內(nèi)置式壓力測試儀的電磁屏蔽設(shè)計*

劉　磊,李新娥,王媛婧

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原　030051)

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內(nèi)置式壓力測試儀的電磁屏蔽設(shè)計*

劉磊,李新娥,王媛婧

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原030051)

摘要:針對現(xiàn)有采用內(nèi)觸發(fā)方式的內(nèi)置式壓力測試儀,在火炮膛壓測試中易受到伴隨的電磁干擾,從而影響測試儀的測量精度等問題,特提出基于內(nèi)置式壓力測試儀的電磁屏蔽設(shè)計,通過對電磁屏蔽的理論分析及相關(guān)計算,設(shè)計了內(nèi)置式壓力測試儀的最佳殼體屏蔽模型,確定了屏蔽體的材料。采用Ansoft Maxwell軟件對殼體的屏蔽設(shè)計進行了電磁仿真,仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的合理性,為解決內(nèi)置式壓力測試儀的電磁屏蔽提供了可行的方案。

關(guān)鍵詞:壓力測試;電磁屏蔽;電磁仿真;Ansoft Maxwell

0引言

火炮膛壓是火炮在研制、生產(chǎn)和驗收中必須要進行測量的一個重要參數(shù)[1],決定了火炮的性能和質(zhì)量。內(nèi)置式壓力測試儀采用殼體電容一體化設(shè)計,根據(jù)殼體受壓力影響發(fā)生形變進而導(dǎo)致殼體電容變化的原理[2],通過檢測電容值的變化即可計算出壓力的大小。因此可置于火炮膛內(nèi)底部檢測火炮發(fā)射時的膛內(nèi)壓力,但受限制于內(nèi)置式壓力測試儀的體積,殼體電容的變化量僅在pF級別。而在火炮的發(fā)射過程中,由于等離子體附加磁場的存在,可導(dǎo)致殼體內(nèi)部的測試電路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或感應(yīng)電流,因此內(nèi)置式壓力測試儀的電磁屏蔽是必須要解決的問題。

1電磁屏蔽

1.1電磁屏蔽原理

電磁屏蔽是根據(jù)屏蔽材料與電磁波之間不同阻抗的原理,通過反射的形式將電磁波隔離在屏蔽體的外部[3]。相比電磁波,屏蔽體所采用的材料都具有極小的阻抗,因此當電磁波傳播到屏蔽體時將引起很大的反射,以此形成隔離電磁波的效果[4]。

1.2測試儀屏蔽體的設(shè)計

由電磁屏蔽的原理可知,屏蔽的效果主要由屏蔽體的吸收損耗和電磁波在屏蔽體兩端面上的反射損耗影響[5],故由兩層不同阻抗的屏蔽體聯(lián)合產(chǎn)生的屏蔽效果好于僅有一層屏蔽體的情況。因此針對測試儀的屏蔽體采用雙層模式設(shè)計,這樣的設(shè)計可以最大限度的抑制干擾,保障測試儀的測試精度。

現(xiàn)以厚度為a1和a2,渦流參數(shù)為γ1和γ2的雙層屏蔽體為例,用各單層屏蔽體的屏蔽系數(shù)S1、S2和反射系數(shù)P1、P2來表示雙層屏蔽體的屏蔽系數(shù)S12和反射系數(shù)P12。屏蔽作用計算如圖1所示。

由圖1可求得雙層屏蔽體的S12和P12分別為:

圖1　屏蔽作用計算

(1)

(2)對于單層屏蔽體,S和P的計算公式分別為

(3)

(4)經(jīng)計算可得雙層屏蔽體的S12和P12的計算公式為:

(5)

(6)

在150kHz以下頻譜中,每層0.1mm的雙層屏蔽體的屏蔽衰減總值見圖2。曲線A1f、A2f、A3f、A4f和A5f分別表示銅-鋼、鋁-鋼、銅-鋁、銅-鉛和鉛-鋼組合屏蔽體的屏蔽衰減隨頻率變化的情況。其中,鋼的ur=100。

圖2　屏蔽衰減情況

由圖1和圖2可知,“銅-鋼”組合屏蔽體具有最大的屏蔽效果。因此,本設(shè)計采用“銅-鋼”組合屏蔽體。結(jié)合測試儀的工作原理和測試需要,設(shè)計第一層屏蔽體即測試儀的殼體選用鋼,第二層屏蔽體即測試儀內(nèi)部電路的保護層選用銅。

2屏蔽電磁仿真

采用AnsoftMaxwell軟件對內(nèi)置式壓力測試儀的屏蔽體(即殼體)進行電磁屏蔽仿真[6]。仿真時在測試儀殼體外部施加高頻電磁場,其仿真效果見圖3。其中圖3(a)是殼體外部電磁場分布情況,圖3(b)是殼體內(nèi)部電磁場分布情況,通過對比可看到進入殼體內(nèi)部的電磁場比殼體外部的電磁場明顯減弱。

殼體內(nèi)部和外部的電磁場分布情況曲線如圖4(a)所示,圖中左側(cè)部分為殼體內(nèi)部電磁場分布曲線,右側(cè)部分為殼體外部電磁場分布曲線,可以看到殼體外部的電磁場明顯大于殼體內(nèi)部,將殼體內(nèi)部電磁場分布情況曲線放大得到圖4(b),對比殼體內(nèi)部和殼體外部的電磁場分布情況及相關(guān)量級,可基本認為設(shè)計的測試儀殼體將電磁場屏蔽掉了。

3結(jié)論

文中針對內(nèi)置式壓力測試儀,分析了測試儀殼體的屏蔽作用及效果,確定了測試儀屏蔽體的最佳殼體屏蔽模型以及屏蔽體的材料選擇。通過AnsoftMaxwell電磁仿真軟件對測試儀的殼體進行了電磁仿真,仿真結(jié)果證明本設(shè)計確實能更好的減小電磁干擾,驗證了本設(shè)計的可行性。為火炮膛壓等惡劣環(huán)境下的壓力測試提供了有效的電磁屏蔽設(shè)計方法。

圖3　仿真結(jié)果云圖

參考文獻:

[1]李新娥, 祖靜, 徐鵬. 電容式高膛壓測試儀的動態(tài)特性分析 [J]. 高壓物理學(xué)報, 2014, 28(1): 108-112.

圖4　仿真結(jié)果曲線圖

[2]李新娥, 祖靜, 馬鐵華, 等. 用于火炮膛內(nèi)壓力測試的電容式傳感器的設(shè)計 [J]. 儀器儀表學(xué)報, 2011, 32(3): 640-645.

[3]楊士元. 電磁屏蔽理論與實踐 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2006: 125-127.

[4]周旭. 電磁兼容基礎(chǔ)及工程應(yīng)用 [M]. 北京: 中國電力出版社, 2010: 145-147.

[5]黃海源. 電子設(shè)備的電磁場屏蔽 [J]. 岳陽職工高等?？茖W(xué)校學(xué)報, 2001(4): 61-63.

[6]付桂輝, 吳群. 微波EDA電磁仿真軟件應(yīng)用 [C]∥2003全國微波毫米波會議論文集, 2003: 980-983.

*收稿日期:2015-04-24

基金項目:重點實驗室基金(04011007)資助

作者簡介:劉磊(1990-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士研究生,研究方向:動態(tài)測試與智能儀器。

中圖分類號:TN06

文獻標志碼:A

ADesignofElectromagneticShieldingforBuilt-inPressureTestingInstrument

LIULei,LIXin’e,WANGYuanjing

(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:Since built-in pressure testing instrument adopting internal triggering method is susceptible to electromagnetic interference in artillery gun pressure testing, thus affecting testing precision of pressure testing instrument. In this paper, an electromagnetic shielding design was presented based on built-in pressure testing instrument. Through theoretical analysis and calculation of electromagnetic shielding, a useful shielding shell mode of the built-in pressure testing instrument, was designed and the shielding material was determined. Also, Ansoft Maxwell software was used to conduct electromagnetic simulation for shell shield design. The simulation results verify rationality of the design, a feasible scheme is provided to solve the problem of electromagnetic shielding of built-in pressure testing instrument.

Keywords:pressure test; electromagnetic shielding; electromagnetic simulation; Ansoft Maxwell