2模数转换电路
本设计使用A/D转换器TLC542。设计中由于只有两个模拟量的输入, 故只要选用两个模拟输入通道, 其通道由DIN端控制输入, 其他模拟输入端均接地即可。DIN是通道选择的输入地址, 它接到CPU的P1.2口上。DOUT是转换完成的数字量, 它接到CPU的P1.3口上。
2.3单片机系统扩展
AT89C52片内集成有8 k容量的程序存储器, 和256字节的数据存储器。内部的RAM存储器可以作为寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器。CPU对内部RAM有丰富的操作指令, 因此这个RAM区使用十分方便。但仅这256字节的RAM区, 往往是不够的。所以本系统又扩展了62256静态RAM存储器。电路图如图4。
2.4键盘及显示电路
单片机应用系统中, 通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预与数据输入以及应用系统向人报告运行结果。单片机系统中, 人机对话配置水平, 规模与应用系统的规模、特点有关。单片机应用系统的类型有多种多样, 如智能仪表、数据采集系统等。在本设计中, 人机通道由键盘、数码点阵显示块构成。
2.4.1 键盘工作方式
本设计中由于只需要在数字显示和图形显示之间配备有一个按键, 程序中采用了扫描的方式对键盘进行扫描, 当扫描到键盘转换为低电平时, 进行图形和数字的切换, 这个按键接在了P3.1口与地之间。
2.4.2 显示电路及其接口
本设计中用的是LED点阵式显示器。LED点阵式显示器与由单个发光二极管连成的显示器相比, 具有焊点少、连线少, 所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点。
本设计为了显示直观、真实, 选用了汉字点阵块。它既可以实时显示汉字、数字, 也可以以曲线的方式显示磁场分布, 共采用了12×8个8×8的LED显示点阵块。
本设计所用的点阵显示块的显示顺序不是按照其引脚排列。它是按照下列表1顺序排列的。
观察点是从正面视显示块, 以顺字的方向称为列, (顺字的方向垂直于地面时) , 最上方的点为第一行, 第一列。以此类推。
注释:标有字的表示靠近字一面的引脚, 标有远的表示远离字的一面引脚。标有正的表示这个引脚接正极。
由于74LS373输出的功率无法供给, 需要加驱动, 本设计中使用了ULN2003, 是高耐压、大电流达林顿管。
3软件设计
软件的第一部分为初始化系统, 包括系统时钟、频率、A/D模块、晶振电路、复位电路、初始化, 定时器参数及其它中断服务子程序的入口设置。
软件的第二部分为位移, 磁场信号的采集、处理、显示, 通过单片机的P1.3, P1.4口对输入该口的信号进行模数转换, 将转换后的数据存储、变换、处理。在处理时, 先将该次采集到的数据与上次采集到的数据进行比较, 若本次位移传感器的数据大于等于上次位移传感器的数据, 则将本次的位移与磁场传感器信号分别作为X值与Y值在点阵屏上显示出来, 否则的话, 将本次的位移与磁场信号作为X值与Y值显示的同时, 将该点右面所有数据清零, 这样做的目的是防止人们操作时位移传感器左右移动时出现曲线紊乱, 使显示屏上始终有一条完整的曲线或曲线的一部分, 程序的流程图如图5所示。
4结束语
本文所述亥姆霍兹磁场分布演示仪, 操作简单, 可视性强, 深受学生、教师的欢迎, 具有成本低、结构简单, 便于操作等特点。有利于学生动手实践。有效地培养了学生的学习兴趣, 提高了教学质量。
参考文献
[1]赵凯华.电磁学[M].北京:高等教育出版社, 1978.[2]房小翠.单片机实用系统设计技术[M].北京:国防工业出版社, 1999.
[3]王化祥.传感器原理及应用[M].天津:天津大学出版社, 2001.
[4]陈杰.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社, 1993.
[5]易继锴.智能控制技术[M].北京:北京工业大学出版社, 1992.
有限K厚壁载流螺线管的磁场分布 篇2
有限K厚壁载流螺线管的磁场分布
对于通以恒定电流的有限长厚壁螺线管,用柱函数展开法推导出矢势的表达式,再根据磁感应强度与矢势的关系式得出磁场的`积分形式表达式.用直接积分的方法,计算出厚壁螺线管内部和外部的磁场分布的级数表达式.另外还用本文得出的公式求得中轴线上的磁场.
作 者：丁健 DING Jian 作者单位：长安大学,理学院物理系,陕西,西安,710064刊 名：大学物理 PKU英文刊名：COLLEGE PHYSICS年，卷(期)：28(6)分类号：O441关键词：厚壁螺线管 恒定电流 磁感应强度 级数表达式
磁系分布与磁场强度的关系研究 篇3
【关键词】磁系；磁场强度
1、前言
近年来，随着矿产资源的不断开发和利用，高品位矿产资源的逐渐枯竭，资源的开发利用逐渐转向低品位贫矿，铁矿石的开采品位也逐渐降低。由于技术水平的制约和铁矿资源条件的劣势，开发利用贫铁矿资源成本相对较高，充分利用本国丰富的贫矿资源，已成为不少国家摆脱对外矿严重依赖的重要战略措施。磁铁矿选矿是铁矿选矿的主体，多年来磁铁矿选矿技术的不断发展和进步，使选矿厂的生产指标有了较大的改善，新型磁选设备的应用和工艺的推广是主要的发展方向，提高精矿品位和回收率也是磁铁矿选矿技术的主要研究方向[1]。这对于磁选矿技术的要求也越来越高。由于磁选设备具有运行稳定可靠、费用低、适合现场生产等优点，因此，在磁选中占据着不可替代的地位。磁系是磁选产品的主要部件，其磁场强度的大小、分布直接影响磁选产品的选别效果，因此对磁场的了解对选矿至关重要。
2、试验
实验磁系圆周方向磁极组采用N、S极交替形式排列。磁路一的描述：磁系直径1034mm，共5个极，磁极组宽170mm，高144mm，极隙宽72mm，包角约为128°，磁极组中磁块采用粘结方式连接；在两个磁极组之间加入两组辅助磁极。磁路二的描述：磁系直径1034mm，共5个极，磁极组宽170mm，高144mm，极隙宽72mm，包角约为128°，磁极组中磁块采用粘结方式连接。磁路三的描述：磁系直径1034mm，共6个极，磁极组宽100mm，高144mm，极隙宽72mm，包角约为128°，磁极组中磁块采用粘结方式连接。
3、测量结果
测量点为1～9点，在轴向方向取三个面[2]，所区截面尽量避免取在磁块交接处；在径向方向每个测试点间隔5mm，，以下测量结果为3次测量平均值。
4、数据分析
第一种磁系比第二种磁系平均磁场强度增加120Gs，在距离磁系表面15～20mm处平均磁场强度增加175Gs；第一种磁系比第三种磁系平均磁场强度增加320Gs；辅助磁极对磁路高点磁场强度改善显著，对低点磁场强度改善不明显，通过以上三种磁路的比较，磁场强度较高，梯度较大的为第一种添加辅助磁极的磁系。
5、结论
研究表明：磁路不同的作用深度差别很大，普通磁路中当磁极组极宽为170mm时，磁场作用深度约60-70mm；在磁极组间加入辅助磁极时，不仅磁场强度增加，作用深度也增加很明显，将磁路一与磁路二对比后，得出磁路二作用深度比方案一作用深度增加了5mm～10mm。
通过对不同磁路的研究，了解到极宽越宽作用深度越深，极宽越窄作用深度越浅磁场强度衰减越快，辅助磁极不仅能增加磁场强度，同时也有利于作用深度的增加。
参考文献
[1]高伟.单一弱磁选工艺金属回收率指标与产品质量的关系[J].金属矿山，2001，3：27-30.
磁场分布 篇4
电磁感应加热式蒸汽发生器 (以下简称感应蒸发器) 是利用电磁感应的原理将水加热成饱和或过热蒸汽的发生装置。
工作原理如图1所示, 由感应加热电源、电磁感应加热组件组成, 感应加热电源包括整流器、滤波器、逆变器和变压器, 电磁感应加热组件包括感应元件、保温层、换热元件。
感应蒸发器由于具有热效率高、功率密度大、操作灵活、节能环保等优点而倍受关注, 可应用在缺少蒸汽锅炉的中小企业或流动工作场合等。
有关电磁感应加热方面的研究几乎没有, 本文运用感应加热器的设计理论[1]对电磁感应元件进行电工计算和结构设计, 借鉴相关电磁耦合数值模拟方面的经验作为指导[2,3], 对电磁感应加热蒸汽发生器的核心部件电磁感应加热组件, 进行电磁耦合的数值分析, 旨在分析研究沸腾换热元件内磁场分布规律, 找出符合实际加热工况的电磁感应加热元件结构, 实现最优化并满足工程应用的需要。
1 数值分析的有限元模型
1.1 数值分析计算的三种方案
方案一为在等径的换热元件上缠绕匝距相等的感应线圈, 线圈均匀分布;方案二为在等径换热元件上缠绕匝距不等的感应线圈, 分为感应元件1和感应元件二, 其中感应元件1的匝距小, 线圈较密, 感应元件2的匝距大, 线圈较稀疏;方案三中的换热元件为一个进口直径较小出口直径较大的变径管, 感应元件也是一个与换热元件相适应的变径线圈, 其匝距相等, 线圈均匀分布。如图2示。
1.2 物理模型机结构参数
本文数值模拟研究三种不同结构换热元件的磁通和磁感应强度的分布, 通过对比分析得出最优化方案, 结构及结构参数如下。
1.3 建模及划分网格
本文针对磁场分布的数值模拟, 由于有限元模型不太复杂, 采用2D空间下建模及网格划分即可达到求解的精度, 建模、划分网格如图4所示。
1.4 数值分析的边界条件
本文数值模拟计算所需要的边界条件包括对感应元件、保温层、换热元件材料的选取以及对感应元件参数的定义, 具体边界条件如表2所示。
2 数值计算结果与分析
2.1 两种定位管芯材料的数值模拟对比分析
图5为方案一中不锈钢和碳钢两种定位管芯材料下, 沸腾换热元件内磁通密度的分布对比。从图5中可以看出定位管芯为不锈钢材料时, 磁通密度集中在靠近感应线圈的换热元件部位, 定位管芯处的磁通密度较小, 当定位管芯为碳钢材料时, 磁通密度的分布相比前者更为均匀, 在定位管芯上磁通密度相比前者更大;磁通分布越密, 磁通密度越大, 则储存的电磁能越大, 说明在其他条件相同时, 磁导率较大的碳钢芯比磁导率较小的不锈钢芯在磁场分布上更为均匀, 更符合换热要求。
图6显示的是方案一中两种管芯的磁通密度在换热元件和定位管芯上沿轴向的变化曲线。
图6 (a) 所示为换热元件上磁通密度沿轴向的分布规律, 对于不锈钢芯, 磁通密度沿轴向距离的不断增大, 呈现先急剧增大再缓慢增大, 而后缓慢减小之后再急剧减小的倒U型分布规律, 最大值出现在中心点, 最小值在进出口;对于碳钢芯, 磁通密度沿轴向距离的不断增大, 呈现先急剧增大再缓慢减小, 而后缓慢增加之后再急剧减小的M型分布规律, 最大值出现在距离进出口较近处关于中心对称的两个点, 最小值出现在进出口处。
图6 (b) 所示为定位管芯上磁通密度沿轴向的分布规律, 沿轴向距离的不断增大, 磁通密度的分布呈现先增大后减小的抛物线分布规律, 在进出口磁通密度最小, 在中心点最大, 碳钢的磁通密度略大于不锈钢芯的磁通密度。
2.2 三种方案结构的数值模拟对比分析
图7所示的是三种方案的磁场分布云图对比, 可以看出方案一中的分布呈现进出口稀疏, 中间密集的状态;方案二的密集区主要在前半段, 稀疏区主要在后半段, 具有优化作用, 即前半段传热效果好, 需要很大的热流密度, 后半段传热差, 需要较小的热流密度;方案三中的分布基本呈现和方案一的类似分布, 密集处为中间区域, 稀疏处为进出口区域, 但后半段由于变径作用增大了传热面积, 在吸收电磁能基本不变的情况下, 减小了热流密度, 相比方案一具有改进优化作用。
图8所示为三种方案中换热元件和定位管芯上的磁通密度沿轴向的变化曲线。
图8 (a) 为换热元件上磁通密度沿轴向的变化曲线, 可以看出方案一和方案三的曲线趋势基本相同, 呈现M型的分布规律, 最大值出现在距离进出口较近并关于中心点对称的两个点, 最小值出现在两端;方案二中的磁通密度分布在前半段较大呈抛物线分布, 在后半段较小分布比较平缓。
图8 (b) 为定位管芯上磁通密度沿轴向的变化曲线, 可以看出三种方案曲线的分布大致相同, 磁通密度的分布呈现抛物线分布规律, 在进出口磁通密度最小, 在中心点最大;在前半段方案二的磁通密度略高于方案一和方案三, 在前半段方案一、方案二、方案三的磁通密度逐渐递减但差别不大。
3 结论
(1) 对不锈钢和碳钢两种定位管芯进行数值模拟计算, 对计算结果对比分析得出碳钢芯的磁场分布相比不锈钢芯更加均匀, 电磁能分布更加均匀, 更符合工程换热的要求, 为优化方案。
(2) 对三种不同结构的电磁感应加热组件进行数值模拟计算, 对计算结果分析得出方案二结构的电磁能分布前多后少, 更加符合工程换热的需要, 为优化方案, 作为新型电磁感应加热组件。
参考文献
[1]付正博.感应加热与节能[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[2]周超, 褚晓锐.500 kV变电站工频电磁场数值分析[J].贵州电力技术, 2011, 14 (12) :4-8.
[3]吴永霞, 张甲, 梁旭彪, 等.大型汽轮发电机端部电磁场数值分析[J].机电工程, 2012, 29 (3) :249-252.
磁场分布 篇5
ESD的放电过程可形成高电压、强电场、瞬时大电流并伴随有强烈的电磁辐射;ESD辐射电磁场的频谱范围在0～3 GHz的范围[1]。国际电工委员会规定了2种ESD抗扰度试验方法:接触式放电和空气放电模式[2], 其中空气ESD最能模拟受试设备 (EUT) 所遭遇的ESD辐射电磁场所产生的骚扰环境, 成为研究难点和热点。ESD辐射电磁场的近场以电场为主远场以磁场为主, 可从时域和频域2个方面对其进行研究[3,4,5,6]。带静电电荷物体 (放电电极) 在接近EUT时不同的接近速度会产生不同的ESD辐射骚扰[7], 这是因为电极接近速度对空气ESD的影响是通过动态改变空气间隙间距的方式来实现, 在电极接近EUT的过程有不同的放电间隙区。下面拟通过实验方法研究空气ESD辐射电磁场和放电间隙区分布规律。
1实验装置和实验方法
参考文献[8], 实验装置采用文献[7]给出的空气静电放电模拟测试装置。该装置由ESD发生器 (ESS-200 AX) 、半圆环天线、电流靶、30 dB衰减器、示波器 (TDS7154B) 和法拉第笼等组成。
实验通过放电电流靶和半圆环天线分别采集空气ESD的放电电流峰值和耦合电压, 用放电电流峰值的测量来探测空气ESD辐射电磁场的近场;半圆环天线距离放电中心合适位置, 用半圆环天线上耦合电压的测量来探测空气ESD辐射电磁场的远场。
实验电压范围在-30 ～30 kV之间, 实验电压的步长为2 kV;实验环境温度为23～25 ℃, 湿度为33%～35%、40%～42%和56%～60%3种温度条件。
文献[9]给出了1个大气压和均匀场情况空气静态击穿电压U (kV) 与间隙间距d (cm) 的关系式为:
实验首先根据式 (1) 估计不同放电电压发生空气击穿的最大间隙间距 (例如2 kV时约为0.193 cm) , 然后使放电电极与电流靶中心垂直, 并根据需要改变电极前端与电流靶表面之间空气隙的间距;实验电压固定后, 放电间隙从最小的0.6 mm开始, 然后按0.6 mm的步长增加间隙间距直到在该电压上探测不到空气ESD事件为止。
2实验结果与分析
2.1空气ESD辐射电磁场与放电间隙间距
上述提到空气ESD的放电电流峰值和小环耦合电压近似反映了空气ESD辐射电磁场的近场和远场, 这就可以通过放电电流峰值和耦合电压来研究空气ESD辐射电磁场与放电间隙间距之间的关系, 如图1和图2所示。
根据实验数据, 图1和图2分别给出了放电电压为4 kV、8 kV、16 kV、24 kV和28 kV时, 放电电流峰值和耦合电压随放电间隙间距的变化曲线 (其他实验条件和放电电压下其放电电流和耦合电压随放电间隙间距的变化关系类似) 。
从图1和图2不难看出, 固定间隙间距时空气ESD辐射电磁场具有以下特点:
① 放电电压一定时, 存在一个能获得最大空气ESD辐射电磁场的间隙间距;这个间隙间距不是越小越好, 例如放电电压为16 kV、24 kV和28 kV时在最小的实验间隙间距上反而没有获得最大的辐射电磁场。换句话说, 即使放电电极与电流靶表面接触即间隙间距为零的情况也不能获得最大辐射电磁场。这与空气击穿的电压和电场准则相吻合, 在“小间隙”上需要满足电压准则, 在“大间隙”上需要满足电场准则;
② 放电电压较低时, 只能在较小的间隙间距范围内获得空气ESD辐射电磁场;放电电压较高时, 可以在较大的间隙间距范围内获得空气ESD辐射电磁场, 这一点正好可以通过式 (1) 得到解释:电压低空气击穿间隙间距小, 电压高空气击穿间隙间距大。
2.2空气ESD放电间隙区分布
通过空气ESD辐射电磁场与放电间隙间距之间的关系可以发现:空气ESD存在如图3所示的“增长间隙区”、“跌落间隙区”、“平坦间隙区”和“零放电间隙区”4个放电间隙区。
在“增长间隙区”, 固定放电电压, 辐射电磁场随间隙间距的增加而增加。同理, 在“跌落间隙区”辐射电磁场随间隙间距增加而减小, 在“平坦间隙区”辐射电磁场随间隙间距增加变化不大, 在“零放电间隙区”基本上探测不到辐射电磁场, 不过在“平坦间隙区”与“零放电间隙区”之间的间隙间距上可能有暗电流存在, 间距的细微变化可能引起ESD辐射电磁场的突变。
空气放电间隙区的分布与放电电压的大小有关, 放电电压较低时, 其放电间隙区的分布不明显, “增长间隙区”、“跌落间隙区”和“平坦间隙区”相对很窄基本重叠, 这主要是因为放电电压较低时其击穿间隙本来就很小, 要在很小间隙间距上区分放电间隙区比较困难。放电电压很高时, 放电间隙区的分布十分明显, “增长间隙区”相对较窄, “跌落间隙区”相对较宽, “平坦间隙区”相对很宽。如图1所示, 4 kV时前3个放电间隙区的总区间长度小于1 mm, 而在28 kV时“增长间隙区”大约在0～1 mm之间, “跌落间隙区”大约在1～5 mm之间, “平坦间隙区”大约在5～19 mm之间。
由于放电间隙区的分布差异, 不同放电电压和不同放电间隙区下的空气ESD事件存在明显的区别。如图1和2所示, 放电电压较低时在很窄的“平坦间隙区”内的ESD辐射电磁场相当;而当放电电压很高时, 由于“平坦间隙区”很宽, 空气ESD在整个放电区的最大ESD辐射近场大约是“平坦间隙区”辐射近场的2倍, 最大辐射远场大约是“平坦间隙区”辐射远场的十几倍。由此可以想象处于“平坦间隙区”的低压和高压放电可能低压产生的ESD辐射比高压产生的ESD辐射更强, 低压比高压对EUT的辐射耦合更大, 所以对于一些现代高速微电子器件的空气ESD抗扰度试验在低压时不能通过而在高压时能通过。
2.3空气ESD与电极接近速度
从上述分析可以看到:放电电极在接近EUT的过程中要穿过“平坦间隙区”、“跌落间隙区”和“增长间隙区”等放电间隙区, 这就可以通过电极接近速度的控制使空气ESD事件发生在所希望的放电间隙区, 也可避免或利用一定间隙区的空气ESD事件。例如在高压情况其“平坦间隙区”相对很宽其优点是放电相对稳定因而可以利用这种“稳定性”, 同时如果需要得到较强的高压放电就要避免这个间隙区的放电。
放电电压较低时, 在整个速度范围内放电基本上发生在“跌落间隙区”, 由于这个区域较窄, 所以提高电极接近速度对ESD辐射电磁场的影响不明显, 但随接近速度的变化仍具有斜率相对较小的线性相关性;放电电压很高时, 可以使放电由“平坦间隙区”快速进入“跌落间隙区”, 而且由于高电压下的“跌落间隙区”较宽, 所以ESD辐射电磁场随接近速度的线性增长关系十分明显。
在“跌落间隙区”ESD辐射电磁场随间隙间距和电极接近速度的增加都有线性关系, 也就是说某个电极接近速度下产生的ESD辐射电磁场可能与某个固定间隙间距下产生的ESD辐射电磁场相对应。
3结束语
通过实验研究了固定间隙间距时空气ESD辐射电磁场与放电间隙间距之间的关系。研究发现:空气ESD存在“增长间隙区”、“跌落间隙区”、“平坦间隙区”和“零放电间隙区”4个放电间隙区;放电间隙区的分布主要与放电电压的大小相关, 且在高电压时各放电间隙区分布更明显;通过电极接近速度的控制可以获得相应放电间隙区空气ESD所产生的辐射电磁场。
参考文献
[1]刘尚合, 魏光辉, 刘直承, 等.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社, 1999:194-195.
[2]IEC 61000-4-2 international standard.Geneva, Switzerland:International Electro-technical Commission[S], 2001.
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[4]朱长清, 刘尚合, 魏明, 等.静电放电电流的频谱分析与计算[J].高电压技术, 2003, 29 (8) :23-25.
[5]WILSON P F, MA M T.Fields Radiated by ElectrostaticDischarges[J].IEEE Transactions on ElectromagneticCompatibility, 1991, 33 (1) :10-18.
[6]贺其元, 刘尚合, 陈京平.对空气静电放电的频域研究[J].军械工程学院学报, 2006, 18 (4) :25-28.
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[8]CHUNDRU R, POMMERENKE D, WANG Kai, et al.Characterization of Human Metal ESD Reference DischargeEvent and Correlation of Generator Parameters to FailureLevels—part I:Reference Event[J].IEEE Transactions onElectromagnetic Compatibility, 2004, 46 (4) :498-504.
磁场分布 篇6
关键词：平行对极,电磁铁,磁感应强度,分布特性
电磁铁是通电流来产生磁力的一种元器件, 易于实现磁性的启动和消除, 其电磁效应被广泛应用于生活与生产实践中, 如电磁制动器、电磁流量计、 电磁阀等［1—3］。电磁铁作为磁场发生装置, 已成为液体磁性磨具光整加工中的常备元器件。通过调节外加磁场来调节磨具内部磁场分布, 进而间接控制磨料与被加工工件表面间的作用力, 实现对工件的精细研磨［4］。磁极平行相对布置的电磁铁是此类加工中常用的方式, 研究磁极间工作区的磁感应强度分布对于液体磁性磨具的光整加工有实际指导意义。
目前对于电磁铁的研究主要集中在电磁铁的磁路设计、衔铁的吸力特性及其磁场的二维分布特性上［5，6］。太原理工大学陈红玲等人通过磁路设计确定了对极电磁铁的相关参数并提出多种磁极形式［7］。哈尔滨师范大学孟庆国等人对于三维对极电磁铁小间隙情况下的磁场分布进行了研究, 得到了不同间隙下, 间隙中心位置磁感应强度值随电流强度的变化规律［8］。但对于大间隙下, 对极中间区域的整体磁感应强度分布特性还尚待研究。
以平行对极电磁铁作为研究对象, 对不同电流强度下, 对极间工作区中的磁感应强度分布进行模拟, 并借助特斯拉仪进行实测验证。结果对液体磁性磨具加工中的受力分布提供了理论依据。
1电磁场的仿真模拟
1. 1电磁耦合有限元分析
在实际有限元分析中, 通常并不是直接对麦克斯韦方程组的一阶方程进行求解, 而是将其转化为二阶方程, 并引入矢量磁位A来辅助计算。
在静磁场中, 各个变量并不随时间而变化, 此时电磁场方程称为拉普拉斯方程
假设磁介质都为均匀介质, 则有源的静磁场可以表示为泊松方程
在实际的电磁场工程问题中, 有多种边界条件, 将其归纳起来可以分成三种形式: 狄利克雷 ( Dirichlet) 边界条件、诺依曼 ( Neumann) 边界条件以及它们的组合。
狄利克雷边界条件一般表示为
诺依曼边界条件一般表示为
式中!2是拉普拉斯算子, μ 是介质的磁导率, H/m; J是电流密度矢量, A / m2; n是边界 Γ 的外法线矢量; Γ1表示狄利克雷边界; g ( Γ1) 是位置的多元函数; Γ2表示诺依曼边界; f ( Γ2) 和h ( Γ2) 为边界内的多元函数。若上述两种边界条件中的多元函数均为零, 那么边界条件便简化为齐次边界条件, 即
上述齐次狄利克雷边界条件表示在分析中势函数在某个边界上为零, 齐次诺依曼边界条件表示在某个边界法向上的势函数变化率为零［9］。
平行对极电磁铁可建立的数学模型及边界条件如下
1. 2建模与求解
以实验用电磁铁, 建立有限元模型, 并建立空气块包裹模型。图1为模型示意图, 图2是整体模型的单元划分图。
电磁铁线圈采用SOURC36电流源单元, 空气包围外层采用IFIN111远场单元, 其他部分采用SOL- ID96实体单元对3D静态电磁场分析进行环境建模, 对各部分赋予相应的材料属性, 用工作平面将模型切分成块, 对规整的块如空气包围外层和工作区等采用映射网格划分, 过渡的异形块采用自由网格划分。
将模型外表面磁矢势设定为零, 由IFIN111远场单元的属性可知, 对外层空气单元施加无限远表面标识后, 磁矢势也被设为零; 在YOZ平面施加通量垂直边界条件, 选用差分标势法 ( DSP) 进行求解［10］。
图3为求解后的电磁铁和磁极间工作区的磁感应强度分布矢量图, 其中两个平行相对磁极间的方块为测量研究区域即工作区, 平行XOZ平面, 且过对极中截面的平面作为测量基准面, 图4是测量基准面上的磁感应强度分布矢量图。
由图3可知磁力线在的铁芯、磁轭、对极和空气组成的介质中形成回路, 磁力线在铁芯区分布最密集。铁芯和磁轭的交界面上, 磁力线呈辐射状向周围扩展, 左铁芯与长磁轭的交界面和右铁芯与短磁轭的交界面上磁力线从铁芯向外发散, 相对的两个交界面上的磁力线则向铁芯内汇集。在电磁铁系统中, 通常都是由铁磁性物质构成主要的磁通回路, 铁磁物质的磁导率在线性区是非铁磁物质的上千倍, 所以磁通大部分在铁磁物质形成的回路中［11］。由于边缘效应的存在, 对极空气气隙内磁通扩散不可避免, 所以对极间工作区气隙中的磁力线比较稀疏。 在工作区中测量基准面附近的磁力线密度要比远离基准面位置的密度高, 且距离越远越稀疏。
由图4可见工作区测量基准面上磁感应强度矢量方向整体向左, 与图3中的磁通回路方向一致。 由于对极间距较大, 磁力线不可避免的向四周扩散, 在右侧上下两端磁力线向外发散。而铁磁物质构成主要磁通回路, 在左侧上下两端磁力线向磁极汇聚。 由于测量基准面的四个边角部位靠近对极的直角边缘, 产生了局部磁力线集中现象, 使得四个边角部位的磁力线密度较大。而在基准面中心位置由于磁力线的扩散而密度较小。
2实验研究
2. 1实验设备及参数
实验装置如下图5所示, 其中电磁铁有两个平行布置的线圈, 线圈采用厚漆膜漆包圆铜线, 单个线圈为1 600匝, 铁芯的长度为200 mm, 两线圈一侧用一个长磁轭连接, 尺寸为440 mm × 30 mm × 80 mm, 另一侧用两个短磁轭连接, 尺寸为150 mm × 30 mm × 80 mm, 磁极与短磁轭相连尺寸为20 mm × 30 mm × 80 mm, 两磁极间空隙为工作区其长度为100 mm, 电磁铁由直流稳压可调电源供电, 并用特斯拉仪对电流强度为0. 5 A、1. 0 A和1. 5 A三种情况的磁场分布进行了测量。
2. 2测试过程
测试时将电磁铁放置在钻铣床的工作台上, 将特斯拉仪测量笔固定在钻铣床的主轴上。如图6所示, 以对极正中的正平面为测量基准面称为y0, 对极中心位置为坐标原点。在X和Z方向分别等间隔取5个测点, 每个测量平面取25个测量点。通过移动工作台和调整主轴高度, 在基准面前后各取两个平行平面进行测量, 这五个平面按其在坐标系中Y轴的位置从前到后分别称为y－ 2、y－ 1、y0、y1和y2, 平面间距为20 mm, 每个平面采集25个值, 每一电流强度条件下, 采集125个磁感应强度值。
3结果与分析
3. 1不同电流强度下的磁感应强度分布
图7是仿真、实测及两者对比情况下测量基准面上的磁感应强度分布图。图7 ( a) 和7 ( b) 中的三个面从上到下, 分别是电流强度为1. 5 A、1. 0 A和0. 5 A时, 测量基准面上的磁感应强度分布图, 图7 ( c) 为仿真和实测结果对比图。
由图7可知: 不同电流强度下, 测量基准面上同一测点的磁感应强度值B随电流强度的增大而增大, 电流强度越大B的变化梯度也越大; 仿真和实测结果在X方向的磁感应强度值随x坐标绝对值的增大而增大; 在Z方向的磁感应强度值两侧大中间小, 仿真结果在Z向B值变化梯度较大, 实测结果在两端略大, 中间变化梯度很小。可见仿真和实测结果在Z向上整体趋势基本一致, 在变化梯度上有差异。下面对不同电流下Z向的仿真和实测结果取平均值后磁感应强度在X向的分布进行对比分析如图8所示。
由图8知: 不同电流强度下, 仿真与实测结果的磁感应强度均值, 都与X方向位移的平方成正比。 仿真结果的磁感应强度均值与电流强度成线性正比关系, 实测结果在原点附近的磁感应强度值随电流强度的增大变化很小, 随着位移的增大与电流强度成近似线性正比变化。由于中心位置磁感应强度值很小, 受外界环境干扰和测量误差的影响相对较大, 可近似认为仿真和实测磁感应强度值都与电流强度成线性正比关系。可见不同的电流强度下仿真与实测结果变化趋势基本一致。
3. 2同一电流强度不同测量面的磁感应强度分布
图9是电流强度为1. 5 A时, 五个测量平面上的磁感应强度分布图, 图9 ( a) 和9 ( b) 中的五个面从上到下依次是测量面y0、y－ 1、y1、y－ 2和y2, 图9 ( c) 为仿真和实测结果对比图。
由图9可知: 距离测量基准面y0越远, 不同测量面上同一测点的磁感应强度值B越小; 与y0平面相对距离相同的y1、y－1和y2、y－2平面, 电磁铁内侧的y－1和y－2平面的B值比外侧的y1和y2平面的大。由于内侧区域受线圈和磁轭漏磁的影响, 使得电磁铁内侧测量面附近的磁力线相对密集。五个测量平面磁感应强度分布特性与测量基准面y0的分布特性类似, 只是距y0平面越远, 磁感应强度的变化梯度减小, 但整体变化趋势一致。
图10为y0、y－ 1和y－ 2平面上对磁感应强度值取平均值后, 在X方向的仿真与实测结果变化趋势对比图。
由图10可知: 不同测量平面磁感应强度均值与距y0平面距离的平方成反比; 三个平面仿真结果的磁感应强度均值与X方向位移的平方成正比; 实测三个平面在x = 0处的磁感应强度均值近似相等, 与仿真结果差距明显, 但随着位移的增大, 磁感应强度值逐渐变大后差距明显减小, 可见中心区域的实测结果受外界环境和测量误差干扰严重, 实测结果除去原点附近的磁感应强度均值, 也与X方向位移的平方成正比。可见同一电流强度不同测量平面的仿真与实测结果的磁感应强度分布趋势基本一致。
4结论
( 1) 磁力线在的铁芯、磁轭、对极和空气组成的介质中形成回路, 铁芯区域分布最密集, 工作区中心位置分布最稀疏。
( 2) 测量基准面靠近电磁铁内侧的磁感应强度值比外侧的大; 工作区中X方向磁感应强度分布呈 “V”形, Y方向磁感应强度分布呈倒“V”形, 在Z方向也呈“V”形分布, 但变化梯度较小。
( 3) 磁感应强度均值在X方向与位移的平方成正比, 不同测量平面磁感应强度均值与距y0平面距离的平方成反比。
由于电磁铁制作精度不高和测试设备有限, 仿真结果和实测数值的趋势基本一致, 但重合度不是太高。此外, 由于忽略了线圈发热对电磁铁磁感应强度分布特性的影响, 此方面还有待进一步研究。
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磁场分布 篇7
一、实验的装置
以下图一是实验使用的装置示意图, 该装置使用锰钢丝做成弹簧, 将吊桶放在弹簧的下面, 便可以将砝码放在吊桶里面。如果砝码的质量达到了一定的数值, 弹簧就会被拉开, 然后连通电源, 整个装置就变成了疏松螺线管。在螺线管的上面有一个有机玻璃板, 在有机玻璃板上开了一个圆孔, 而疏松螺线管就固定在这个开孔的玻璃板上, 安装时要注意对准圆孔的中心位置。另外, 对于圆孔的直径也有一定的要求, 需要保证其大小能够让传感器探头沿着轴线自由的上下移动, 而有机玻璃板则放在两台铁架台上固定好, 之所以使用两个铁架台是为了使有机玻璃保持水平。磁场传感器是放在升降台上的, 只要对升降螺母进行调节便可以使其上下的移动, 这样便可以对不同位置的不同磁场进行测量。值得一提的是, 磁场传感器可以同时对相互垂直的两个方向进行测量。在本次实验当中, 主要是通过对方向开关进行调节来测量轴线上的径向磁场和轴向磁场的。
在本次实验中, 轴线的原点是疏松螺线管上端口部分, 将原点与传感器探头之间的距离定为x, 通过对升降螺母进行调节, 可以测量到径向磁场与轴向磁场随着x变化的数据分布情况。将x固定不变, 改变砝码的质量, 那么, 螺距就会出现变化, 这就可以用来研究螺距与磁场之间的关系。
二、实验过程
实验主要分为以下几个步骤。
1. 按照上面的装置图连接好整个线路。
2. 运行计算机, 然后打开计算机中的Data Studio程序, 选择实验设置中的磁场传感器, 最后将数据显示窗口里面的表格选中。
3. 往吊桶里面放入20g的砝码, 等到螺线管拉开并稳定之后, 连通电源, 通过调节滑线变阻器, 将电流调到0.2A。
4. 想将电键断开, 将方向开关调到竖直方向, 然后“启动”按钮, 这时开始测量的是地磁场沿螺线管轴线的方向上的磁感应强度分量, 点“停止”, 便停止了磁场的测量。同样的, 再将方向开关调到水平方向, 点“启动”按钮, 这时所测量的则是垂直于螺线管轴线方向的磁感应强度分量, 最后点“停止”按钮。
5. 调节升降螺母, 将磁场传感器探头调节到螺线管上端口, 也就是让x=0cm, 然后将电键合上, 测量此时的径向磁场和此时的轴向磁场, 然后重复第 (四) 个步骤。
6. 通过升降螺母, 将磁场传感器探头降低0.2cm, 在调节过程中传感器要保持在轴线的中央位置。然后再次进行第 (五) 个步骤, 以此测量出传感器探头下降0.2cm、0.4cm……3.0cm时的径向磁场和轴向磁场。不过, 因为磁场传感器探头的不能无限伸长, 其长度是有限的, 所以只能测量出部分磁场分布的情况。
7. 往吊桶里面加砝码, 依次的增加重量, 让质量以此为30g、40g、50g, 然后重复第 (五) 、 (六) 步, 对不同螺距下的径向磁场和轴向磁场沿轴线的分布情况进行测量。
8. 调节升降螺母, 将磁场传感器探头调到x=0.2、0.8、1.4…2.6cm, 然后测量吊桶里砝码的质量分别为20g、30g、40g…110g时的轴向磁场, 以此测量出轴向分量B轴向和螺距之间存在的关系。
三、实验结果与分析
在此次实验中, 疏松螺线管有三十匝, 通过测量得到疏松螺线管的直径有24mm, 实验中的电流为0.2A, 地磁场的B轴向为2.5T, 而B径向为3.5T。通过实验可以发现疏松载流螺线管轴线的磁场分布非常复杂, 比一般的密绕载流螺线管要复杂很多, 径向磁场不等于零。轴线的轴向磁场会随着螺线管端口与轴线上点之间的距离的增大而增加, 在增加到都一定的值以后就不再变化, 接近为匀强磁场。另外, 当弹簧上放的砝码的质量不同的时候, 在轴线同一地方的轴向磁场会有明显的不同, 砝码质量改变了, 疏松载流螺线管的螺距也就会发生变化, 这表明了螺线管的磁感应强度和螺距之间有较大的关系。图二和图三分别是不同砝码质量下径向磁场的分布曲线、不同砝码质量下轴向磁场的分布曲线。从曲线可以看出, 螺线管的螺距和砝码质量之间成正比关系, 对于疏松螺线管轴线来说, 在其同一位置的轴向磁场会与螺线管螺距之间成反比, 也就是说, 螺线管螺距增大的时候, 轴向磁场B轴向反而会变小, 它们之间的关系接近线性关系。
四、结论
本文主要是关于测量疏松载流螺线管轴线上磁场的实验, 对轴线上的径向磁场和轴向磁场进行了测量, 此次实验得到的结果和统计数据相一致, 说明了本次实验的设计是可行的。这个实验可以作为物理课的选作实验, 它可以帮助学生更清晰地认识到螺线管内部的磁场分布情况, 有利于学生学习如何通过传感器来测量一些物理量。
摘要：本文主要研究了疏松载流螺线管轴线上磁场的分布情况, 此次实验主要测量的数据有螺线管轴线不同位置上的径向磁场和轴向磁场。本文首先介绍了实验的装置, 然后介绍了实验过程中的八个步骤, 最后分析了实验的结果。本次实验的结果表明了疏松型螺线管轴线上的轴向磁场与螺距之间呈近似线性关系。
磁场分布 篇8
1信号采集
1.1信号采集模型
图1是典型的自动化系统数据采集方式模型, 数据采集设备将采集到的取样信号, 以电或光信号的方式, 经传输线路送给数据处理设备进行处理。
在这个模型中, 取样信号可以是数字信号, 也可以是模拟信号, 传输线路可以是有线, 也可以是无线信道, 虽然数字信号的抗干扰能力明显优于模拟信号, 无线传输信道的工作频段也远远高于广播的工作频段, 抗干扰性明显强于有线信道, 但多数采集信号属于模拟信号, 如发射机各个器件的输入/ 输出电压、 电流、温湿度、水压、驻波比等。自动化系统的传输线路并不是在所有场合都适用无线传输, 有线信道的应用场合更加广泛, 比如, 发射机的各种表值、状态的取样等。所以, 虽然数字信号和无线信道抗电磁干扰能力都较强, 但模拟电信号的有线信道传输更为常用。因此, 对有线传输信道模拟信号的抗干扰分析是非常有必要的。
1.2 信号采集模式
3分布采集数据模型
取样信号的采集模式, 分为集中采集和分布式采集两种, 典型集中采集的信号设备是PLC。如图2所示, PLC将来自不同采集地点的取样信号汇集一处, 集中处理, 并集中输出控制信号。典型的分布式信号处理设备是研华的ADAM模块, 如图3所示, 它能将数据处理功能划整为零, 将数据处理功能分摊到多个数据处理模块上, 而这些数据模块既可以分散放置在离采集端非常近的地点, 也可以与其他数据模块进行数据交互。
1.3集中采集模式的弊端
从图1可以看出, 无论采用哪种数据采集模式, 中短波电台的数据采集和处理设备, 都暴露在强电磁环境下。电磁干扰通过以下三种干扰方式影响数据采集信号的准确性。一是直接作用于数据采集或处理设备, 干扰设备内元器件, 使其无法正常工作;二是作用于数据采集或处理设备的电源, 使设备供电不正常;三是直接作用于传输信道, 使传输信号发生畸变。对于集中式和分布式两种数据采集方式来说, 经常会遇到前两种干扰方式, 二者抗干扰措施基本相同, 一般都是增加电源滤波器或磁环。根据实际的电磁特性, 选择具有较好电磁屏蔽效果和厚度适宜的材料制作屏蔽机箱, 同时, 提供良好的接地 (最好接地阻值在1欧姆以下) , 为电源和屏蔽机箱提供良好的静电泄放通路。而这两种截然不同的数据采集方式, 最大的区别在于传输信道干扰程度不同, 这是本文讨论的重点, 下面将重点分析。
集中采集模式的弊端在于数据传输线路过长, 特别是模拟信号, 易受强电磁干扰, 信号波形严重失真, 造成数据处理设备无法正确获得取样数据的数值。 由于短波工作在3 ~ 26M范围, 常用频段在6 ~ 21M, 波长范围在14.28 ~ 50m, 查阅电磁干扰相关书籍可知, 当传输线长度大于电磁信号1/4个波长时, 电磁信号就会对传输信道的信号产生干扰。在实际有线传输信道, 经常会采用多种抗干扰措施, 但如果自动化系统前端采集设备到数据处理设备的传输距离大于1/2个波长, 在强电磁干扰源的作用下, 即使采取多种抗干扰措施, 并不能起到很好的抗电磁干扰效果。
1.4分布采集模式
集中采集模式, 如果传输信道距离大于1/2个波长, 模拟信号在有线传输信道存在严重干扰, 原因有二, 一是传输信号是模拟信号, 二是传输线路过长。 但模拟信号在有线信道传输中是不可避免的, 所以, 一方面要尽可能缩短有线传输信道的距离, 使作用于有线信道的抗干扰措施发挥作用, 让干扰控制在有效范围内;另一方面, 将模拟信号转换为数字信号, 提高信号的抗干扰性。但在集中采集模式下, 如果采集点分布较为分散, 缩短某一个采集点到数据处理汇聚点的距离, 必然意味着增加另一个采集点到数据处理设备的距离。所以, 要想解决模拟信号长距离传输, 使其不受干扰, 必须跳出集中采集模式的思维定势, 从另一个角度解决集中采集模式存在的问题, 也就是将数据处理设备化整为零, 采用分布采集模式, 拉近数据处理设备到所有数据采集点的距离, 就近处理采样信号, 同时, 将模拟信号转换为数字信号, 从而提高采集信号的抗干扰性。
1.5多层屏蔽的短距离传输线路
解决了长距离传输线路问题, 接下来就要解决传输线路干扰问题。在强电磁场环境下, 传输线路是非常好的接收天线, 所以, 必须在采用分布采集模式的基础上, 提高传输线路的屏蔽效果。 采用分布采集模式, 将模拟信号传输距离控制在半个波长范围内, 再采取抗干扰措施, 解决干扰问题。电磁干扰对传输线路的影响, 可以分为电场耦合和磁场耦合两种。传输线路可以采用两层屏蔽模式, 外层屏蔽采用双端接地, 用来消除磁场耦合, 通过中间多点接地方式, 把传输线路控制1/4个波长范围内;内层屏蔽选接地良好的一端接地, 用来消除电场耦合, 同时, 减小屏蔽层的孔径, 减低电磁信号的衍射干扰。如果电磁波信号强度非常强或者采集点距离干扰源非常近, 可以考虑三层以上的屏蔽层, 采用电场和磁场交叉屏蔽的方式设置接地方式。
2实际测试
2.1运行效果
为了验证理论分析是否与实际相符, 以PLC为代表的集中采集模式和以ADAM模块为代表的分布采集模式, 在某台500k W短波发射机房, 作为温控自动化系统两个测试方案, 进行为期一个月的测试。该机房共有6部发射机, 摆放在长约70米的机房大厅。两个测试方案都需要采集每部发射机出/ 入水温度和水位液面位置的模拟量, 共计18个模拟量;PLC采用集中采集数据模式, 最远的采集点距离PLC近40m;而ADAM模块采用分布式数据采集, 每部发射机可以根据采集点的数量和距离, 采取就近安装方式, 选择安装一块或多块ADAM模块采集数据, 每个采集点距离ADAM模块不超过1/2个波长 (21M频率) 距离。 PLC和ADAM模块与采集点的传输线路, 均采用双层屏蔽方式, 外层两端接地, 内层在采集点采用单端接地方式, 此外, PLC的传输线路, 在外层屏蔽层中还做了多点接地;PLC和ADAM在接收到采集信号后, 都采用数字信号将数据发送给位于现场的上位机。如图4所示。
经过实际测试, 采用分布式采集模式+短距离传输线路双屏蔽方式, 效果明显优于集中采集+长距离传输线路双屏蔽方式。图5是17M频率下, 采用集中采集模式, B03机的温度采集数据曲线, 从图中可以看到, 使用同样的抗干扰措施, 依然会有较强的干扰信号;而采用分布采集模式, 在为期一个月的时间里, 在同一时间段、同一频率下, 即使500k W的天馈线距离采集点不到10m, 上位机显示的B03机温度采集数据, 如图6所示, 曲线比较平滑, 符合设备操作运行规律, 测试达到了预期效果。
本方法已经在两个短波发射机房成功实施, 截至目前, 设备稳定, 运行情况良好。
3.2经济成本
在测试中, 虽然ADAM模块的数量多于PLC, 但统计实际需求采集点数量, 经过具体测算, 购买ADAM模块的预算少于购买PLC模块的预算。
3结语
中短波发射电台, 由过去传统的手动操作广播发送设备, 改变为自动化系统控制广播发送设备, 广播发送设备的自动化, 降低了值班员的劳动强度, 提高了设备的稳定性, 缩短了指令的响应时间。自动化彻底改变了电台的工作方式, 但这一切都建立在自动化系统稳定可靠的基础上, 笔者站在实际工作的角度, 提出分布式采集模式+短距离传输线路双屏蔽的抗干扰方法。发射电台自动化系统, 其最大的难点就是抗电磁干扰问题。在高频环境下, 往往需要采取多种措施, 才能彻底解决中短波全频段上的干扰问题。限于篇幅和作者能力, 无法在此一一列举, 文章若有描述不当之处, 希望各位老师、同仁能批评指正。
摘要：本文从理论和实际两个层面, 深入分析了中短波发射台自动化系统集中采集取样信号不稳定的原因, 提出分布采集模式+短距离传输线路双屏蔽方法, 解决模拟信号受干扰问题, 并在实际应用中取得了非常好的效果, 对强电磁干扰环境下的数据采集, 具有较高的借鉴意义。
磁场分布 篇9
1 材料与方法
1.1 方法
采用氦气球升空的方法对综合场强垂直空间分布进行监测, 气球升力≥10 kg以保持空中稳定性, 由三根拉绳定位, 调整其垂直倾斜角, 升空时的垂直偏差控制在15度以内, 以保证最大高度误差≤5%。升空高度为80 m (距地面) 。仪器采样速率为1次/s , 每3 m高度采样1 min, 自动记录数据。在辐射源工作状态和停机状态分别进行气球升空, 监测综合场强的垂直空间分布并进行3～30 MHz频段的频谱扫描。选择晴朗天气, 地面风速≤2 m/s。
1.2 仪器
仪器为PMM 8053A综合场强测试仪, 电池供电, 可以自动连续测量并处理数据。探头带宽为3 GHz。
1.3 监测对象和测量条件
1.3.1 电磁辐射源参数
电磁辐射源为一组中波通讯天线阵群, 由数十座不同角度的天线组成, 工作的频率范围为3～30 MHz, 平均辐射功率为数千瓦至数十千瓦。该通讯天线阵群属间歇工作性质, 处于工作状态的天线个数、使用的频率和辐射功率均根据通讯需要而定, 一般情况下同时工作的天线不超过3座。
1.3.2 监测项目
根据电磁辐射源的工况, 监测项目包括电磁辐射源工作状态和停机状态的综合场强垂直空间分布及3～30 MHz 频段的频谱扫描。
1.3.3 监测点布设
共布设3个监测点, 与通讯天线阵群的最近距离分别为640、780、1 140 m。3个监测点均位于开阔平坦处, 周边没有高大的建筑物和输电线路等设施, 符合监测要求。
通讯天线阵群开通了3座天线 (1号、2号、3号) , 符合其日常正常工作状态。辐射频率分别为16.86、6.375、21.00 MHz, 等效辐射功率分别为15.0、8.0、3.7 kW。
1.3.4 监测时段气象条件
监测时段天气晴朗, 环境气温29℃, 相对湿度60%, 风速0.8 m/s。
2 结果
2.1 综合场强测量结果
1号～3号监测点测量结果见图1～图6、表1。
2.2 频率扫描监测结果
辐射体工作状态频率扫描图见图7。辐射体关机状态频率扫描图见图8。频率扫描监测结果见表2。
3 讨论
3.1 频率分布分析
从现场频率扫描的显示结果和监听结果看, 该地区的综合场强构成的主导频段是中波广播频段, 包括603、720、828 kHz, 其中720 kHz为主导频率, 场强明显高于其他频率。在开机状态, 16.86 MHz频率场强值表现突出, 达到0.41 V/m左右, 其他两个频率则表现不明显。
3.2 综合场强垂直分布分析
从1号监测点综合场强垂直分布图看, 开机状态时80 m高度场强达到最大值;随着高度降低场强值成比例下降, 80 m高度场强值与地面场强值之比约为280%, 增幅为180%, 这可能与位置与天线群较近并和天线的辐射角度有关。从2号、3号监测点综合场强垂直分布图看, 其综合场强垂直分布的变化趋势与1号监测点基本相同, 也是开机状态时80 m高度场强达到最大值;随着高度降低场强值规律性下降, 2号监测点80m高度场强值与地面场强值之比约为158%, 增幅为58%;3号监测点80 m高度场强值与地面场强值之比约为129%, 增幅为29%。可以看出, 与天线群的距离越近, 80 m高空处相对于地面的场强增幅越大;随着与天线群的距离加大, 增幅逐渐变小且差异明显。而3个监测点在辐射体关机状态的场强分布则没有表现出相应的规律性, 场强值也没有表现出明显的差异。
3.3 电磁辐射源对空间场强分布的贡献
根据以上分析可以看出, 中波广播频段是该地区的主要背景频段。天线群阵在工作时对项目所在地区的电磁辐射强度有明显的影响, 根据辐射体开、关机状态的频率扫描结果估算, 天线群阵发射的电磁波将使该地区的场强增高48%左右, 在80 m高处将更为明显。
根据国家相关规定[4], 公众照射导出限值在0.1～3 MHz频率范围内为40 V/m, 在3～30 MHz频率范围内为67 V/m, 上述频率范围覆盖了城市区域大部分的无线电活动, 确定其与公众居住区的关联影响对于城市的规划和建设有一定的指导意义。从实地测试结果看, 特定的电磁辐射源对附近地区的场强分布有一定影响, 其影响随距离增加而减弱, 具体影响程度与二者的相对位置、辐射源的强度、周边地形和建筑格局与高度有关。
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